23 Herausforderungen für den Leichtbau

Vor welchen praktischen Herausforderungen steht „der Leichtbau“ ? Welche konkreten Aufgaben stellen sich in den unterschiedlichen Branchen? Was muss entwickelt, erprobt und getestet werden? Können die Branchen untereinander und voneinander lernen?

Antworten könnte das EU-Projekt Rightweight liefern. In einer ersten Phase waren Unternehmen aufgefordert, ihre derzeitigen bisher noch ungelösten Aufgabenstellungen im Leichtbau zu beschreiben. Ab sofort können sich kleine und mittlere Unternehmen für diese Herausforderungen bewerben. Den besten Lösungsansätzen winken Förderbeiträge der EU bis TRL 7. Zu den Rightweight-Herausforderern gehören verschiedene OEMs und Tier-1-Lieferanten aus der Automobil- und Luftfahrtbranche, die alle auf der Suche nach Kooperationspartnern und Know-how sind.

Die 25 Aufgabenstellungen wurden auf einer virtuellen Präsentation der NMWP und des KIT am Dienstag präsentiert. Im Folgenden ein kurzer Überblick über 23 davon. Alle bisherigen Themen finden sich aktuell auf der Webseite des EU-Projekts. Ein Video der Präsentation steht bei youtube online.

Leichtbau-Projekte aus den Branchen Automobil, Luftfahrt und landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge

Über alle Herausforderungen hinweg lassen sich thematische Cluster bilden. Die Links führen direkt zu den ausführlichen Projektbeschreibungen. Hier findet sich in jeder „Challenge“ auch ein Button für die Kontaktaufnahme und zum Vorstellen einer Idee für diese Herausforderung.

Werkstoffe und Materialentwicklung

Herausforderung	Schlüsselbegriffe	Aufgabenstellung / Ziele	Kontakt
Automobiler Leichtbau mit Strukturbauteilen aus Biocomposites	Biobasierte Materialien, Langzeiteigenschaften, stabile und gesicherte Beschaffung, End-of-Life, Strukturbauteile	kostengünstige Biomaterialien für Strukturbauteile, Anteil am Bauteil >50%. Zuverlässige Lieferkette für die erneuerbaren Materialien. Mechanische Langzeiteigenschaften sollen denen anderer Bauteile gleichen. Zeithorizont 10 Jahre. Recyclingfähigkeit am Ende der Nutzungsdauer.	Herausforderung Nr. 7
Material- und Technologieentwicklung für kryogene Tanks	Permeabilität der Verbundwerkstoffe, linerlose Konstruktion, automatisierte Prozesse, Kryotanks	Vergleich der Fertigungstechnologien für die automatisierte Tankproduktion: Kompromiss zwischen Kosten, Leichtbau und Leistung. Entwicklung einer bahnbrechenden Technologie für kryogene Tankanwendungen / Lösung der Permeabilitätsproblematik von Verbundwerkstoffen mit dem Ziel einer linerlosen Konstruktion. Demonstration der Material- und Technologiereife an Prototypen in kleinem Maßstab.	Herausforderung Nr. 9
Landmaschinen: Leichte Führungsleiste mit Abrasionsschutz beispielsweise für Getreide	Metallersatz, Abrasionsschutz, Landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge	Viele landwirtschaftliche Maschinen haben einen großen (2,5 m x 1,5 m) Leitapparat , über den das Erntegut geführt wird. Dieser ist aus heute aus Stahl. Gesucht wird eine leichte Alternative. Eine besondere Anforderung an diese Platte ist die abrasive Belastung durch darüber gleitende Pflanzen.	Herausforderung Nr. 12
Nachhaltige Biocomposites für den Flugzeuginnenraum	Biobasierte Werkstoffe, Mechanische Eigenschaften, Brandschutzeigenschaften, Rauchbildung, Toxizität und Wärmefreisetzung (FSTHR-Properties)	Gesucht werden geeignete biobasierte Werkstoffe: Fasern und/oder Matrix und/oder Kern. Der geringere ökologische Fußabdruck soll basierend auf einer Lebenszyklusanalyse (LCA) nachgewiesen werden, die sich auf die Werkstoffherstellung, die Teileproduktion und die Wiederverwertbarkeit konzentriert. Die mechanische Leistungen sollen dem Status quo mindestens entsprechen. Feuer, Rauch, Toxizität, Wärmefreisetzung: Auch die Biomaterialien müssen die Anforderungen an die Innenausstattung der Kabine erfüllen.	Herausforderung Nr. 15
Leichte Hochleistungswerkstoffe für Flugzeugzelle und -fenster	Monolithische oder mehrschichtige thermoplastische Verbundwerkstoffe, Anforderungen an Flugzeugstrukur und Crash, Fenster mit elektromagnetischen Eigenschaften	Entwicklung leichter und hochleistungsfähiger Materialien und Strukturen, die die Flugzeugzelle verbessern. Das können zum Beispiel monolithische oder mehrschichtige thermoplastische Verbundwerkstoffe sein. Gesucht wird Fachwissen sowohl im Bereich der Verbundwerkstoffe als auch der metallischen 3D-Drucktechnologie.	Herausforderung Nr. 19

Simulation und Entwicklung

Herausforderung	Schlüsselbegriffe	Aufgabenstellung /  Ziele	Kontakt
Virtuelle Optimierung der Lagen bei Faserverbundwerkstoffen: Richtung und Dicke der Lagen in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung	Methoden der Optimierung, Faserausrichtung, landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge	Der Hersteller von Landmaschinen ist auf der Suche nach Know-how im Umgang mit Composites, da bisher nur Erfahrungen mit metallischen Werkstoffen vorhanden sind, aber zwecks Leichtbau vermehrt Verbundwerkstoffe eingesetzt werden sollen. Dabei sollen die Verbundwerkstoffplatten durch Faserorientierung und Lay-up-Design optimiert werden. Gewucht wird deshalb eine virtuelle Optimierungsmethodik, die das F&E-Team des Herstellers bei der Entwicklung und Konstruktion von Bauteilen aus Organosheets unterstützt. Ein konkreter Anwendungsfall ist eine notwendige Verbindung zwischen einem Metallstab und einer Verbundwerkstoffplatte.	Herausforderung Nr. 4
Topologieoptimierung zum strategischen Ausschneiden von Material aus Blechen	FEA, geformte Bleche, Methode zur Topologieoptimierung	In landwirtschaftlichen Fahrzeugen werden häufig geformte Bleche verwendet. In Simulationspaketen (FEA) werden sie meist als Schalenelemente dargestellt. Gesucht ist eine Topologie-basierte Schalenelement-Optimierung, mit deren Hilfe sich Bereiche identifizieren, die sicher aus den Blechen entfernt/ausgeschnitten werden können, um zusätzliches Gewicht zu sparen.	Herausforderung Nr. 13
Topologie- und Multisystemoptimierung für gelegentliche Lastspitzen	Untersuchung der Topologieoptimierung von Mehrkomponenten-Baugruppen, Leistung und Gewicht, Simulation von Lastspitzen	Skalierung der Topologieoptimierung auf größere Mehrkomponenten-Baugruppen, um Leistung und Gewicht der landwirtschaftlichen Fahrzeuge simulativ weiter optimieren zu können. In der Landwirtschaft kommt es häufig zu Lastspitzen. Gesucht wird eine Simulationsmethode, die diese Lastspitzen in einer normalen Basis- oder Sinuswellenbelastung der Teile berücksichtigen kann.	Herausforderung Nr. 20
Bauraumoptimierung – Reduzieren von Verbindungspunkten in großen Baugruppen	FEA Optimierungsmethode; Größe, Anzahl und Position der Verbindungspunkte, Leichtbau	Gesucht wird eine Simulationsmethode, die die Anzahl und Position einzelner Verbindungspunkte des Bauteils optimieren kann, die also über den eigentlichen Entwurfsraum hinausgeht. Durch die intelligente Positionierung und Auswahl der richtigen Verbindungsstellen soll noch mehr Gewicht eingespart werden.	Herausforderung Nr. 22

Produktdesign und Funktionsintegration

Herausforderung	Schlüsselbegriffe	Aufgabenstellung /  Ziele	Link zur Bewerbung
Neues Kabinendesign für klimaneutrale Flugzeuge der Zukunft	Innovatives Design, berührungslos, hygienisch, Kreislaufwirtschaft, rezyklierte Carbonfasern	Der Anteil an wiederverwertbaren Werkstoffen in der Flugzeugkabine soll bei 70 bis 100 % liegen. Der Treibstoffverbrauchs durch leichte Kabinenbauteile soll etwa um 8 bis 12% im Vergleich derzeitigen Standards gesenkt werden. Senkung der RC-Kosten um mindestens 5%.	Herausforderung Nr. 1
Entwurf eines Sitzbankrahmens für die zweite Sitzreihe in leichten Nutzfahrzeugen	Metallersatz, Leichtbau, Composites, Design, FEM-Analyse, Belastungsprüfung, Kosten	Reduzierung des Gewichts um mindestens 30%. Der Preis sollte etwa gleich bleiben – besser noch günstiger werden. Prüfung durch FEM-Analyse und Sicherheitstests.	Herausforderung Nr. 3
Multifunktionale Verbundwerkstoffe	Intelligente Funktionen, elektrische Leitfähigkeit, Gasbarriere, feuchtigkeitsundurchlässig, enteisend, Wärmebarriere	Derzeitige Ideen zur Verbesserung der funktionellen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen befinden sich alle noch auf einem niedrigen TRL-Niveau und scheinen sowohl kostspielig als auch teuer in der Herstellung zu sein. Aufgabe: Bewerten und auswählen einer oder mehrerer Technologien oder Produkte, um Verbundwerkstoffen funktionelle verbesserte Eigenschaften zu verleihen, die einen positiven Business Case haben.	Herausforderung Nr. 8
Kostengünstige Leichtbauweise und werkzeuglose Fertigung für einen Lufteinlasskanal	Metallersatz, Leichtbau, Faserverbundwerkstoffe, werkzeuglose Fertigung, kosteneffizient	Realisierung eines Demonstrators aus alternativen Materialien und Verfahren für den Lufteinlasskanal als Referenz. Gewichtsreduzierung 50 – 60%, Kostenreduzierung 10 – 15% Entwicklung einer Methode zur Qualifizierung von Material und Verfahren, um dasselbe Material und Verfahren auf ähnliche Teile anzuwenden. Organisation einer speziellen Lieferkette für die Luftfahrt.	Herausforderung Nr. 10
Hochentwickelte Komponenten für rein elektrische Verkehrsflugzeuge	Vereisungsschutz / Enteisung, Blitzschutz, Propeller, Zustandsüberwachung	Effizientes Flugzeugdesign durch moderne Verbundwerkstoffe Effiziente Integration von Flugzeugsystemen Gesundheitsüberwachungssysteme Wechsel zu vollelektrischen Flugzeugen	Herausforderung Nr. 18

Fertigungs- und Montageprozesse

Herausforderung	Schlüsselbegriffe	Aufgabenstellung /  Ziele	Kontakt
Große Karosserieteile für die Automobilindustrie aus 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen	Composites 3D Druck, große personalisierte Teile (Spoiler, Kotflügel), kostengünstige und leichte Strukturteile, Zykluszeit	Einsatz des 3D-Druck für große, individuelle Autoteile (Spoiler, Kotflügel etc.) für Sondermodelle oder Sportversionen ohne Werkzeugkosten Einsatz von Composites für kostengünstige Lösungen mit erwarteten Leistungen bei geringem Gewicht Eventuell Neukonstruktion von Teilen Ziel: Gewichtsreduzierung um 30% im Vergleich zu Stahlteilen, um 10% im Vergleich zu Kunststoffteilen Sinnvolle Zykluszeit für mehr als 5000 Teile pro Jahr	Herausforderung Nr. 6
Hochleistungs-Leichtbauwerkstoffe für Aerostrukturen	Metall 3D-Druck, Flugzeugstrukturen, Topologieoptimierung	In diesem Projekt geht es um das innovative Konzept und die Entwicklung von Materialien und Strukturen, die die Leistung und die Einhaltung der Anforderungen an eine Flugzeugzelle verbessern. Möglich sind topologisch optimierte, 3D-gedruckte Lattice-Strukturen aus Metall Interesse an Kooperation zur Technologiepartnerschaft und Entwicklung eines Demonstrators	Herausforderung Nr. 11
Out of autoclave Teile	schnellere und billigere Herstellungsmethode für doppelt gekrümmte Platten mit Versteifungen Thermoplastische Composites	In diesem Projekt geht es konkret um Organobleche mit doppelter Krümmung. Sie bestehen aus Carbongewebe/PEKK, sind 2000 x 2000 mm groß, besitzen Versteifungen in Längs- und Querrichtung und werden bisher im Vakuum verfestigt. Verbunden ist das mit langen Zykluszeiten und hohen Kosten. Entwicklung eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens für diese Bauteile – ohne Vakuum. Schätzung der Zykluszeit Bestimmung der Herstellkosten für 5000 Teile / Jahr Herstellung eines Demonstrators	Herausforderung Nr. 16
Schnellere Produktionsprozesse für leichte Aluminiumlegierungen	Neue Umformwerkzeuge, schnelle Heizwerkzeuge, kontrollierte Kühlung, Aluminiumstrukturen für Flugzeuge	Entwicklung von Heizwerkzeugen, die folgende Funktionen erfüllen Dauerhaftes System zum elastischen Drücken und Halten des Blechs in der Matrize (ohne Vakuum). Integriertes Schnellheizsystem Kontrolliertes Kühlsystem Kompakte Anlage mit mehreren Nestern zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Teile	Herausforderung Nr. 21

Recycling

Herausforderung	Schlüsselbegriffe	Aufgabenstellung /  Ziele	Kontakt
Kostengünstige Materialien und Komponenten mit guten Brandschutzeigenschaften und geringen Umweltauswirkungen	Recycelte Werkstoffe, LCA, Brand- und Rauchverhalten, Flugzeuginnenraum, Sekundärstrukturen von Autobussen, Gehäuse für LiPO-Batterien	Effektive Flugzeugstruktur und Luftfahrtkomponenten aus Verbundwerkstoffen Umweltverträgliche Verbundwerkstoffe Materialien, die für die Kreislaufwirtschaft geeignet sind	Herausforderung Nr. 2
Recycling von Faserverbundkunststoffen	Nachhaltiger Recyclingprozess, recycelte Fasern, Kosten	Recycling von Composites ist kosten- und energieintensiv. Und es gibt nur wenige Verfahren, die recycelte Fasern verwenden können. Suche nach einem nachhaltigen Verfahren für das Recycling von faserverstärkten Kunststoffen (Anteil der recycelten Fasern > 70 %) Kosten für recycelte Fasern < Kosten für neue Fasern	Herausforderung Nr. 5
Reparatur von Verbundwerkstoff-RTM-Bauteilen	Reparaturverfahren für Verbundwerkstoffe, Schadensbeurteilungswerkzeug mit NDT, Luftfahrtspezifikationen	Das Hauptziel dieser Herausforderung ist die Vorstellung und Validierung einer Reparaturmethode für Composites bei einem Tier-1-Luftfahrtzulieferer, die die Anforderungen an dessen Werkstoffe und Luft- und Raumfahrtteile erfüllt. Werkzeuge zur Schadensbeurteilung mit NDT Beseitigung von Schäden Ausbessern des Schadens Qualitätsbeurteilung nach dem Composite Pathing	Herausforderung Nr. 14
Leichtbauteile für Kraftfahrzeuge auf der Grundlage von recycelten Kunststoffen (Post Consumer)	Kostengünstig, Post-Consumer, recycelte Kunststoffe und Füllstoffe, Lieferkette, mechanische Eigenschaften	Die Automobilindustrie muss einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leisten. Daher sind Recycling-Materialien in der Branche gesucht. Ziel ist die Entwicklung kostengünstiger, recycelter Kunststoffe aus Post-Consumer-Materialien Der Recycling-Anteil sollte mehr als 50 % betragen. Die mechanischen Eigenschaften sollten mit denjenigen von Neuware vergleichbar sein.	Herausforderung Nr. 17
Verbesserte Recyclingfähigkeit und Kohlenstoffbilanz von thermoplastischen extrudierten und pultrudierten Innenräumen von Bussen	geringer CO2-Footprint, Wiederverwertbarkeit	Die Dachkanäle in Bussen verlaufen über die gesamte Länge und bestehen aus durchgehenden 2D-Profilen (Ex- oder Pultrusion) und 3D-geformten Luken. Die Herausforderung besteht darin, leichte, kosteneffiziente Teile mit geringem CO2-Footprint in ausreichenden Mengen herzustellen. Ungefähre Stückzahlen für 2D-Profile 75-100 km pro Jahr, 3D-Luken 75.000 bis 100.000 Teile pro Jahr. Bewertung des Designs (Material, mechanische Eigenschaften, Kosten, Platzbedarf, Lieferkette) von Material- und Prozessoptionen. Machbarkeitsdemonstration / Kleinserienproduktion zur Verifizierung Lieferung von Teilen für die Serienproduktion	Herausforderung Nr. 23

Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung der NMWP

Autor: Christine Koblmiller, Redakteurin, Gründerin, Fachjournalistin aus Leidenschaft, überzeugter Leichtbau-Fan.

Mit dem Metamagazin Leichtbauwelt.de habe ich 2018 den Schritt in die Selbständigkeit gewagt und mit Leichtbauwelt ein neues Medienformat im B2B-Umfeld geschaffen. Seit etwa 25 Jahren bin ich Redakteurin für technische B2B-Fachzeitschriften. Für verschiedene führende Fachmagazine habe ich als eBusiness-Projektmanager Industrie schon 2001 crossmediale Angebote eingeführt, denn die Digitalisierung aller Lebensbereiche hat Einfluss auf unser Informationsverhalten. Deshalb bin ich mir sicher, dass sich die Medienbranche wandeln muss. Mehr über mich finden Sie unter Conkomm, auf Xing oder LinkedIn.

„Leichtbau fasziniert und begeistert Techniker. Er ist für die Herausforderungen der Zukunft unabdingbar. Deshalb bin ich sicher, dass der Markt für ein Angebot wie Leichtbauwelt.de reif ist.“