Projekt IMVAL (abgeschlossen 04.2007)

Projektinhalte und -ergebnisse

Ziel des Verbundprojekts war die Entwicklung, Herstellung, Analyse und Charakterisierung sowie die Anwendung eines neuen Leichtbau-Verbundwerkstoffs. Der Verbundwerkstoff besteht aus geometrisch gut bestimmten kleinen und spezifisch sehr leichten Mineralschaumkugeln (Insertkörper), die in eine makroskopisch geometrisch bestimmte Form gebracht werden und über einen Gießprozess mit einem flüssigen Kunsttstoff oder Metall (Matrix) infiltriert werden. Die dadurch erreichte Schaffung vieler Grenzflächen und Hohlräume und die Möglichkeit, Krafteinleitungs- und Befestigungselemente zu integrieren, führt zu deutlich reduziertem Gewicht bei gleichzeitig definiert einstellbaren Verformungseigenschaften. Durch das niedrige spezifische Gewicht, dem gleichmäßigen und gut reproduzierbaren Schaumaufbau, den guten Formgebungsmöglichkeiten und das günstige Energieabsorptionsvermögen bietet dieser zellulare Verbundwerkstoff besondere Vorteile für den Leichtbau beispielsweise in der Fahrzeugtechnik. Insbesondere für Sandwichkonstruktionen kann der Verbundwerkstoff als Kernmaterial eingesetzt werden und liefern dadurch gute Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften.

Das günstige Energieabsorptionsvermögen von geschlossenporigen Schäumen verspricht darüber hinaus funktionell stark modulierbare Lösungen für Crashprobleme (z.B. energieabsorbierende Strukturbauteile für den Kopfaufprall auf die Motorhaube, Defo-Elemente im Schrägcrash oder Leichtbau-Versteifungselemente für den Seitencrash). Ein weiterer Vorteil besteht in den relativ niedrigen Werkstoffkosten, die aus der Verwendung von Recyclingprodukten (z.B. Flaschenglas oder Filterstaub von Kraftwerken) für die Insertkörper resultieren.

Innerhalb des Forschungsprojekts wurden die Mineralschaumgranulate optimiert und Herstellungstechnologien für den Verbundwerkstoff erarbeitet. Um das breite Anwendungsspektrum innerhalb des Leichtbaus zu erschließen, sind geeignete Werkstoffmodelle mit experimentell ermittelten Werkstoffparametern für die Computersimulation des Werkstoff- und Bauteilverhaltens bzgl. Verformungen und inneren Beanspruchungen mittels der Finite Elemente Methode (FEM) aufgestellt worden. Die Kenntnis der Materialeigenschaften inklusive des Schädigungsverhaltens, sowie die Verfügbarkeit von geeigneten Stoffgesetzen für FEM-Anwendungen im viscoelastischen und elastoplastischen Bereich sowie bei hohen Dehnraten wie sie bei Crashanwendungen auftreten, soll den Einsatz des neuen Verbundwerkstoffs in der Fahrzeugindustrie als auch in weiteren Branchen, in denen die Leichtbautechnologien eine tragende Rolle spielen, ermöglichen.
Darüber hinaus wurden Konstruktionsrichtlinien für das werkstoff-, fertigungs- und prüfgerechte Konstruieren mit diesem Leichtbauwerkstoff erstellt. Diese wurden anhand konkreter Konstruktionsaufgaben aus dem Bereich von dünnwandigen Rahmen- und Schalenkonstruktionen erarbeitet.
Die Werkstoffparametrisierung ist mittels Mikrocomputertomographie (µCT) und 3d-Bildverarbeitung vorgenommen worden, um die gezielte Einstellung der Werkstoffparameter in Proben und im Bauteil zu überprüfen und somit eine Qualitässicherung für die Bauteilherstellung zu eröffnen.
Es wurde der Entwicklungsprozess und die Fertigung von Formteilen aufgebaut, um die gesamte Prozesskette von der Werkstoffherstellung bis hin zum fertigen Produkt abzudecken sowie die wirtschaftliche Herstellbarkeit für eine Serienfertigung nachzuweisen. Endziel dieses Forschungsvorhabens war die Fertigung des Prototypen eines Leichtbau-Formteils das unter der gesamthaften Nutzung der beschriebenen Technologien entwickelt, hergestellt, bearbeitet und unter Betriebsbedingungen getestet werden soll.