Über neueste Leichtbautechnologien und Entwicklungen durch den kombinierten Einsatz von unterschiedlichen Werkstoffen in hybriden Strukturen informierten sich rund 40 Fachbesucher beim "4. Forum Multi Material Design für Leichtbauanwendungen” an der Hochschule Landshut. Vom per Sandwichstruktur umgesetzten Reisemobil-Crashschutz und dem mit Endlosglasfasern verstärkten Pkw-Bremspedals über Faserverbund-Antriebswellen in der Luftfahrt bis zum neuen CFK-Recyling-Verfahren reichte die Bandbreite der Themen in der Veranstaltung (30. Oktober 2014). Verdeutlicht wurde dabei der hohe Aufwand für Konstruktion und Simulation sowie Produktion dieser leichten Verbundlösungen. Hochschulpräsident Prof. Dr. Stoffel begrüßte die Teilnehmer und betonte, dass die Hochschule Landshut schon frühzeitig die Bedeutung der zukunftsrelevanten Leichtbau-Technologien erkannt habe. Wichtig sei dabei auch der Netzwerkgedanke, umso erfreulicher sei es, dass die Veranstaltung, die auch heuer wieder vom Leichtbau-Cluster der Hochschule organisiert und gemeinsam mit den Kompetenznetzwerken Carbon Composites e.V. und dem Cluster Neue Werkstoffe durchgeführt wurde.
Gewicht von Reisemobilen reduziert - erhöhter Insassenschutz
Im ersten Teil der Veranstaltung wurden die Ergebnisse des BMBF-geförderten Forschungsprojektes „LeitHyb – Leichtbau-Hybridstruktur für das Chassis von Reisemobilen“ präsentiert, das unter der Projektleitung von Prof. Dr. Otto Huber am Leichtbau Kompetenzzentrum der Hochschule Landshut LLK durchgeführt wurde. Im durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Kooperationsvorhaben wurde mittels "Systemleichtbau" eine Gewichtseinsparung am Rahmen von Reisemobilen um 50 Kilogramm sowie eine Verbesserung des Crashverhaltens und des Insassenschutzes im Fondbereich erreicht. Die Gewichtseinsparung von insgesamt 29 Prozent in Rahmen und Doppelboden wurde durch den Einsatz von dünnwandigen geschlossenen höherfesten Stahlprofilen erzielt, die in den steifigkeitsbestimmenden und beulgefährdeten Bereichen durch hohle Stützkerne aus zellularem Verbundwerkstoff (syntaktischer Schaum aus Glasschaumgranulaten in Polyurethan- oder Epoxidharz- Matrix) lokal ausgesteift wurden, wie Sergej Diel (Kompetenzzentrum Leichtbau, Hochschule Landshut) in seinem Vortrag ausführte. Die vom Projektpartner CADFEM (Grafing) durchgeführte Crashsimulation, vorgestellt von Klaus Graf, bestätigte, dass die am LLK entwickelte Deformationsstruktur signifikant zur Verbesserung der passiven Sicherheit beiträgt. Die Tests zum Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten der Alois Kober GmbH (Kötz) am selbst gefertigten Prototypen der Rahmen-Bodenstruktur, die von Helmut Lehner präsentiert wurden, zeigten, dass die neue hybride Rahmenstruktur aufgrund der zellularen Stützkerne eine um 62 Prozent höhere Kraft aufnehmen kann, bis ein Ausknicken bzw. Beulen am Rahmenlängsträger auftritt. Den Anstoß zum Forschungsprojekt hatte die Knaus Tabbert GmbH (Jandelsbrunn) gegeben, weitere Partner waren die Altendorfer Kunststofftechnik e. K. sowie die Universität Erlangen-Nürnberg.
CFK-Antriebswelle CFK für die Automobil- und Luftfahrttechnik
Ein ebenfalls durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes Projekt, in dem eine ultraleichte Antriebswelle aus Faserverbund-Metall-Mischbauweise entwickelt wurde, stellte Dipl.-Ing. Tino Wollmann (Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik ILK der TU Dresden) vor. Die für den Einsatz in der Luftfahrt oder im Automobilbau geeignete CFK-Welle mit metallischem Endstück zur Kraftübertragung habe viel Grundlagen- und Entwicklungsarbeit erfordert. Neben einer erheblichen Gewichtseinsparung verfügt sie über eine höhere Torsions- sowie Biegesteifigkeit und ermöglicht ein flexibleres Design als herkömmliche Metalllösungen. Zusätzlich wurde eine praxisgerechte Leitlinie entwickelt, die Ingenieuren die Entscheidung für z.B. die Verwendung eines Materials oder die Konstruktion von GFK-Lösungen anhand von verschiedenen Parametern wie auftretende Lasten, Temperatur, Bauraum etc. erleichtern. Kooperationspartner bei der Entwicklung dieser Welle war das Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH, Dresden, Dipl.-Ing. Andreas Freund referierte über Erfahrungen bei der Entwicklung von kompakten CFK-Hochleistungsstrukturen für die Luftfahrt. Um diese realisieren zu können, müsse man erst den Werkstoff sowie das Bauteil und diverse im Experiment auftretende Schadensverläufe bzw. Versagensmechanismen verstehen lernen. Erst dann könne man die Konstruktion optimieren und an die erfolgreiche Umsetzung von Teilen bzw. den Prototypenbau gehen. Dieses frühzeitige Verständnis führe zu enormen Kosteneinsparungen durch fehlende Iterationsschleifen mit teuren Bauteiltests. So habe man bei der Entwicklung der Antriebswelle für den Einsatz in der Luftfahrt, die bald in Serie eingesetzt werden soll, die Gesamtmasse um 23 Prozent senken und die Maximaldrehzahl um 34 Prozent steigern können.
Kunststoffsysteme nach spezifischen Anforderungen
Über maßgeschneiderte Kunststoffsysteme für Leichtbaustrukturen in der Großserie berichtete Lukas Schroer (LANXESS Deutschland GmbH, Dormagen). Hier müsse stets eine Balance gefunden werden zwischen Leichtbaupotenzial, dem richtigen Material für die Lastauslegung und präziser Prozesskontrolle auf der einen Seite gegenüber Kostenfragen im Bereich Material und Produktion, Produktionsequipment und -zeit bzw. Automatisierungsmöglichkeit. Dabei seien viele Parameter zu beachten wie z.B. Stabilitätsanforderungen, die mögliche Vorproduktion von Materialien und Halbzeugen oder die unterschiedliche Gießfähigkeit von Materialien. Dies verdeutlicht er u.a. am Optimieren von Frontends von Automobilen, die heute dünnwandig per Spritzguss mit Funktionsintegration hergestellt werden. Hier könne sowohl Gewicht als auch Kosten gespart werden. Gerade bei Organoblechen bzw. faserverstärkten Kunststoffen spiele die Komposition eine wichtige Rolle, verschiedene Gewebe, Fasern oder Matrixsysteme sind möglich, Oberfläche und Optik müssten zusätzlich berücksichtigt werden. Für Strukturanwendungen im Automobilbereich stehen schnelle Herstellungsprozesse im Mittelpunkte, was für einfache Gewebe spreche. Dabei betont er die gestiegene Rolle der Simulation. Organobleche zeigen ein völlig neues Verhalten beim Umformen, mittlerweile sei eine Simulation auch unter Berücksichtigung der Faserausrichtung möglich. Er zeigt an Beispielen die heutigen Produktionsmöglichkeiten, dies z.B. anhand eines mit Endlosglasfasern verstärkten, serientauglichen Pkw-Bremspedals aus Polyamid.
Neues Verfahren für das Recycling von CFK-Bauteilen
Eine neuartige Methode für das CFK-Recyling stellte schließlich Dr. Severin Seifert vom Fraunhofer Institut für Bauphysik (Holzkirchen) mit der Elektrodynamischen Fragmentierung vor. Durch verschärfte Vorschriften und den hohen Preis von CFK müssen Produktionsabfälle und End-of-Life Bauteile recycelt werden. Während gängig Recycling-Methoden ein C-Pulver oder Fasern mit reduzierter mechanischer Festigkeit rückgewinnen und einen hohen Energie- und Materialverbrauch bedeuten bzw. nur mit hohem Lösungsmittelrückstand möglich sind, stelle die neu entwickelte Methode eine wertvolle Alternative dar. Dabei wird ein Verbundmaterial in einem Gefäß unter Wasser zwischen zwei Elektroden platziert und kurze Hochspannungsimpulse durchgeleitet. Beim Durchschlag entsteht ein Plasmakanal welcher sich schlagartig ausdehnt, die Druckwelle wird von der Gefäßwand reflektiert und generiert zusätzlich eine Kompressionswelle. Faser und Polymer werden so getrennt, C-Fasern mit kaum beeinträchtigten mechanischer Stabilität könnten so aus CFK-Bauteilen wiedergewonnen werden.
