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Optimierungsbasierte Entwicklung von Hybridwerkstoffen: Forschungsprojekt an der Universität Paderborn abgeschlossen

Der Einsatz von Leichtbaumaterialien, zum Beispiel in der Automobilindustrie, bietet zahlreiche Vorteile – vor allem in wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht. Sogenannte Hybridwerkstoffe eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften besonders gut für unterschiedliche Anwendungen. Hier setzt das 2019 an der Universität Paderborn gestartete Forschungsprojekt „HyOpt – Optimierungsbasierte Entwicklung von Hybridwerkstoffen“ an. Inzwischen wurde das Vorhaben, das mit rund zwei Millionen Euro vom Land NRW und der EU aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert wurde, erfolgreich beendet. Das Ergebnis: eine Toolbox, die dem Design neuer Werkstoffe dient.

 

Hybridwerkstoffe, in diesem Fall Verbindungen aus faserverstärkten Kunststoffen und metallenen Dünnblechen, ermöglichen eine Anpassung der Werkstoffeigenschaften in Dicken- und Flächenrichtung. Prof. Dr. Thomas Tröster, der an der Universität die Fachgruppe „Leichtbau im Automobil“ leitet, erklärt: „Eine Werkstoffentwicklung, der ein Top-Down-Ansatz zugrunde liegt, lässt die Erschließung neuer, bis dato ungenutzter Leichtbaupotentiale durch die beanspruchungsgerechte Kombination konventioneller Werkstoffe zu.“ Der Wissenschaftler nennt ein konkretes Beispiel: „In dem Forschungsvorhaben konnten wir auf Basis von rechnergestützten Methoden im Fall des hinteren Sitzquerträgers beim Auto zeigen, dass wir mit einem alternativen hybriden Werkstoffaufbau ein steifigkeitsäquivalentes Bauteil mit einer Gewichtsersparnis von 21 Prozent erzielen können.“ Damit geht gleichzeitig eine Ressourcenersparnis einher. Denn: Weniger Gewicht bedeutet weniger Energie, die zum Antrieb aufgewendet werden muss.

 

Die am Vorhaben beteiligten Wissenschaftler*innen haben eine App entwickelt, die Firmen und produzierenden Unternehmen alternative, maßgeschneiderte Werkstoffkonzepte auf Basis von Faser-Metall-Laminaten bietet. Die „HyOpt“-App besteht aus einer Softwarelösung, die die optimierungsbasierte Auslegung des Werkstoffaufbaus für den vorgegebenen Lastfall vornimmt sowie eine örtlich-lokale Adaption von Faserorientierungen vorsieht, sodass die umzuformenden Bauteile herstellbar werden. Letztlich wird damit auch die Weiterverarbeitung zu Leichtbaukomponenten ermöglicht. Die Entwicklung von CAE – also rechnergestützten – Methoden zur Herstellung beanspruchungs- und umformungsgerechter Hybridwerkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften war von Anfang an Ziel des Vorhabens.

 

„Mit der Entwicklung der HyOpt-App können wir Unternehmen eine einfache Möglichkeit für die Potentialanalyse und Auslegung von Leichtbaustrukturen bieten. Neben den am Projekt beteiligten Unternehmen konnten wir die App bereits in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen der Region einsetzen und ein gewichtsreduziertes Werkstoffkonzept für eine crashrelevante Struktur aufzeigen. Der Transfer des Wissens in die Wirtschaft ist ein genauso wichtiger Aspekt wie die eigentliche Forschung. Aus diesem Grund beraten und unterstützen wir interessierte Unternehmen bei der Entwicklung von Leichtbaukonzepten unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeit gerne“, ergänzt Tröster, der ebenfalls zum Vorstand des am Projekt beteiligten Instituts für Leichtbau mit Hybridsystemen, kurz ILH, gehört.

 

Mit dem zunehmenden Bewusstsein für Umwelt und Nachhaltigkeit in der Gesellschaft sind ökologische und gesellschaftliche Aspekte auch in den Mittelpunkt der Entwicklung von Multi-Materialansätzen gerückt. Deshalb wurden im sozialwissenschaftlichen Teil des Vorhabens unter der Leitung von Prof. Dr. Ilona Horwath Erkenntnisse zur Akzeptanz von konventionellen und neuartigen Werkstoffsystemen in verschiedenen gesellschaftlichen Gruppen erzielt: „Die Datenerhebung hat gezeigt, dass die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Hybridwerkstoffen grundsätzlich gut und ähnlich denen von konventionellen Werkstoffen eingeschätzt wird“, so Horwath. Mit Blick auf die Nachhaltigkeit und insbesondere der Recyclingfähigkeit der hybriden Verbunde wurden jedoch auch Bedenken geäußert, die es bei der weiteren Entwicklung zu berücksichtigen gilt.

 

Am Projekt beteiligte Partner waren neben der Universität Paderborn die Unternehmen D&S Holding GmbH aus Paderborn sowie EMS GmbH & Co. KG aus Borgentreich. Assoziierte Projektpartner sind thyssenkrupp Steel Europe AG, Duisburg, ERICHSEN GmbH & Co. KG, Hemer, Clean-Lasersysteme GmbH, Herzogenrath, und Kraiburg GmbH & Co. KG aus Waldkraiburg.

 

Weitere Informationen gibt es unter www.hyopt.de.

 

Kontakt

Thomas Tröster

Prof. Dr. Thomas Tröster

Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen (ILH)

Vorstandsvorsitzender

Zur Person

Die Universität der Informationsgesellschaft