10. Landshuter Leichtbau-Colloquium: Leichtbau – von der Wissenschaft bis zur Schlüsseltechnologie für Ressourceneffizienz

Thema "Leichtbau – von der Wissenschaft bis zur Schlüsseltechnologie für Ressourceneffizienz"
(24./25. Februar 2021, Hochschule Landshut)

Mit mehr als 370 Anmeldungen konnte sich die Organisatoren des erstmals online ausgetragenen 10. Landshuter Leichtbau-Colloquiums über einen Teilnehmerrekord freuen. In rund 30 Fachvorträgen beleuchteten Experten/innen bei dem Fachtreff der Hochschule Landshut und des Leichtbau-Clusters die vielfältigen Aspekte, neue Forschungserkenntnisse über Materialien, Verfahren, Fertigungsprozesse und industrielle Lösungen dieser Schlüsseltechnologie für die Ressourceneffizienz.

„Leichtbau liegt im Trend“ ist Hochschulpräsident Prof. Dr. Fritz Pörnbacher in seiner Begrüßung der Teilnehmer/innen überzeugt. Das Thema Nachhaltigkeit habe in Wissenschaft und Gesellschaft stark an Bedeutung gewonnen, und der Leichtbau sei dabei eine Schlüsseltechnologie, wie Staatssekretärin Elisabeth Winkelmeier-Becker (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi) in ihrem digitalen Grußwort erklärte. Mit der vom Ministerium initiierten Initiative Leichtbau und der daraus entwickelten Leichtbau-Strategie des Bundes, biete man ein Maßnahmenpaket, das die Optimierung der förderpolitischen Rahmenbedingungen und den Ausbau des Leichtbaus und der digitalen Infrastruktur zum Ziel habe. Das Landshuter Leichtbau-Colloquium leiste durch die Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissenschaft hierzu einen wichtigen Beitrag, das Wissenschaftsministerium hatte die Schirmherrschaft des 10. LLC übernommen.

Die Verquickung von Leichtbau und Ressourceneffizienz sei ein wichtiger Hebel, um das Thema Ressourceneffizienz anzugehen, ist Ministerialrat Werner Loscheider (BMWi) überzeugt, der in seinem Vortrag die vor 5 Jahren gestartete Initiative Leichtbau mit ihren vielfältigen Maßnahmen vorstellte. Aktuell habe man mit dem Strategiebeirat ein neu zusammengesetztes Gremium geschaffen, um die Schlagkraft und Effizienz der Initiative noch zu erhöhen. Im Leichtbauatlas hätten sich bisher 692 im Thema aktive Partner eingetragen. Ein Blick in den Leichtbauatlas verdeutliche, dass der Leichtbau eine ausgeprägte Querschnittstechnologie über Branchen, Materialien und Fertigungstechnoligen hinweg sei. Herzstück der Initiative Leichtbau sei das Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB), mit dem Ziel, den Leichtbau als Zukunftstechnologie weiterzuentwickeln. Und dies sei sehr erfolgreich gestartet, bei den ersten beiden Stichtagen seien rund 330 Projektskizzen eingereicht worden; nächster Stichtag 1. April 2021. Als aktuelle Herausforderungen für den Leichtbau betrachtet er die Schaffung von digitalisierten Wertschöpfungsketten, Kosten zu senken und Serientauglichkeit herzustellen sowie Recyclingprozesse gerade für Verbundmaterialien.

Leichtbau früh als Schlüsseltechnologie für Ressourceneffizienz erkannt

Mit dem Thema „Leichtbau – von der Wissenschaft bis zur Schlüsseltechnologie für Ressourceneffizienz“ habe man die auch in Politik und Gesellschaft stark gestiegenen Bedeutung des Leichtbaus im 10. Landshuter Leichtbau-Colloquium (LLC) aufgegriffen, wie Initiator Prof. Dr. Otto Huber in seiner Einführung erklärte. Dabei habe man sich in Landshut bereits frühzeitig, beim LLC 2009, mit dem Thema „Leichtbau als Schlüsseltechnologie für Material- und Energieeffizienz und Klimaschutz“ befasst. Mit dem LLC habe man eine Community geschaffen, um gemeinsame Leichtbau-Aktivitäten zu forcieren. Das dies gelungen sei, zeigte er an der Entwicklung des Landshuter Leichtbau Kompetenzzentrums an der Hochschule Landshut (LLK): Eine Vielzahl an geförderten Forschungsprojekten mit starken Partnern aus Wissenschaft und Unternehmen seien ebenso wie Studiengänge im Bereich Leichtbau – aktuell der Bachelor „Additive Fertigung - Werkstoffe, Entwicklung und Leichtbau“ – entstanden, die Labor- und Personalressourcen konnten deutlich erweitert und zusammen mit der Paris Lodron Universität Salzburg habe man ein grenzüberschreitendes Leichtbau-Forschungszentrum etabliert.

Dabei gäbe es im Bereich Leichtbau weiterhin großen Forschungsbedarf, um dessen Potenzial weiter entfalten zu können. Dies z.B. auch in der Werkstoffcharakterisierung und -modellierung von Magnesiumknetlegierungen, die bei einer zyklischen Biegebeanspruchung um ein bis zu 66 Prozent geringeres Gewicht als Stahl, aber auch ein komplexes Materialverhalten aufweisen. Am LLK forsche man aktuell, um die Voraussetzungen zu schaffen, die Ermüdungslebensdauer zu analysieren und Beanspruchungsanalysen im elasto-plastischen Bereich per FEM durchführen zu können. Aktuelle Forschungserkenntnisse dazu präsentierte Anton Nischler später in einem Vortrag.

Weiteres Leichtbaupotenzial sieht Prof. Huber u.a. in der additiven Fertigung, aber besonders auch in der Digitalisierung und der Abbildung von Produkten in einem digitalen Zwilling. Dabei müsse die gesamte Kette von der Entstehung über die Nutzung bis hin zum Recycling und der erneuten Nutzung in Verbindung mit wirtschaftlichen Abwägungen betrachtet werden, um effiziente Leichtbau-Strukturen generieren zu können. 

Intelligente Leichtbau-Produkte entwickeln

Die zentrale Bedeutung des Leichtbaus für innovative Produkte von morgen betonte Prof. Dr. Christoph Friedrich (Universität Siegen) in seinem Plenumsvortrag. Ziel müsse sein, das Potenzial des Leichtbaus für intelligente Produkte mit Zugewinn für Nutzer und Gesellschaft aber auch unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten, zu nutzen. Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Preis und Nachhaltigkeit seien dabei wichtige Produktionskriterien. Bei zunehmend komplexen Produkten seien im Leichtbau Kompetenzen über Werkstoffe, Konstruktion und Fertigung hinaus notwendig. Die etablierten Kennwerte wie Steifigkeit, Dichte oder Festigkeit seien insgesamt nicht mehr ausreichend, auch Kosten, Energie- oder Rohstoffaufwand müssten in die Betrachtung mit einfließen. Dafür seien übergreifend qualifizierte Mitarbeiter/innen die Basis, besonders die Weitebildung sei deshalb ein wichtiges Thema.

Im zweiten Plenumsvortrag der Veranstaltung befasste sich Stefanus Stahl (BMW Group, Additive Manufacturing Campus, Oberschleißheim) mit den Einsatzmöglichkeiten und Potenzialen der Additiven Fertigung im Fahrzeugbau. Auch für die Additive Fertigung (AF) stünden neben technischen und nachhaltigen Aspekten natürlich Kostenabwägungen im Fokus. AF habe einen enormen Pusch erfahren, stehe aber in Konkurrenz mit anderen Fertigungstechnologien. Das zusätzliche Reduzieren von Masse und Designvorteile, z.B. zur Umsetzung von zusätzlichen Funktionen, schaffen ein enormes Potenzial, besonders die optimierte Geometrie sei ein großer Vorteil. So könne man z.B. innerhalb eines Bauteils die Materialeigenschaften wie Festigkeiten je nach speziellen Anforderungen variieren oder auch nur die Anzahl der Fügestellen reduzieren. Auch zusätzliche Funktionen, wie z.B. der integrierte Bremsflüssigkeitskanal bei einem Bremssattel, böten neue Möglichkeiten.

Dabei müssten AF-gefertigte Bauteil kosteneffizient sein, um in der Serienproduktion eingesetzt zu werden. Kleinere Komponenten additiv zu fertigen, könnte sich durchaus auch bei größeren Stückzahlen lohnen. Je größer ein Bauteil sei, umso schwieriger werde dies. Zuerst müssten Gewicht sowie Material und damit Maschinenkosten minimiert werden, Topologieoptimierung und generatives Design spielten eine große Rolle. Stützstrukturen seien Kostentreiber, die soweit möglich minimiert werden sollten. Und je mehr Bauteile in den Bauraum eines 3D-Druckers passen, umso günstiger werde die Produktion. Bei BMW werde der Motorsport mit geringen Stückzahlen als Erfahrungsfeld genutzt, doch seien bereits additiv gefertigte Komponenten im Serieneinsatz, bei denen es gelungen sei, nicht nur Gewichtsvorteile sondern auch Kosteneffizienz zu erzielen.  
Im Folgenden standen beim 10. LLC 28 Vorträge in 12 Sessions mit relevanten Leichtbau-Themen auf dem Programm, in denen viele Innovationen, unterschiedliche Forschungsansätze, innovative Fertigungskonzepte und Produktentwicklungen das große Potenzial aber auch die Herausforderungen des Leichtbaus erkennen ließen.

Auslegung und Fertigungskonzepte

Einen Paradigmenwechsel für eine effiziente Auslegung, Konstruktion, Optimierung und Fertigung von Platten und Schalen in Faserverbundbauweise verspricht ein von Prof. Dr. Klemens Rother (Hochschule München) vorgestellter Ansatz. Dies auf Grundlage von konstanten Materialkennwerten auf Basis der Trace bzw. Spur der Steifigkeitsmatrix (Tsai´s Modulus) und dem Verzicht auf die bisher üblichen Lagenwinkel ((0°, 45°, 90°)) bei der Ausrichtung von Laminaten. Er beklagte die häufig traditionell geprägten Denkansätze im Maschinenbau. Dem stimmte auch Wolfram Schmucker (AT Gesellschaft für technische Realisierung im Bereich Bootsbau und Kunststofftechnik mbH, Gilching) zu, der innovative Lösungen für die Gewichtsreduktion anhand der Substitution schwerer Materialien durch CFK-Bauteile mit dem Tailored Fiber Placement (TFP)-Verfahren vorstellte. Die Ähnlichkeitstheorie stellt für Dr. Michael Roth (PSW automotive engineering GmbH, Gaimersheim) eine Möglichkeit zur Verringerung der Entwicklungskosten bei der Auslegung von Strukturen z.B. im Fahrzeugbau dar. Er zeigte, wie quasi-statische Lastfälle an Tragwerken anhand von Versuchen mit skalierten Modellen ausgelegt werden können.

Eine innovative Warmumformung, die sog. Hot Die Forming (HDF)-Technologie, die eine effiziente Umformung von Metallen und insbesondere von anspruchsvollen Legierungen aus Aluminium, Magnesium oder Stahl verspricht, erläuterte Prof. Dr. Jürgen Hirsch (HoDforming GmbH, Düsseldorf). Daneben wurde in weiteren Vorträgen Ergebnisse von Untersuchungen u.a. zu Einflüssen von verschiedenen Fertigungsverfahren auf mechanische Eigenschaften von CFK-Rohren (Felix Brandmayr, Universität der Bundeswehr München) oder auch das Niedergeschwindigkeits-Impactverhalten von gekrümmten FVK-Strukturen vorgestellt (Matthias Schlamp, OTH Regensburg). Mit dem Recycling von unterschiedlichen Carbonfaserabfällen als Ausgangsmaterial für die Vliesstoffherstellung befasste sich ein Vortrag von Marcel Hofmann (Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Chemnitz).

Yves Glett (Foldcore GmbH, Notzingen) präsentierte hochtemperaturbeständige hybride Mica-Faltkernsandwichstrukturen, die durch die synergetische Kombination von Deckschichten auf Basis von Glimmer und einem Faltkern aus feuerfestem Mica-Papier Temperaturen von über 900 °C dauerhaft widerstehen. Über die Herstellung von Preforms aus Glasschaumgranulat, mit welchen auch mehrfach gekrümmte Sandwichelemente aus zellularem Verbundwerkstoff und integrierten faserverstärkten Deckschichten in Gusspolyamid-6-Matrix gefertigt werden können, berichtete Alexander Fischer (LLK der Hochschule Landshut).

Ressourceneinsparung durch Reparatur von Faserverbundstrukturen

Mit dem zunehmenden Einsatz von hybriden Strukturen stellt sich auch verstärkt die Frage nach deren Reparatur, bisher werden beschädigte Bauteile häufig ausgewechselt. Ergebnisse zu einem neu entwickelten Reparaturverfahren für geschädigte Duroplast-CFK-Bauteile mit einer UV-strahlungsbasierten Matrixentfernung, Oberflächenaktivierung und Wiederbeschichtung mit Patchfasern zeigte David Hoffmann (TU Dresden). Einen Vergleich verschiedener Reparaturkonzepte für Metall-Faserverbund Hybridrohre bot der Vortrag von Dr. Johannes Stöckl (csi entwicklungstechnik GmbH, Gaimersheim).

Mit strukturellem Kleben von Faserverbundkunststoffen befasste sich ein Vortrag von Dr. Jens Holtmannspötter (Wehrwissenschaftliches Institut für Werk-, Explosiv- und Betriebsstoffe – WIWeB, Erding). Er erläuterte, dass die Rauigkeit und die damit einhergehende Oberflächenvergrößerung der Fügeteiloberfläche sei die relevante Einflussgröße für die Adhäsion. Dies gelte für Duromere ebenso wie für Thermoplaste.

Potenzial von metallischen Leichtbauwerkstoffe

Intermetallische Titan-Aluminium-Legierungen wird ein großes Potenzial als Substitutionsmaterial zu derzeitigen Superlegierungen (z.B. Nickelbasislegierungen) bei Hochtemperaturanwendungen, zugesprochen. Die Eigenschaften der Legierungen werden durch die chemischen Bindungskräfte aber auch durch das Gefüge, Korngröße sowie struktureller Aufbau, bestimmt. Wie die Struktur und damit die Eigenschaften durch verschiedene Herstellverfahren und Wärmebehandlungen verändert werden können, führte Christoph Stangl (LLK der Hochschule Landshut) aus.

Aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit und ihrer exzellenten Hochtemperatur- und Korrosionseigenschaften gelten Eisen-Aluminide als preiswerter Ersatz für Stähle, Nickel- und Kobalt-Basislegierungen für Temperaturen bis ca. 700°C. Geringe Duktilität und schlechte Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur haben jedoch eine weite Verbreitung und Anwendung bisher behindert. Eva Kollmannsberger (LLK der Hochschule Landshut) analysierte in ihrem Vortrag die Einflüsse von unterschiedlichen Fertigungsverfahren und Legierungselementen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften.

Einen neuen Verbundwerkstoff mit in Aluminiumschaum eingelagerten partikelgefüllten Hohlkugeln (HoverLIGHT), der die Vorteile und Dämpfungsmechanismen beider Materialien verbindet, stellte Dr. Ulrike Jehring (Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung – IFAM, Dresden) vor. Christian Hannemann (Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik - IWU, Chemnitz) zeigte das Potenzial für Metallschäume durch eine Regelgeometrie und per 3D-Druck in Wachs gefertigte Formen. Dadurch sei eine belastungsgerechte, strömungs- oder oberflächenoptimierte Topologieoptimierung möglich, die neue Anwendungsmöglichkeiten eröffne.

Im Bereich der additiven Fertigung wurden auch Studien z.B. zu thermomechanischen Wechselwirkungen beim additiven Schmelzschichtverfahren (Dr. Christoph Mittermeier, Universität der Bundeswehr, München) oder zu mikromechanischen Betrachtungen von additiv hergestellten endlosfaserverstärkten Thermoplasten (Michael Handwerker, TH Ingolstadt) gezeigt.

Anwendungs- und Entwicklungsbeispiele aus der Industrie

Einen Einblick in den aufwändigen Entwicklungsprozess eines neuen Hochdaches für LKW-Fahrerkabinen in Sandwichbauweise per RTM-Verfahren gab Andreas Schmitz (MAN Truck & Bus SE, München). Dabei konnten bei maximalem Stauraum 10 Prozent des Gewichtes eingespart werden, aufwändige Real-Crashversuche können nun ebenso wie Veränderungen der Geometrie oder des Lagenaufbaus per Simulation durchgeführt werden. Die aufwändige Entwicklung eines verlässlichen Simulationsverfahrens zur Bewertung von Schweißnahtverbindungen bei Bussen mit Validierung am Gesamtfahrzeug skizzierte Robert Buchmann (MAN Truck & Bus SE, München).

Eine ansprechende Oberfläche gepaart mit einer guten mechanischen Performance und recyclingfähigen Materialien lautete das Ziel bei der Entwicklung eines hybriden Bremsscheibenschutzes mit der innovativen Fügetechnologie Conexus, die es ermöglicht eine primär stoffschlüssige Verbindung zwischen Duroplast und Thermoplast zu schaffen, wie Michael Heider (KTM E-Technologies GmbH, A-Niederalm) in seinem Vortrag betonte.

Für die Nutzung von Baureihensynergien bieten gemeinsame Architekturen für Batterieelektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge durch die Nutzung gemeinsamer Bauräume für den Energiespeicher im Fahrzeugunterboden ein großes Potenzial aber aufgrund der quaderförmigen Form auch besondere Herausforderungen. Die Entwicklung eines bauraumoptimierten Wasserstofftanks mit innerer Zugverstrebung stellen Michael Ruf (BMW Group, München) und Martin Huber (Hochschule München) vor.

Fertigungstechnologien – Prozesse

Technische Neuerungen stellte der Spritzgussmaschinenhersteller ENGEL AUSTRIA vor: Paul Zwicklhuber zeigte den Weg vom Tape zum maßgeschneiderten Bauteil im Takt der Spritzgussanlage. Die Optimierung des Aufheizprozesses von thermoplastischen Composites verdeutlichte Junsheng Luo. Auf die Reduktion von Kosten und die Vorteile der Optimierung der thermischen Stabilisierung durch inline-Elektronenbehandlung von Präkursorfasern und faserverstärkten Kunststoffen ging Dr. Uwe Gohs (ASIS GmbH, Landshut) ein.

Die bei Neue Materialien Bayreuth GmbH entwickelte Prozesskette FORCE – Functionalized Oriented Composites zeigte Dr. Thomas Neumeyer. Sie ermögliche das Tapeablegen in jeder Winkellage, über einen digitalen Zwilling werde die Produktion simuliert und überwacht. Eine ressourceneffiziente Fertigungstechnologie durch eine digitale Prozesskette unter Einbindung von Blockchain-Technologie, bei der jede Veränderung rückverfolgbar sei und z.B. je nach Materialeigenschaften die Produktionsparameter beeinflusst werden können, entwarf Dr. Wolfgang Böhm (Neue Materialien Fürth GmbH).

Weitere Informationen zu den Vorträgen bietet der Tagungsband zum 10. LLC mit 14 ausgearbeiteten Beiträgen.