Projektinhalte des Fortschrittkollegs LEM

P1.1 Graphen-Nano-Komposite für den Leichtbau

Graphen ist das zweidimensionale Allotrop des Kohlenstoffs und kann als Monolage  der hexagonalen Kristallstruktur von Graphit angesehen werden. Für den Nachweis und die Charakterisierung von Graphen wurde 2010 der Nobelpreis verliehen. Graphen verfügt über eine geringe Dichte (2260 kg∙m-3) bei gleichzeitig über hervorragenden Eigenschaften. So wurden Eigenschaften wie z.B. eine Leitfähigkeit von 0,96∙106 Ω-1∙m-1, ein E-Modul von 1,02 TPa und eine Transparenz von 97 % ermittelt. Trotz dieser hervorragenden Eigenschaften, und der geringen Dichte eignet sich Graphen hervorragend für Komposite im Leichtbau. Aufgrund der außerordentlichen Eigenschaften und der geringen Dichte, verfügt Graphen über das Potential für zukünftige leichte Hochleistungskomposite. Um eine Integration in andere Materialien zu gewährleisten, muss Graphen zunächst chemisch funktionalisiert werden. Im Rahmen des Projektes wird zunächst die Funktionalisierung und Organisation auf nanopartikulärer Ebene realisiert. Zudem wird die Herstellung, Funktionalisierung und Organisation der Graphen-Nanopartikel durch moderne Analysemethoden wie AFM, REM und TEM aufgeklärt werden. Im Anschluss, werden die funktionalisierten Graphen-Nanopartikel in ein Polymer eingebaut und die Eigenschaften des neuartigen Komposites charakterisiert

Projektleiter: Prof. Dr. Bremser

P1.2 Interface engineering and analysis of materials for advanced composite properties

The performance of composite materials relies on the stability of the interfaces formed between the nano-fillers and the matrix material. Moreover, composite materials are becoming increasingly important in complex structural components utilized in the automotive and aerospace industries. The interface design plays a major role for the correlated composite materials performance. The stability and corrosion resistance of composite materials, as well as the elementary processes leading to component failure shall be investigated in the frame of this thesis. Advanced spectrosopic, microscopic and electrochemical methods will be utilized for interface and nanostructure analysis. Mainly the interface chemistry and corrosion processes of molecularly modified and nanostructured advanced materials will be in the focus of this project.  

Projektleiter: Prof. Dr. Grundmeier

P1.3 Charakterisierung von Grenzflächen und Grenzflächenschichten in Hybridmaterialien mittels Transmissionselektronenmikroskopie an FIB-präparierten Proben

Die Materialeigenschaften von Hybridmaterialien werden weitgehend bestimmt von den physiko-chemischen und morphologischen Eigenschaften der Grenzflächen zwischen den beteiligten Phasen. Analytische Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ermöglicht es, solche Grenzflächen mit atomarer Auflösung zu charakterisieren, vorausgesetzt dass es gelingt, die Proben an der richtigen Stelle und in geeigneter Geometrie bis zur Elektronentransparenz zu dünnen. Solch eine Dünnungsprozedur ist notorisch schwierig in Hybridmaterialien, da die Materialien auf beiden Seiten der Grenzfläche stark unterschiediche physikalische und chemische Eigenschaften haben. Dies macht ein gleichmäßiges Dünnen kompliziert, insbesondere da die atomare Struktur und chemische Zusammensetzung auf beiden Seiten der Grenzläche im verbleibenden Material unverändert bleiben muss. Neue FIB (focused ion beam) Techniken könnten diese schwierige Aufgabe lösen und sollen daher in diesem Projekt untersucht werden. Ziel ist es, ein Spektrum an TEM-Präparationstechniken für Hybridmaterialien und Fasern zu entwickeln, das die Möglichkeiten neuer FIB-Maschinen mit reduzierten Ionenmassen ausnutzt. In Kombination mit den deutlich verbesserten analytischen Möglichkeiten fortschrittlicher Niederspannungs-TEMs wird dies zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Hybridmaterialien beitragen.

Projektleiter: Prof. Dr. Lindner

P1.4 Heat treatment of high strength steels for the production of hybrid metal structures with tapered properties and its microstructural characterization

Die Anwendung hochfester Werkstoffe in der Automobilindustrie ist ein Haupttrend für die Abnahme des Karosseriegewichts bei gleichzeitiger Zunahme der Energieeffizienz und Gewährleistung eines hohen Niveaus der Haltbarkeit von Bauteilen. Die Produktion von hochfesten Elementen soll auch wirtschaftlich sein z. B. hinsichtlich der Herstellungskosten. Heutzutage sind die presshärtenden Stähle weitverbreitet für die Erzeugung crashrelevanter Bauteile der Karosserie. Diese Stahlgruppe erfüllt die Anforderungen an die Festigkeitseigenschaften der hochfesten Werkstoffe. Jedoch wird die weitere Anwendung dieser Stähle aufgrund des niedrigen Niveaus der Materialduktilität und ‑zähigkeit im gehärteten martensitischen Zustand begrenzt. Das Gefüge des Martensits beschränkt stark das Formgebungsvermögen des Werkstoffes und die Energieaufnahme bei einer schlagartigen Belastung. Aus diesem Grund ist die Auslegung einer integrierten Wärmebehandlungs- und Warmumformungstechnologie notwendig, die eine Einstellung von gradierten hybriden Mikrostrukturen im Endprodukt ermöglicht. Der presshärtende Stahl mit einem solchen Gefüge soll sowohl ein erhöhtes Niveau der Duktilität als auch höhere Festigkeitseigenschaften aufweisen.

Projektleiter: Prof. Dr. Schaper

P1.5 Materialentwicklung von Kunststoffen für strangbasierte 3D-Druckverfahren

Strangbasierte 3D-Druckverfahren gehören zu den meist verwendeten additive Fertigungstechniken. Im Prinzip sollte nahezu jeder Thermoplast für diesen Fertigungsprozess geeignet sein, jedoch sind auf dem freien Markt nur sehr wenige Materialien erhältlich. In dieser Arbeit sollen die Anforderungen für Material und Prozess analysiert und untersucht werden. Es sollen kundenspezifische Monofilamente compoundiert werden, die für strangbasierte 3D-Druckverfahren eingesetzt werden können. Ziel ist es ein methodisches Vorgehen zur Materialentwicklung für den genannten Prozess zu entwickeln.

Projektleiter: Prof. Dr. Schöppner

P2.1 Strategische Planung innovativer Leichtbaukonzepte und Steigerung der Wiederverwendungsanteile in Leichtbaukonzepten

Projektleiterin: Prof. Dr. Gräßler

P2.2 Stochastische Finite Element Methode für hybride Systeme

In vielen FE-Anwendungen herrscht häufig Unsicherheit bezüglich der Materialparameter des Simulationsmodells. Hieraus ergibt sich eine Unsicherheit in der Systemantwort und somit in der numerischen Simulation. Die stochastische Methode bietet eine Möglichkeit zur Quantifizierung dieser Unsicherheit. Hierbei beschreiben stochastische Felder die unsicheren Systemparameter. Dies bedeutet, dass die Lösung für ein mechanisches Randwertproblem mit der Stochastischen-Finite-Element-Methode (SFEM) erfolgt. Bei hybriden Strukturen handelt es sich um einen Verbund von z. B. Metallen und Prepregs (preimpregnated fibres). Für Metalle ist die Anzahl der Einflussgrößen für Unsicherheiten in Folge der Herstellung überschaubar. Bei den Prepregs gibt es hingegen mehrere Einflussgrößen, die einer Verteilung unterliegen. Die Wichtigsten sind die Aushärtung der Matrix, die Ausrichtung der Fasern und die Volumenanteile der Fasern. Bei der Kombination zu einem Hybridbauteil haben dann weitere Faktoren, wie z.B. die Verbindung der einzelnen Komponenten oder auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Einfluss. Die finalen Eigenschaften des Verbundes können aufgrund der Fülle von Randparametern daher nur schwer durch experimentelle Daten sicher bestimmt werden. Daher ist das wesentliche Ziel, die statistische Verteilung der Materialparameter zu bestimmen und in der FE-Simulation zu berücksichtigen.

Projektleiter: Prof. Dr. Mahnken

P2.3 Identifikation und Konzeptionierung potentieller Hybridstrukturen für Leichtbau-Konstruktionen unter Berücksichtigung von Life Cycle Assessments

Als Weiterentwicklung des Multimaterial-Designs zeigt die Hybridbauweise neue Leichtbaupotentiale im Automobil auf. Gerade im Strukturbereich werden vermehrt Bauteile im Materialverbund aus Metall und FVK eingesetzt. Zur vollständigen Ausschöpfung des Potentials ist ein effizienter Einsatz verschiedener Werkstoffe gemäß ihrer spezifischen Eigenschaften und den anliegenden Beanspruchungen unerlässlich. Faserverbundwerkstoffe mit Endlosfasern eignen sich beispielsweise hervorragend um unidirektionale Spannungen zu übertragen, weisen jedoch unter mehrachsiger Belastung deutliche Nachteile gegenüber einem isotropen Werkstoff auf. Entsprechend muss der Konzeptionierung von Hybridbauteilen zunächst eine Identifikation potentieller Bauteile anhand der auftretenden Beanspruchungen durchgeführt werden. Weiterhin gilt für die Auslegung des Bauteils der Leichtbau-Grundgedanke "der richtige Werkstoff am richtigen Ort". Zur Wahl des am besten geeigneten Werkstoffes gehört allerdings auch eine Betrachtung sekundärer Materialeigenschaften. Dies beinhaltet sowohl ökonomische als auch ökologische Aspekte. "Life Cycle Assessment" bezeichnet die systematische Analyse eines Bauteils unter Beurteilung der Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus. Diese sogenannte Ökobilanz soll genutzt werden, um die Identifikation zukunftsorientierter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zu ermöglichen.

Projektleiter: Prof. Dr. Tröster

P3.1 Reibdrücken von hybriden Werkstoffen

Die Anwendung von neuen Umformtechniken, wie z.B. das innovative Verfahren des Reib-Drückens, ermöglicht im Bereich des Leichtbaus vielversprechende Ansätze für die Herstellung von Leichtbau-Hybrid-Komponenten aus verschiedenen Materialien bzw. Halbzeugen. Hierbei sollen die Untersuchungen sich auf Kombinationsmöglichkeiten von unterschiedlichen Materialien konzentrieren, die derzeit nicht bzw. nur sehr schwer zu hybriden Bauteilen umgeformt werden können. Das Reib Drücken bietet durch seinen thermo-mechanischen Ansatz die Vorteile einer Warmumformung. Diese Prozesscharakteristiken sollen das Fügen von verschiedensten Materialien, ähnlich wie beim Reibschweißen, ermöglichen. Ein wesentlicher Schwerpunkt soll hierbei die Herstellung von rotationssymmetrischen hybriden Hohlstrukturen sein, die durch dieses neue Verfahren umformtechnisch erst realisierbar werden.

Projektleiter: Prof. Dr. Homberg

P3.2 Joining technologies for multi-material constructions

Produktive und werkstoffgerechte Fügetechnologien sind der Schlüssel für innovative Mischbauweisen, die die Basis für den Leichtbau bilden und somit entscheidend zur Energie- und Emissionseinsparung beitragen. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren zur effizienten Umsetzung und Optimierung von Fügeverfahren für ressourceneffiziente Hochleistungsverbundsysteme. Hierfür sind sowohl effiziente Methoden zur praxisgerechten Auslegung der Fügestellen unter verschiedenen Belastungsarten als auch der Fügetechnologien durch Erweiterung bzw. Modifikation vorhandener Prozesstechnik zu entwickeln. Es sollen elementare und hybride Fügeverfahren in Mischbauweise untersucht werden. Vor dem Hintergrund der werkstofflichen Inkompatibilität verschiedener Werkstoffklassen werden wärmearme Fügeverfahren, wie Mechanisches Fügen und Kleben sowie Sonderverfahren der Thermischen Fügetechnik, mit dem Fokus auf die Verbindungsbildung und das Eigenschaftsprofil der Fügestellen, untersucht.

Projektleiter: Prof. Dr. Meschut

P3.3 Entwicklung hybrider Leichtbaustrukturen durch lokale Verstärkung von blasgeformten Hohlraumgeometrien

Mit dem bei der KTP entwickelten Spritzgießsonderverfahren GITBlow lassen sich mittels Gasinjektionstechnik hergestellte Preforms direkt im Werkzeug weiter aufblasen. So entstehen komplexe Hohlräume mit niedriger Wanddicke. Über eine automatisierte Einlegetechnik können Verstärkungsstrukturen, z.B. umgeformte Organobleche, während des Fertigungsprozesses in das Werkzeug eingelegt werden. Beim Aufblasen des GITBlow-Bauteils werden die beiden Elemente durch einen großen erzeugten Hinterschnitt mechanisch miteinander verbunden und ergeben so eine verstärkte Hohlraumstruktur mit sehr guten Leichtbaukennwerten. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt in der Untersuchung der Verbundfestigkeit und der resultierenden Bauteilfestigkeit. Diese sind abhängig vom Aufblasverhalten des Preforms, sowie den Haftmechanismen, die durch gezielte Prozessführung oder Zusatzstoffe eingestellt werden müssen. Es muss zudem ein Prozessmodell entwickelt werden, mit dem für die gewählte Materialkombination notwendigen Einstellparameter ermittelt werden können, um eine reproduzierbare Bauteilfertigung zu gewährleisten.

Projektleiter: Prof. Dr. Moritzer

P3.4 Optimierung der Festigkeit lasergesinterter Bauteile durch Analyse und Anpassung der thermischen Prozessführung

 

Beim Polymer-Lasersintern, einem der wichtigsten additiven Fertigungsverfahren für Kunststoffe, ist die Prozessqualität und Reproduzierbarkeit eine der größten Herausforderungen auf dem Weg von einem Prototyping- zu einem ausgereiften Fertigungsverfahren. Insbesondere inhomogene Temperaturverläufe und -historien wurden als maßgebliche Einflussfaktoren auf die Bauteilqualität identifiziert. Das Ziel dieses Projektes ist die Analyse ortsaufgelöster Temperaturhistorien und deren Korrelation mit Bauteileigenschaften auf der einen Seite, sowie und die Optimierung der thermischen Prozessführung auf der anderen Seite. Dadurch werden höhere und homogenere Bauteileigenschaften, z.B. die Festigkeit oder Formgenauigkeit, erreicht.

Projektleiter: Prof. Dr. Schmid

P4.1 Technikphilosophie, Soziologie und Genderaspekte neuer Entwicklungen im Leichtbau

Über Forschungsarbeiten an der Schnittstelle von Sozialwissenschaften, Genderforschung und Natur- und Technikwissenschaften wird gesellschaftliche Relevanz und die Relevanz der Kategorie Geschlecht in der Technikgenese und ihrer Anwendung erforscht. Das Forschung- und Qualifizierungsprogramm des Kollegs nimmt technikphilosophische, gesellschafts- und geschlechterbezogene Fragestellungen entlang dreier, miteinander verwobener Dimensionen auf: Erstens haben Technikanwendungen immer auch gesellschaftliche und geschlechterbezogene Auswirkungen. Zweitens fließen bereits im Entwicklungs- und Entstehungsprozess von Leichtbaumaßnahmen stets Vorstellungen von ihren Anwendungen und auch Vorstellungen von Geschlecht mit ein, die die Entwicklungsprozesse entscheidend prägen. Dies unter anderem über die Ideen von der zukünftigen Nutzer_innen. Drittens werden die zukünftigen Nutzungen und die kulturellen Konstruktionen von Geschlecht im Entwicklungsprozess immer wieder neu verhandelt.

Damit ergeben sich zum Beispiel folgende Forschungsfragen, denen im Kolleg nachgegangen wird:

Welche Vorstellungen von den gesellschaftlichen Bedürfnissen der Techniknutzung und welche Vorstellung von „Zukunft“ (zum Beispiel zukünftige Mobilitätsanforderungen und -bedürfnisse oder Anforderungen an klimaschonendes Handeln) fließen in die Entwicklung mit ein? Inwiefern sind diese Vorstellungen mit Geschlecht verwoben? Welche Vorannahmen über Geschlecht gehen wie selbstverständlich in die Konstruktion, die Produktion, die Gestaltung und die Anwendung von Technik ein? Wie genau geschieht dies im Entwicklungsprozess, der immer auch ein sozialer Prozess ist und in Auseinandersetzung mit konkreten gesellschaftlichen Anforderungen geschieht? Konkreter: An welchen Lebens- und Arbeitskontexten ist die Vorstellung zum Beispiel von umweltfreundlicher Mobilität ausgerichtet und welche Bilder der zukünftigen Nutzer_innen gehen damit einher? In welchem Ausmaß geben zum Beispiel Ingenieur_innen in technischen Produkten versteckte Nutzungsanweisungen mit auf den Weg, an welchen Arbeits- und Lebenskontexten sind diese orientiert? Oder anders und mit Blick auf die Anwendung formuliert: Wer soll und zu welchem Zwecke die Leichtbautechnik nutzen und wie ist diese Vorstellung geschlechtlich strukturiert? Wie beeinflusst dies wiederum die Technikentwicklung? In welchen gesellschaftlichen Feldern (wie Mobiltät, Gesundheit, Klima) soll die Technik, wie und von wem angewandt werden? Wie berührt und verändert die Technikanwendung die Geschlechterverhältnisse und -konstruktionen im jeweiligen gesellschaftlichen Feld? Aber auch: Welche neuen Möglichkeiten in den Bereichen der Technikgenese, der Technikentwicklung und der -anwendung zeigen sich für eine Gleichstellung der Geschlechter?

Projektleiterin: Prof. Dr. Riegraf

Imprint | Webmaster | Recent changes: 10.02.2016