Arbeitsschwerpunkt: Leichtbau

Die zunehmende Verknappung und Verteuerung natürlicher Ressourcen erhöht in sämtlichen Bereichen den Zwang zur Entwicklung gewichtsoptimierter Bauteile und macht die Entwicklung ressourceneffizienter Fortbewegungsmittel unabdingbar. Insbesondere im Fahrzeugbau und der Luftfahrtindustrie spielt der Leichtbau eine zentrale Rolle, da die Fahrzeugmasse sowohl bei gegenwärtigen als auch bei zukünftigen Antriebskonzepten einen entscheidenden Einfluss auf den Verbrauch hat. Zur Erreichung dieses Ziels kann die Entwicklung von angepassten Hochleistungswerkstoffen einen entscheidenden Beitrag leisten. Weiterhin kann durch den Einsatz lastfallgerecht gewählter Materialien das Leichtbaupotential in optimaler Weise ausgenutzt werden. Die geplanten Aktivitäten im Leichtbau lassen sich daher stofflich in metallische und nichtmetallische, polymerbasierte Ausrichtungen unterteilen. Eine weitere Dimension der Vorhaben erschließt sich über physikalisch basierte Strukturoptimierungsstrategien. Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (hauptsächlich Glas-, Kohlenstoff- und Naturfasern) kann eine deutliche Reduktion des Strukturgewichts gegenüber vergleichbaren Metallbauteilen erreicht werden. Als Matrix können sowohl Duromere als auch Thermoplaste eingesetzt werden. Im Fokus der Entwicklungen steht außerdem die Kombination unterschiedlichster Materialien (Multimaterialbauweise), die den Entwicklungsingenieur mit neuen Herausforderungen im Bereich der Entwicklung neuartiger Textilstrukturen hinsichtlich Design, Konstruktion, Herstellungsprozess, Verbindungstechniken und physikalischer Eigenschaften wie z.B. der Wärmeleitfähigkeit konfrontiert. Neben der intrinsischen Materialoptimierung ist auch eine extrinsische Veredelung in Form von Beschichtungen zur z.B. Reibungsverminderung (Verschleißreduktion), Vermeidung von Anhaftungen, angenehmerer Haptik, etc. möglich. Am IKW am Campus Pirmasens soll sich zukünftig im Rahmen dieses Forschungsschwerpunktes mit Naturfasern als Verstärkung in Verbundwerkstoffen beschäftigt werden. Naturfasern gewinnen zunehmend an Bedeutung bei der Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe, insbesondere im Bereich der Automobilindustrie. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Durchsatz an Naturfasern bis zum Jahre 2020 auf 350.000 t/a vervierfacht. Die wesentlichen Vorteile von Naturfasern (NF) gegenüber synthetischen Verstärkungsfasern ergeben sich durch die sehr geringe Dichte von etwa 1,4-1,5 g/cm³ im Vergleich zu Standard-EGlasfasern mit einer Dichte von 2,5 - 2,6 g/cm³ und damit herausragenden Leichtbaueigenschaften. Neben den sehr guten technischen Eigenschaften bieten NF auch aus ökologischer Sicht große Verbesserungspotenziale, da sie während ihres natürlichen Wachstums der Erdatmosphäre Kohlenstoffdioxid entziehen. Parallel zum kunststofftechnischen Ansatz wird sich am Standort Kaiserslautern mit der Erforschung, Entwicklung und Optimierung von metallischen Werkstoffen befasst. Dabei sind neben dem Werkstoff und Werkstoffzustand eine Reihe anderer Einflüsse zu berücksichtigen. Das gilt insbesondere für häufig zyklisch beanspruchte Bauteile. Fertigungsprozess-Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen liefern das notwendige Verständnis für das Werkstoff- und Bauteilverhalten sowie die Fähigkeit gezielter Bauteilentwicklung. Ermüdungsbeanspruchte Leichtbauteile werden deshalb heute unter Berücksichtigung von Einflussparametern der Beanspruchung, der Bauteilgeometrie, der Fertigungszustände, des Werkstoffs und Werkstoffzustandes sowie der Herstellkosten optimiert. Beispielsweise lässt sich durch geeignet erzeugte Oberflächeneigenspannungen bzw. Eigenspannungssysteme das Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe erheblich verbessern.
Fertigungsbedingte Eigenspannungen und die Erforschung Ihrer Auswirkungen auf die Bauteilermüdung haben zu vielen nachweisbaren Erfolgen geführt. Heute gilt als gesichert, dass die Auswirkungen fertigungsbedingter Oberflächen auf das Schwingverhalten nur über die Erfassung der Oberflächentopographie sowie der oberflächennahen Eigenspannungen sowie der randnahen Verfestigungszustände möglich ist. Bei der positiven Wirkung von Druckeigenspannungen hat die Einwirktiefe ausreichend hoher Druckeigenspannungen besondere Bedeutung. Durch spezielle Fertigungsprozesse können unterschiedlich tiefe Druckeigenspannungen in der Bauteilrandzone ausgebildet werden. Erst ausreichend tiefreichende, dem Lastspannungszustand angepasste Druckeigenspannungstiefenverläufe bewirken bis um mehrere 100 % gesteigerte Schwingfestigkeiten.
Da Bauteile der Technik Kerben bzw. Querschnittsänderungen aufweisen und Kerben das Ermüdungsverhalten negativ beeinflussen, kommt der Ausnutzung von Eigenspannungen für die Optimierung der Bauteilschwingfestigkeit eine besondere Bedeutung zu. Gezielt eingestellte Eigenspannungszustände können bei geeignetem Werkstoffzustand Kerbwirkungen sogar ganz aufheben. Kleinere Bauteilabmessungen und leichtere Bauteile sind so möglich. Die Verwirklichung von Leichtbaukonzepten führt neben den angestrebten positiven Aspekten hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit sehr oft zu schwingungsanfälligen Bauteilen oder Konstruktionen und damit zu unerwünschten Vibrationen, Lärmentwicklung und der Gefahr von Ermüdungsbrüchen auch ausgehend von Kerben. Dabei sind Strukturschwingungen und Akustik eng miteinander gekoppelt. Zum einen können durch den Schalldruck externer oder interner Schallquellen lärminduzierte Strukturschwingungen angeregt werden, sodass Vibrationen und Schäden im Bauteil entstehen. Zum andern kann eine schwingende Struktur als Schallquelle ähnlich wie ein Lautsprecher wirken und damit unerwünschten Lärm in die Umgebung abstrahlen.
Ein Arbeitsschwerpunkt im Bereich Leichtbau und ein Entwicklungsziel von Leichtbaustrukturen sollte daher auch die Bauteiloptimierung hinsichtlich Lebensdauer, sowie modalem und akustischem Verhalten darstellen. Dabei muss zunächst immer die Wirkkette zwischen Strukturschwingungen und Akustik analysiert werden. Als Lösungen können passive Maßnahmen in Form konstruktiver Änderungen oder aktiven Konzepten (aktive Schwingungs- und Lärmbekämpfung durch adaptive Strukturen oder Smart Structures) eingesetzt werden. Verfahren der Strukturauslegung und -optimierung, wie beispielsweise genetische und bionische Verfahren, sowie eigenentwickelte Algorithmen zur Versagensvorhersage sollen in Finite-Elemente- und analytischen Berechnungen eingesetzt werden. Mittels dieser Methoden wird die komplexe Interaktion von strukturellen und akustischen Optimierungsrandbedingungen erfasst und eine hinsichtlich aller Anforderungen optimale Struktur entworfen. Hochauflösende 3D-optische Messverfahren dienen zur Validierung der quasistatischen und vibratorischen strukturellen Anforderungen, akustische Messmethoden wie beispielsweise ein reflexionsarmer Raum und Schallmessanlagen dienen zur Validierung der akustischen Anforderungen. Die genannten Arbeiten und Berechnungsmethoden können auf alle im Arbeitsschwerpunkt Leichtbau eingesetzten Werkstoffe angewandt werden.