Kategorie: Projekte

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reFrame

Nachhaltiger Leichtbau für die Mobilität der Zukunft

Faserverstärkte Kunststoffe bieten enormes Potenzial zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen in Mobilitätsanwendungen. Dennoch stellt ihr zunehmender Einsatz langfristig eine große Herausforderung für die Verwertung nach dem Lebensende dar. Besonders kritisch ist das Recycling von hochbelastbaren, kostenintensiven Kohlenstofffasern, deren Herstellung im Vergleich zu Stahl mit nahezu fünffachem Energieaufwand und 15-facher CO2-Emission einhergeht. Dies bietet ein erhebliches ökonomisches und ökologisches Wiederverwertungspotenzial. Jedoch führen bestehende Recyclingansätze für Faserverbundstrukturen – sei es chemisch, pyrolytisch oder mechanisch – häufig zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften gegenüber jungfräulichen Materialien. Dies erschwert den Einsatz von Rezyklaten in hochbelasteten, gewichtsrelevanten Anwendungen, wie sie beispielsweise in der Luftfahrt vorkommen. Der aktuelle industrielle und wissenschaftliche Kenntnisstand im Umgang mit recycelten Materialien, insbesondere hinsichtlich ihrer Berücksichtigung in der Strukturauslegung und Schadensmodellierung, ist daher als unzureichend zu bewerten.

Das Projekt reFrame hat sich zum Ziel gesetzt, eine geschlossene Recyclingroute für thermoplastische end-of-use CFK-Bauteile zu entwickeln, um sie erneut für Leichtbau-Hochleistungsanwendungen nutzbar zu machen. Dazu werden zunächst sowohl produktionsbedingte Prepreg-Verschnittreste als auch end-of-use Bauteile in einem Rezyklierungsprozess funktionalisiert und zu einem kurzfaserverstärkten, thermoplastischen Compound verarbeitet. Durch die anschließende Kombination des Rezyklats mit endlosfaserverstärkten Kohlenstofffaser-Tapes, die im thermoplastischen Automated-Fiber-Placement (TAFP) und Heizpressprozess angebunden werden, sollen neue Hochleistungsanwendungen erschlossen werden. Die im Projekt entwickelten Werkstoffkonzepte werden anhand eines elektrisch angetriebenen Fluggeräts in der Strukturauslegung getestet und bewertet.

Die interdisziplinäre Forschungskooperation im Forschungsverbund HP CFK (TU Clausthal, TU Braunschweig und Leibniz Universität Hannover) am Standort Stade ermöglicht die vollständige Abdeckung der Entwicklung:

    • Das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik konzentriert sich auf das Recycling thermoplastischer Faserverbundbauteile und produktionsbedingter Verschnittabfälle sowie deren Aufwertung für Hochleistungsanwendungen. Zunächst wird aus dem Rezyklat ein kurzfaserverstärktes Basiscompound entwickelt, das anschließend durch Funktionalisierung zu einem pressfähigen Leichtbaukernmaterial weiterverarbeitet wird. Neben dreidimensional gepressten Kernmaterialien werden auch Möglichkeiten zum 3D-Druck individueller kurzfaserverstärkter Kerne für den Einsatz in Sandwichstrukturen untersucht.

    • Der Lehrstuhl für Gesamtentwurf von Flugzeugen des Instituts für Flugzeugbau und Leichtbau wird mögliche Einsatzbereiche von Recycling-Strukturen analysieren und einen Flugzeugentwurf entwickeln, der an zukünftige Mobilitätsanforderungen angepasst ist. Ergänzend dazu wird am Lehrstuhl für Flugzeugkonstruktion die Strukturauslegung mit angepassten Methoden für Rezyklate durchgeführt, da diese eine höhere Streuung in ihren Materialeigenschaften aufweisen. Durch gezielte Funktionsintegration, wie das Einbringen von Brandschutzsystemen oder Sensorik zur Strukturüberwachung, kann das Leichtbaupotenzial weiter gesteigert werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf reversiblen Fügemethoden, um ein vollständiges und sortenreines Recycling der Strukturen zu ermöglichen.

    • Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen untersucht das Einsatzpotenzial recycelter und biobasierter Materialien in thermoplastischen Automated Fiber Placement-Technologien zur Reduktion von Primärrohstoffen in Hochleistungsstrukturen. Durch den Einsatz von KI-basierter Prozessüberwachung und Digitalisierungsansätzen sowie energieeffizienten Fertigungsstrategien wird der Grundstein für eine CO2-freie Produktion gelegt.

Im Rahmen einer intensiven Transferperiode im fortgeschrittenen Projektverlauf sowie durch kontinuierliche Transferarbeit seitens der Privaten Fachhochschule Göttingen (PFH), Hansecampus Stade, wird der regionale Wissenstransfer nachhaltig gestärkt. Gemeinsam mit interessierten KMU werden im Rahmen von projektbegleitenden Voruntersuchungen anwendungsnahe Fragestellungen der beteiligten Industriepartner bearbeitet, mit dem Ziel, die Projektergebnisse in Anschlussprojekte und Unternehmen zu überführen.

Förderer: Europäischer Fond für Regionale Entwicklung (EFRE) und Land Niedersachsen

Laufzeit: 2024-2027

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Multi Hardener Laminates (MHL)

Entwicklung eines Materialkonzepts zur Verringerung von Temperaturgradienten in dickwandigen Bauteilen

Bei der Herstellung dickwandiger, hochbelastbarer Faserverbundbauteile führt die exotherme Aushärtereaktion des duromeren Harzsystems zu Wärmeentwicklung. Wird diese im Fertigungsprozess nicht berücksichtigt, entstehen beträchtliche Temperaturunterschiede innerhalb des Bauteils, die sich aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des polymeren Werkstoffs nur langsam abbauen. Mit zunehmender Bauteildicke staut sich die Reaktionswärme in den mittleren Lagen des Bauteils. Durch höhere Temperaturen verläuft die Aushärtereaktion schneller, was wiederum zu einer beschleunigten Wärmefreisetzung führt. Diese Temperaturunterschiede führen zu unterschiedlichen Aushärtegeschwindigkeiten im Bauteil und begünstigen die Entstehung von Eigenspannungen. Diese Eigenspannungen können im fertigen Bauteil zu Verzug und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen, im schlimmsten Fall sogar zu Materialdegradation aufgrund von Überhitzung.

Das Ziel des beantragten Vorhabens ist daher die Reduktion der Wärmeentwicklung und die gezielte Nutzung durch Verwendung von unterschiedlich reaktiven Harz-Härtersystemen bei der Herstellung dickwandiger Faserverbundbauteile auf Basis von online hergestellten Prepregs. Das zu erforschende Materialkonzept sieht vor, die in den inneren Lagen des Bauteils entstehende Wärme durch den Einsatz weniger reaktiver Härterkomponenten zu reduzieren. Gleichzeitig wird in den äußeren Lagen durch Verwendung eines reaktiveren Harzsystems ausreichend Wärme erzeugt, um die inneren Lagen auszuhärten.

Zur Erreichung des Ziels werden zunächst geeignete Harz-Härter-Systeme ausgewählt und charakterisiert. Anschließend wird ein Simulationsmodell erstellt, das die Aushärtung unterschiedlicher Harz-Härter-Systeme und die entstehende Temperaturverteilung innerhalb eines Bauteils abbildet. Mithilfe eines Optimierungsalgorithmus wird aus dem Modell ein lagenweiser Infusionsplan für Probebauteile verschiedener Dicken abgeleitet. Die Probebauteile werden anschließend mittels Online-Prepreganlage und Heißpresse hergestellt. Dabei wird die Temperaturverteilung im Bauteil überwacht und das Simulationsmodell validiert. Die hergestellten Bauteile werden mechanischen Prüfungen unterzogen, um die Auswirkung der Verwendung unterschiedlicher Harz-Härter-Systeme innerhalb eines Bauteils zu untersuchen.

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2024-2026

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SHOREliner

Entwicklung eines klimaneutralen Faserverbund-Flugzeugs mit robusten aerodynamischen und STOL-Eigenschaften für den Einsatz als Multi-Purpose-Commuter

Seit Jahrzehnten wächst der weltweite Luftverkehr. Heutzutage werden nahezu alle Flugzeuge mit fossilen Brennstoffen angetrieben, was zu einer gleichzeitigen Zunahme der globalen CO2-Emissionen der Luftfahrt führt. Ihr Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen liegt bei etwa 2%. Die Elektrifizierung des Luftfahrtantriebs macht das Fliegen ohne jeglichen Ausstoß von Abgasemissionen bereits heute möglich, jedoch wurde sie bisher noch nicht in den Regionen umgesetzt, in denen dies besonders plausibel und dringlich ist.

Der SHOREliner ist ein vollelektrisches, klimaneutrales Faserverbund-Flugzeug, das weltweit für eine nachhaltige, umweltfreundliche und ressourcenschonende Luftfahrt steht. Er setzt regional dort an, wo Umweltverträglichkeit auf mehreren Ebenen besonders erforderlich ist, nämlich auf Kurzstrecken in ökologisch sensiblen Küstenregionen. Dank des elektrischen Antriebs ist das Konzept im Betrieb CO2- und schadstofffrei, wenn die örtlich verfügbare Wind- und Solarenergie genutzt wird. Zudem minimiert es den Einfluss auf die lokale Umwelt durch die Reduzierung der Lärmemission. Aufgrund seiner robusten Eigenschaften eignet sich der SHOREliner für zahlreiche Kurzstreckenflüge in windigen Küstenregionen mit kurzen Landepisten und vielfältigen Anwendungsbereichen.

Da die Umweltauswirkungen eines Flugzeugs nicht auf den Betrieb beschränkt sind, ist der SHOREliner über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg auf minimale Umwelteinflüsse ausgerichtet. Die Partner des im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms VI-3 geförderten Vorhabens konzentrieren sich darauf, einen äußerst kurzen Entwicklungsprozess zu ermöglichen, Hochleistungsmaterialien in einer effizienten und ressourcenschonenden Prozesskette einzusetzen und die Prototypenfertigung und -zertifizierung durch Simulationen und KI zu unterstützen.

Die Projektkoordination und den Hauptverantwortlichen für den Flugzeugentwurf übernimmt M&D Flugzeugbau, ein EASA-zertifizierter Entwickler, Hersteller und Zulieferer für die Luftfahrtindustrie. Das IFL der TU Braunschweig arbeitet in Zusammenarbeit mit dem IFW der Leibniz Universität Hannover an der Umsetzung einer multidisziplinären Methode zur Verknüpfung von Strukturentwurf und Fertigungsplanung und wird diese durch simulationsgestützte Impactanalysen unterstützen. Das IFW ist außerdem zusammen mit dem Projektpartner Broetje-Automation, dem Spezialisten für Produktionsprozesse in der Luft- und Raumfahrtindustrie, an der Entwicklung eines nachhaltigen Fertigungsprozesses für den SHOREliner beteiligt. Projektpartner Schill & Seilacher „Struktol“ produziert chemische Spezialprodukte für Composite-Anwendungen und entwickelt die Matrixsysteme für die Faserverbundstrukturen, die im Rahmen der vom PuK der Tu Clausthal entwickelten Konzepte zum Brandschutz der Antriebsstrukturen und zur Verwendung nachhaltiger Materialien in Strukturbauteilen eingesetzt werden.

Im Rahmen des LuFo VI-3 wird die erste Projektphase des SHOREliners umgesetzt, die sich hauptsächlich auf das Design (Concpetual Design, Preliminary Design, Detailed Design) konzentriert und von technologischen Untersuchungen begleitet wird.

Laufzeit: 2023 – 2026

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo VI)

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TheSaLab

Grundlagen zur Herstellung von Thermoplast-Sandwichstrukturen mittels Laser-basiertem in-situ Thermoplast Automated Fiber Placement

Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten aufgrund der hohen spezifischen Festigkeiten ein enormes Leichtbaupotential. In den letzten Jahren geht der Trend von duroplastischen zu thermoplastischen Materialien, um die Vorteile der Recyclierbarkeit sowie des Fügens zweier Bauteile durch lokales Aufschmelzen der Matrix nutzen zu können. Ein besonders gutes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften zu Gewicht wird durch Sandwichstrukturen erreicht. Die Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen mit den gängigen Verfahren ist aktuell auf ebene Bauteile beschränkt. Vereinzelte Ansätze zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen erfordern hochkomplexe Werkzeuge sowie mehrschrittige Fertigungsprozesse und sind zudem auf eine einzige festzulegende Form begrenzt. Das Thermoplast Automated Fiber Placement (TAFP) bietet hingegen einen flexiblen Faserverbund-Fertigungsprozess. Für Prozesse, in denen gleichartige Halbzeuge verwendet werden, existiert bereits ein umfassendes Prozessverständnis. Allerdings fehlt Wissen über die Wirkmechanismen und die Ausprägung der optisch-thermomechanischen Wechselwirkungen bei der Ablage von anisotropen Tapes auf isotrope Schaumstrukturen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung einer kohäsiven Anbindung zwischen abgelegten Tapes und Schaumkern unter TAFP Prozessbedingungen prinzipiell möglich ist. Allerdings kommt es bei der Wahl ungeeigneter Prozessparameter zu einem lokalen Kollabieren der Schaumstruktur oder zu einer unzureichenden kohäsiven Anbindung der beiden Fügepartner.

Das Ziel dieses Projektes ist daher, ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge der optischen-thermomechanischen Wechselwirkungen in der Heiz- und Fügezone bei der Ablage kohlenstofffaserverstärkter thermoplastischer Tapes auf thermoplastischen Schaumkernen mittels laserbasiertem TAFP zu entwickeln. Hierzu wird in einem ersten Schritt die optische Interaktion der Laserstrahlung mit dem Schaummaterial und den Prepreg-Tapes untersucht und die aus der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionscharakteristik der beiden Fügepartner resultierende Leistungsverteilung in der Heizzone in Abhängigkeit der Lasereinstellungen modellbasiert bestimmt. Des Weiteren wird das Schaum- und Konsolidierungsrollenverhalten unter Prozessparametern mechanisch charakterisiert und in Materialmodelle überführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Anschluss in ein thermomechanisches Prozessmodell zusammengeführt und validiert. Über eine Kopplung des thermomechanischen Prozessmodells mit einem Verbindungsfestigkeitsmodell wird der Einfluss der Prozessparameter auf die Anbindungsqualität zwischen abgelegten Tapeschichten und Schaumkern erforscht. Durch die Generierung eines grundlegenden Verständnisses wird die Grundlage zur Herstellung individuell gekrümmter thermoplastischer Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem TAFP geschaffen.

 

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2023-2026

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InSiTe

Methode zur In-Situ Erfassung von wirkzonennahen Temperaturverläufen für das laserbasierte Automated Fiber Placement 

Das laserbasierte Automated Fiber Placement (AFP) ermöglicht bei Verwendung von thermoplastischen Matrixwerkstoffen die in-situ Herstellung von Faserverbundstrukturen, sodass ein energieintensiver Autoklavprozess entfallen kann. Zusätzlich ergeben sich weitere Vorteile durch eine verbesserte Recyclierbarkeit sowie stoffschlüssige Verbindungstechniken. Die Herausforderung besteht allerdings darin, dem Autoklavprozess gleichwertige mechanische Eigenschaften zu erzielen. Die Fügefestigkeit wird durch eine thermisch-mechanische Prozessführung, die im Idealfall auf der Kenntnis der thermisch-mechanischen Zustände in der Fügezone beruht, eingestellt. Über bekannte Modelle lassen sich dann die interlaminaren Festigkeiten vorhersagen, sodass zeit- und kostenintensive Prüfmethoden minimiert werden können und ggfl. bereits im Prozess eine Nachbesserung der Qualität durchgeführt werden kann. Ein Problem stellt dabei die prozessbegleitende Erfassung der Temperaturhistorie in der Fügezone dar. Während die Temperatur vor und nach der Fügezone bspw. durch IR-Thermographie erfasst werden kann, ist die Fügezone durch die Konsolidierungsrolle verdeckt. In das Laminat eingebrachte Thermoelemente oder faseroptische Sensoren messen die Temperatur nur punktuell und werden ausschließlich zur Modellvalidierung genutzt, wobei sie allerdings gleichzeitig als Störstellen agieren und daher die Temperatur über-, bzw. unterschätzen. Dementsprechend existiert aktuell keine Methode, empirisches Wissen über die Temperaturhistorie innerhalb der Fügezone im kontinuierlichen AFP-Prozess zu erlangen. Aus diesem Grund wurde in eigenen Vorarbeiten eine neue Messmethode konzipiert, bei der die Konsolidierungsrolle mit faseroptischen Rayleighsensoren ausgestattet wird. Hierdurch entsteht eine dehnungssensitive Mantelfläche, die kontinuierlich Kontakt mit der Fügezone hat und somit die Erfassung von thermisch-mechanischen Zuständen ermöglicht.

Ziel dieses Projektes ist es daher, die thermisch-mechanische Sensitivität der Rayleigh-Sensoren, die in eine für das AFP typische, formadaptive Konsolidierungsrolle eingebettet werden, zu erforschen und damit die Messmethode für die Temperaturerfassung im laserbasierten AFP zu befähigen. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen zur Fasereinbettung und der sich daraus ergebenden thermischen und mechanischen Sensitivitäten durchgeführt. Die Erkenntnisse werden zur Kompensation von mechanischen sowie thermischen Störgrößen genutzt, sodass die verbleibenden Dehnungen als thermische Dehnungen vorliegen. In weiteren Untersuchungen wird eine modellgestützte Methode zur Kalibrierung der sensitiven Konsolidierungsrolle erarbeitet, indem die thermischen Dehnungen mit den Temperaturverläufen in einen Zusammenhang gebracht werden. Durch die Kombination der Störgrößenkompensation mit der modellgestützten Kalibrierung wird die Temperaturerfassung in einem kontinuierlichen, rollenbasierten Fertigungsprozess, wie z. B. dem laserbasierten AFP, ermöglicht.

 

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2023-2025

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FASTHER

Numerische und experimentelle Untersuchung der Betriebsfestigkeit von geschweißten thermoplastischen FKV-Strukturen unter Berücksichtigung von Eigenspannungen

Thermoplastische Matrices in Faserverbundstrukturen sind in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt, da sie gegenüber duromeren Matrices einen entscheidenden Vorteil aufweisen: die Schweißbarkeit. Diese bietet ein hohes Potential, z.B. hinsichtlich Gewichtsreduzierung, Taktzeitverkürzung und der gerade heutzutage so bedeutsamen Rezyklierbarkeit. Wenngleich verschiedene Schweißverfahren Gegenstand der Forschung sind und zum Teil bereits in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, ist das grundsätzliche Wirkprinzip der Verfahren sehr ähnlich. Durch Eintrag von Wärme im Bereich der angestrebten Fügezone wird die Matrix aufgeschmolzen. Unter Einwirkung eines von außen applizierten Drucks auf die Fügepartner während der Abkühlung werden diese anschließend zu einem Bauteil verbunden. In eigenen numerischen Simulationen im Rahmen des Projektes JoinThis konnte bereits gezeigt werden, dass infolge des Abkühlprozesses, Eigenspannungen in der Fügezone und deren Umgebung auftreten, welche eine Vorschädigung der Matrix bewirken. Vor allem für zyklisch belastete Komponenten prägen sich somit potentiell lebensdauer-verringernde Vorschädigungen aus, welche in der Dimensionierung von derart belasteten Komponenten zu berücksichtigen sind.

Ziel des Projektes FASTHER ist das Schädigungsverhalten von geschweißten thermoplastischen Faserverbundstrukturen hinsichtlich zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von thermischen Eigenspannungen systematisch zu untersuchen. Die zentrale Forschungshypothese ist, dass ein Verfahren zur rechnerischen Lebensdauervorhersage von geschweißten faserverstärkten Thermo-plasten auf Basis der Finite-Elemente-Methode erstellt werden kann. Mit Abschluss des Projektes steht erstmals eine Detailmodellierung der Ermüdungsschädigung von geschweißten thermoplastischen Faserverbundstrukturen zur Verfügung, welche wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der rechnerischen Dimensionierung im Flugzeugbau liefert. Darüber hinaus wird das Verständnis zur numerischen Modellierung der Ermüdung von FKV erweitert sowie ein wesentlicher Beitrag zu Möglichkeiten der experimentellen Gewinnung von Validierungsdaten mithilfe faseroptischer Sensoren geleistet.

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2022-2025

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MaNuK

Magnetische Nutverschlusskeile im kontinuierlichen Produktionsverfahren

Das Konsortium des Forschungsprojektes MaNuK – „Magnetische Nutverschlusskeile im kontinuierlichen Produktionsverfahren“ startet am 24. Februar im Rahmen eines Kick-Offs offiziell seine Arbeit.
Nutverschlusskeile werden in elektrischen Maschinen mit offenen Nuten im Blechpaket eingesetzt, um die Wicklung zu fixieren und zu schützen. Die weiten Nutöffnungen im Blechpaket, welche den magnetisch wirksamen Luftspalt zwischen Stator und Rotor vergrößern bewirken lokal eine unerwünschte Schwächung des Magnetfeldes. Dem wirken magnetische Nutverschlusskeile durch verbesserte Flussführung entgegen. Das Resultat ist vor allem die Reduzierung des benötigten Magnetisierungsstromes und folglich ein besserer Leistungsfaktor sowie eine Wirkungsgradsteigerung der Maschine.
Die heute verfügbaren magnetischen Nutverschlusskeile weisen jedoch erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich der magnetischen Leistungsfähigkeit und ihrer mechanischen Eigenschaften auf – durch verfrühtes Versagen sind sie häufig Ursache von Anlagenstillschäden und -stillständen.
Das Projekt MaNuK ist ein Kooperationsprojekt der Partner M&D Composites Technology GmbH, Schill & Seilacher „Struktol“ GmbH, Fisco GmbH, dem Institut für Antriebsysteme und Leistungselektronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal. Das Projekt wird durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Dabei liegen die Schwerpunkte des PuK in der Erforschung der wechselseitigen Beziehungen von Füllstoffkonditionierung, Aufbau des magnetischen Nutverschlusskeils und seiner magnetischen Eigenschaften, welche die Grundlage bildet für den neuartigen strukturellen Aufbau des Nutverschlusskeils und die Entwicklung eines neuen, kontinuierlichen und deutlich wirtschaftlicheren und ressourceneffizienteren Herstellungsprozesses, mit denen die bisherigen Nachteile behoben werden sollen.

Laufzeit: 2022 – 2023

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

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BionicWalker

Entwicklung einer neuartigen prothetischen Versorgung für teilfußamputierte Patienten mit Carbonfederelement für die Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie

Das Projekt „Bionic Walker“ ist ein durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand gefördertes Kooperationsprojekt zur Entwicklung und Erforschung einer neuen prothetischen Versorgung für Patienten mit Teilfußamputationen. Zu dem Projektkonsortium gehören die REHA-OT Lüneburg Melchior & Fittkau GmbH aus Lüneburg, die Zeisberg Carbon GmbH aus Hannover, die OK Gummiwerk Otto Körting GmbH aus Hameln, das Institut für Orthopädische Bewegungsdiagnostik (OrthoGO) aus Hannover sowie die der Forschergruppe HPCFK angehörigen Institute Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig und Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal. Administrativ wird das Projektkonsortium durch die Wirtschaftsförderungs-GmbH für Stadt und Landkreis Lüneburg unterstützt.

Die Aufgabe der, neuen prothetischen Versorgung besteht in der Wiederherstellung einer normalen, dynamischen und symmetrischen Gangabwicklung für Patienten nach Teilfußamputationen, um Folgebeschwerden durch Gangveränderungen zu vermeiden und ihnen zu ermöglichen, schneller in den gesellschaftlichen und beruflichen Alltag zurückzukehren. Erreicht wird die wesentliche Funktion des Produkts durch ein spezielles Federelement aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, das die Charakteristik der nicht mehr vorhandenen anatomischen Strukturen nachbildet. Genau wie bei einem gesunden Bewegungsapparat wird ein Teil der kinetischen Energie beim Auftreten während des Gehens als potenzielle Energie in dem Federelement gespeichert. Beim erneuten Abheben des Fußes dient die komprimierte Feder der Unterstützung des Patienten und verringert den erforderlichen Kraftaufwand.

Ausgehend von einer ganganalytischen Ermittlung der medizinischen Anforderungen findet innerhalb des Kooperationsprojekts die komplette Entwicklung, Fertigung und Zusammenführung aller Komponenten zu einem Demonstrator statt. Dessen Funktionsfähigkeit und Wirkung wird über statische und zyklische Versuche in einer Prüfmaschine, über mehrachsige Versuche mit einem Industrieroboter sowie realitätsnahe Versuche im Ganglabor nachgewiesen.

Laufzeit: 2021 – 2023

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

 

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TowPregRod

Kontinuierliches multi-orbitales Legen von TowPregs mit variablen Faserwinkeln

Luftfahrt-Leichtbaustäbe in CFK-Sandwichbauweise werden beim Projektpartner Schütze GmbH & Co in Braunschweig gegenwärtig in einem Strangziehverfahren hergestellt, indem ein zylindrisch geschliffenes Kernmaterial mit harzgetränkten Kohlenstofffasern parallel zur Stablängsachse belegt wird. Die unidirektional verstärkten Sandwichstäbe verfügen über sehr gute gewichtsbezogene mechanische Eigenschaften und dienen beispielsweise als leichte, hochsteife und hochfeste strukturversteifende Bauteile wie z. B. Stützstreben oder Steuerstangen. Der aktuelle Prozess gestattet nur die Erzeugung unidirektional in Stablängsrichtung orientierter Faserschichten; Winkellagen müssen gesondert in einem Offline-Prozess hergestellt werden. Das kontinuierliche Einbringen von Winkellagen im Fertigungsprozess sowie der Einsatz bereits vorimprägnierter Faserrovings erweitern das Einsatzgebiet der Sandwichstäbe signifikant und ermöglichen eine ressourcenschonende, zukunftsweisende Produktion.

Technologisches Ziel des Einzelvorhabens ist die Entwicklung und Erforschung eines multi-orbitalen TowPreg-Legesystems zur Applikation radialer Versteifungslagen mit variablen Faserwinkeln auf bereits axial verstärkten TowPreg-Sandwichstäben. Dabei ermöglichen die um den Kern rotierenden, radial verteilten Legeeinheiten eine vollflächige Endlosfertigung torsionssteifer Stäbe. Bei der Technologieentwicklung steht der spätere Einsatzort in der Kleinserienfertigung im Mittelpunkt. Besonderes Augenmerk in Entwicklung und Systemerforschung wird daher auf eine einfache Bedienbarkeit, kurze Umrüstzeiten, flexible Erweiterbarkeit und eine sichere, robuste Prozessführung gelegt.

Der Forschungsschwerpunkt des IFW liegt in der Erweiterung des Wissens zur Verarbeitung und automatisierten Ablage von TowPregs im Multi-Orbitallegen. Gegenüber den in der Luftfahrt überwiegend eingesetzten vorimprägnierten Tapes (Prepregs) bieten TowPregs einen erheblichen Kostenvorteil, unterliegen durch den Herstellungsprozess jedoch einer höheren Dimensionsvarianz. Dies erhöht die Anforderungen an die Robustheit des Verarbeitungsprozesses und stellt gleichzeitig eine der zentralen Herausforderungen der geplanten entwicklungsbegleitenden Forschungsarbeit dar. Im Speziellen wird die kombinierte Ablage mehrerer radial verteilter TowPregs auf bereits unidirektional verstärkten Sandwichstäben untersucht. Die hierbei wirkenden Kräfte durch Zugspannung im Tow und Oberflächenandruck auf den bereits axial belegten Schaumkern müssen untersucht und daraus resultierende Wechselwirkungen zwischen Prozess und Bauteilqualität analysiert werden.

Das erlangte Wissen zur Verarbeitung von TowPregs kann in allgemeine Konstruktionsrichtlinien für kostengünstige, robuste Ablegesysteme für vorimprägnierte Rovings überführt werden und so das Einsatzspektrum der TowPregs auf weitere, von Nasslaminierverfahren dominierten Kleinserienproduktionen ausdehnen.

Laufzeit: 2021 – 2025

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo VI)

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AgriLight

Entwicklung einer Leichtbau-Rahmenstruktur aus faserverstärkten Kunststoffen und innovativen, hybriden Verbindungsbereichen für den Einsatz in Agrarmaschinen

Das Projekt AgriLight ist ein Kooperationsprojekt der Partner Maschinenfabrik Bernard Krone GmbH & Co. KG, M&D Composites Technologie GmbH, dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK). Das Projekt wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Ziel des Vorhabens ist die zentrale, hochbeanspruchte Rahmenstruktur schwerer landwirtschaftlicher Erntemaschinen tiefgreifend weiterzuentwickeln, um das Gewicht der zumeist tonnenschweren Komponente signifikant zu reduzieren. Dies beinhaltet folgende Teilziele:

    • Einsatz moderner Faserkunststoffverbund- und Mischbauweisen zur Gewichtsreduktion hochbeanspruchter Strukturen
    • Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und Senkung von Abgasemissionen
    • Verringerte Bodenverdichtung durch die Erntemaschine und Verbesserung der Lebensbedingungen für Bodenorganismen
    • Vereinfachte verkehrsrechtliche Zulassung selbstfahrender Erntemaschinen
    • Reduktion von Montagezeiten und -kosten für den Hersteller der Erntemaschine

Dazu werden die bisherige Stahlkonstruktion und die anliegenden Funktionseinheiten eines Feldhäckslers für die Maisernte, wie z. B. Tanks, analysiert und erstmalig in einem funktionsintegrierenden Leichtbauansatz aus Glasfaser- und Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (GFK / CFK) neu aufgebaut und umfassend getestet. Besondere Herausforderungen entstehen bei dieser Art der Werkstoffsubstitution durch die teilweise grundlegend verschiedenen mechanischen, elektrischen und chemischen Materialeigenschaften. Gleichzeitig verlangen Faserverbunde andere Fertigungsverfahren und bieten neue Formgebungsmöglichkeiten. Zur Ausschöpfung des vollen Leichtbaupotenzials werden diese Eigenschaften bei der Konstruktion berücksichtigt und sinnvoll eingesetzt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei der Erforschung neuer Ansätze zur lokalen Strukturhybridisierung durch Integration von metallischen Einlegern an den versagenskritischen, hochbelasteten Schnittstellen zu angrenzenden Baugruppen in verschiedenen Stufen des Fertigungsprozesses. Hier werden auf Grundlage von Erkenntnissen der grundlegenden Forschung neue Konzepte erarbeitet, die zum einen die Einleitung hoher Lasten in die Verbundstruktur und zum anderen die Verwendung bekannter Verbindungsmethoden der Metallverarbeitung während der Montage mit den Faserverbundwerkstoffen ermöglichen. Am Ende des Projekts ist die umfangreiche mechanische Prüfung der neuen Rahmenstruktur in speziellen Prüfständen geplant, die den realen Einsatz simulieren und wichtige Hinweise auf die Serientauglichkeit des Bauteils liefert.

Laufzeit: 2021 – 2024