Forschungsprojekt "Leichtbau" (FPL)

Projektbeschreibung

Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst geförderte Forschungsprojekt Leichtbau (FPL) stärkt den Forschungsschwerpunkt Leichtbau (FSPL) der Hochschule Landshut Dieser ist eine Plattform für angewandte FuE-Projekte und Wissenstransfer in den Gebieten Leichtbauwerkstoffe, -konstruktion und Fertigungstechnologien.  Die Forschungsarbeiten reichen von der Analyse und Synthese der Werkstoffmikrostruktur bis zur berechenbaren und fertigbaren Leichtbaustruktur. Wir bieten jungen Nachwuchswissenschaftlern, Bachelor- und Masteranden sowie Studierenden in Projektarbeiten ein attraktives, motivierendes, wissenschaftliches Umfeld im Bereich des Leichtbaus und lassen unsere Forschungsergebnisse anhand ihres Umsetzungspotenzials sowie im internationalen Wissenschaftsnetzwerk messen.

Der Forschungsschwerpunkt Leichtbau führt die Kompetenzen verschiedener Fachgebiete des Leichtbaus zusammen. Herr Prof. Dr. O. Huber leitet den Forschungsschwerpunkt und fungiert als Ansprechpartner. Um eine schlanke und effiziente Struktur zu gewährleisten, gliedert sich der Forschungsschwerpunkt intern thematisch nach den einzelnen Laboren, die jeweils durch die Laborleiter vertreten werden. Eine gemeinschaftliche Nutzung der Gerätschaften ist tägliche Praxis, da die Interessensgebiete der Laborleiter auch inhaltliche Überschneidungen aufweisen. Der Forschungsschwerpunkt Leichtbau nutzt folgende Labore:

  • Labor Physikalische Analytik I: Rasterelektronenmikroskopie (H. Saage)
  • Labor Physikalische Analytik II: Computertomographie (H. Saage)
  • Labor Thermische Analytik: DSC, TGA, DMA, TMA, IR (W. Fischer)
  • Labor Allgemeine Werkstofftechnik: quantitative Lichtmikroskopie, Mikro- und Makrohärtemessung, Ultraschallprüfung, Prüfung im Zugversuch (50kN) (H. Saage)
  • Labor Leichtbaukonstruktion: Universalzugprüfmaschine 150kN, Resonanzpulser, servohy­draulische Prüfanlage mit Schwingfundament und Temperaturkammern, 2 Hydropulser, Biaxial-Hydropulser (O. Huber)
  • Labor Leichtbauwerkstoffe: Universalzugprüfmaschine 20kN, 3 Hydropulser (inkl. tension-torsion), Temperatur- und Klimakammern, Handschuhbox, Lichtmikroskope (H. Klaus)
  • Labor Leichtbaustrukturen: 2 Hydropulser, T-RTM-Anlage, Heizpresse, Laserschweißanlage 2kW (O. Huber, W. Fischer, H. Saage, M. Jautze)
  • Labor Leichtbaumechanik: Lehrversuche, Resonanzpulser, Elektrodynamischer Shaker, Dehnungsmessung mit­tels Grauwertkorrelation (O. Huber)
  • Labor Kunststofftechnik (W. Fischer)
  • Labor Additive Fertigung mit Maschinen unterschiedlicher Additiver Fertigungsverfahren wie FDM, MJM und LS sowie verschiedene Scaneinrichtungen (N. Babel)

 

Kurzfassung Forschungsprojekt Leichtbau (FPL)

Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (StMWK) geförderte Forschungsprojekt Leichtbau (FPL) hat den Forschungsschwerpunkt Leichtbau (FSPL) der Hochschule Landshut gestärkt. Dieser ist eine Plattform für angewandte FuE-Projekte und Wissenstransfer in den Gebieten Leichtbauwerkstoffe, -konstruktion und Fertigungstechnologien.

Mit der Forschungsförderung (01.08.2018 - 31.03.2022) konnte der Forschungsschwerpunkt Leichtbau der Hochschule Landshut in Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstituten und sechs Unternehmen ausgebaut werden. In Kooperation mit dem Fachbereich Chemie und Physik der Materialien der Universität Salzburg (PLUS) sowie dem Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg werden Promotionen der wissenschaftlichen Mitarbeiter mit den jeweiligen Forschungsergebnissen angestrebt. Um die Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis zu unterstützen, wurden für alle drei Teilprojekte Partnerunternehmen in die Forschungsarbeiten eingebunden. Mitgearbeitet haben die Unternehmen HBM Prenscia, Lanxess, MAN Truck & Bus, Porcher Industries, Poraver und Otto Spanner.

Im Teilprojekt „Mehrfachgekrümmtes Sandwichelement mit integrierter Deckschicht“ konnten zunächst ebene Sandwichelemente mit integrierten glasfaserverstärkten Deckschichten und einem Kern aus zellularem Verbundwerkstoff in einem Gussverfahren reproduzierbar hergestellt werden. Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung von Sandwichelementen wird beim angewandten Monomer Transfer Molding vorab kein Kunststoff aufgeschmolzen, da die niederviskose Monomerschmelze erst direkt im Werkzeug zu Gusspolyamid-6 polymerisiert. Für den Transfer auf mehrfach gekrümmte Sandwichelemente wurde ein Prozess zur Herstellung von infiltrierbaren Preforms für den Sandwichkern untersucht. Die anschließend hergestellten ebenen und mehrfach gekrümmten Sandwichelemente wurden anhand quasistatischer Biegeversuche charakterisiert und die Auswirkungen wesentlicher Herstellparameter analysiert.

Im Teilprojekt „Betriebsfestigkeit umgeformter Mg-Blechstrukturen“ wurde die Herstellung und das Ermüdungsverhalten von Strukturbauteilen aus gießgewalzten AZ31B Mg-Blechen erforscht. Durch Gefügeuntersuchungen vor und nach der Umformung sowie nach zyklischen Beanspruchungen konnten das Deformationsverhalten analysiert und geeignete Umformparameter ermittelt werden. Mit uniaxialen Versuchen und Biegeversuchen wurden die quasi-statischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften umgeformter Mg-Strukturen charakterisiert und das Betriebsfestigkeitsverhalten mit dem im FSPL entwickelten „Concept of Highly Strained Volume“ erfolgreich modelliert.

Im Teilprojekt „Fertigung und Prüfung laserauftraggeschweißter TiAl-Basislegierungen“ wurde das Know-how und die technischen Möglichkeiten zum Auftragschweißen erfolgreich aufgebaut und erweitert. U.a. konnte gezeigt werden, dass sich positive Einflüsse einer feinkörnigen Randschicht nach einer geeigneten Wärmebehandlung auf die Eigenschaften einer intermetallischen -TiAl-Legierung ergeben. Sowohl die Zugfestigkeit als auch die Ermüdungsbeständigkeit steigen bei Raumtemperatur deutlich. Die bei TiAl-Legierungen typische Versprödung nach einer Exposition bei hohen Temperaturen kann bei der geprüften TNM-Legierung vollständig vermieden werden. Auch bei hohen Temperaturen steigt die Ermüdungsbeständigkeit.

Die Förderung durch das StMWK hat den Forschungsschwerpunkt Leichtbau in die Lage versetzt, weitere erfolgreiche Projektanträge zu stellen. Hierzu zählt insbesondere ein Antrag zur Beschaffung und dem wissenschaftlichen Betrieb einer Anlage zur Fertigung innovativer Leichtbauplattenstrukturen. Die Anlage auf Basis des sogenannten L-PBF-Verfahrens (Laser-Powder Bed Fusion) ermöglicht die Fertigung besonders dünnwandiger Strukturen aus dem Pulverbett und soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 in Betrieb genommen werden.

Kooperationspartner Promotionsprojekt 1

Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut (LLK)

Das LLK stellt im Rahmen des Promotionsprojekts 1 (PP1) mehrfach gekrümmte Sandwichelemente mit integrierten Deckschichten und Kern aus zellularem Verbundwerkstoff (ZVW) her und charakterisiert diese Sandwichelemente durch mechanische Versuche. Anhand der Versuche werden mechanische Ersatzmodelle für den eingesetzten ZVW sowie der gesamten Sandwichelemente entwickelt.

Dennert Poraver GmbH

Die Firma Dennert Poraver liefert das Glasschaumgranulat für die Herstellung des Sandwichkerns. Der Wissensaustausch über Bindemittel für das Glasschaumgranulat zur Herstellung der Infiltrationskerne von mehrfach gekrümmten Sandwichplatten ist ebenso von großer Bedeutung.

LANXESS Deutschland

Lanxess Deutschland GmbH ist ein führender Spezialchemie-Konzern, der die Ausgangsmaterialien für die Herstellung der Gusspolyamidmatrix zur Verfügung stellt.

Porcher Industries

Porcher-Industries stellt Gewebemuster mit vorhandenen Haftvermittlern zur Analyse der Anbindungsfestigkeit zwischen Glas und Polyamid zur Verfügung.

Paris-Lodron Universität Salzburg

Die Universität Salzburg betreut das Promotionsprojekt TP1 in Person von Fr. Prof. Dr. Nicola Hüsing wissenschaftlich und stellt analytische Charakterisierungmethoden (z. B. Transmissions- oder Rasterelektronenmikroskopie) zur Verfügung.

Kooperationspartner Promotionsprojekt 2

Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut (LLK)

Im Rahmen des Promotionsprojekts 2 (PP2) werden am LLK umgeformte Magnesium-Blechstrukturen hergestellt. Diese Strukturen sowie representative Probengeometrien werden mit Betriebsfestigkeitsversuchen getestet. Auch wird das zugrundeliegende Werkstoffverhalten, besonders die plastische Verformung, mit werkstoffanalytischen Methoden (z.B. Rasterelektronenmikroskopie, EBSD) analysiert. Die gewonnenen Informationen dienen der Evaluierung sowie Weiterentwicklung einer neuen am LLK entwickelten Betriebsfestigkeits-Analysemethode (method of highly strained volume).

Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg

Herr Prof. Prahl von der TU Bergakademie Freiberg betreut das Teilprojekt PP2 wissenschaftlich im Rahmen eines kooperativen Promotionsverfahrens und stellt die gießgewalzten Magnesiumbleche her.

HBM Prenscia

HBM Prenscia ist der Hersteller der Software nCode designlife, die zur Lebensdauerberechnung von Strukturbauteilen verwendet wird. Während der Laufzeit des Forschungsprojekts werden kostenlose Softwarelizenzen von nCode designlife zur Verfügung gestellt. Die Software nCode designlife bietet offene Schnittstellten zur Programmierung eigener Routinen mithilfe von python-Skripten.

Otto Spanner GmbH

Die Firma Otto Spanner bietet an, dass Mg-Bleche mit den vorhandenen Serienwerkzeugen umgeformt werden können. Bei der Entwicklung und Fertigung von neuen Warmumformwerkzeugen ist eine Unterstützung durch die vorhandene Konstruktion und dem Werkzeugbau gegeben. Probenrohlinge für den Warmumformprozess können mit einer CNC-Zuschneidemaschine und Abkantmaschine angefertigt werden.

Paris-Lodron Universität Salzburg

Für die Teilprojekte PP2 sind Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Untersuchungen zur Bestimmung von beispielsweise Ausscheidungen, Randschichtaufbauten, Zwillingen, Stapelfehlern, Versetzungen oder Mikrorissen durchführbar.

Kooperationspartner Promotionsprojekt 3

Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut (LLK)

Die Fertigung und Prüfung laserauftraggeschweißter TiAl-Basislegierungen ist das Kernthema des Promotionsprojekts 3 (PP3). Die laserauftraggeschweißten Proben werden hinsichtlicher ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Hochtemperatureigenschaften.

Paris-Lodron Universität Salzburg

Für die Teilprojekte PP3 sind Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Untersuchungen zur Bestimmung von beispielsweise Ausscheidungen, Randschichtaufbauten, Versetzungen oder Mikrorissen möglich.

MAN Truck & Bus

Die Firma MAN Truck & Bus hat ein großes Interesse an Turbolader Turbinenlaufrädern aus TiAl und beteiligt sich in diesem Teilprojekt mit Ihren Kompetenzen.

Daten & Fakten

ProjektnameLeichtbau
TechnologiefeldBetriebsfestigkeit, zyklische Festigkeit, mechanische Eigenschaften, zellulare Verbundwerkstoffe, mehrfach gekrümmte Sandwichelemente, T-RTM-Herstellung, Leichtbauwerkstoffe, Magnesiumknetlegierungen, Hochtemperaturwerkstoffe, Additives Laserauftragsschweißen, numerische Simulation
Projektlaufzeit3 Jahre (08.2018 bis 07.2021)
FördersummeGesamt: 649.825 €
PP1:      196.482 €
PP2:      216.383 €
PP3:      236.960 €
FörderprogrammProgramm zur Förderung der angewandten Forschung und Entwicklung an Hochschulen für angewandte Wissenschaft - Fachhochschulen
ProjektträgerBayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst
Wissenschaftliche Mitarbeiter(innen)M.Eng. Alexander Fischer, M.Eng. Anton Nischler, M.Eng. Christoph Stangl
GesamtprojektleitungProf. Dr.-Ing. Otto Huber
Forschende ProfessorenProf. Dr.-Ing. Hubert Klaus, Prof. Dr.-Ing. Walter Fischer, Prof. Dr.-Ing. Otto Huber, Prof. Dr.-Ing. Holger Saage