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Leichtbaustrukturen im Fahrzeugbau

Leichtbau und IntegrationHeckklappe ist nicht das Ende – der Entwicklung

Zur Composites Europe in Düsseldorf, präsentierten Wissenschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden zwei Neuheiten: Im Forschungsprojekt Temag entwickelten sie eine Fahrzeug-Heckklappe, die im Spritzgießverfahren mit Endlosfaserverstärkung und Funktionselementen hergestellt wird. Zudem wurde eine browserbasierte Software präsentiert, die eine Visualisierung von Untersuchungsergebnissen über alle Skalen – vom Filament, über den Roving bis hin zum Mehrschichtverbund – erlaubt.

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Hinter dem unauffälligen Äußeren der Hecklappe steckt viel Innovation: Produziert wird sie im endlosfaserverstärkten Spritzguss unter Integration elektronischer Bauelemente. (Bilder: TUD/ILK)

Im Spritzgießen lassen sich komplex geformte und zugleich preiswerte Leichtbaustrukturen herstellen. Endlosfaserverstärkungen können die mechanischen Eigenschaften dieser Strukturen verbessern. Die zusätzliche Integration von Funktionselementen vergrößert das Eigenschaftsspektrum endlosfaserverstärkter Bauteile weiter. Allerdings ist die Positionierung der Funktionselemente, der Leitungen für die Energie- und Signalübertragung sowie der Steckkontakte im Spritzgießwerkzeug wegen des hohen Drucks und der Temperatur beim Einspritzvorgang derzeit eine große Herausforderung.

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Im Forschungsprojekt Temag – Thermoplastische endlosfaserverstärkte Multi-Axiale-Gitterstrukturen – entwickelten Wissenschaftler des ILK und des Instituts für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden einen Herstellungsprozess für endlosfaserverstärkte Spritzgießbauteile mit integrierten elektronischen Funktionselementen. Sie nutzten die textilen Hochleistungsgitter als mechanische Verstärkung der Spritzgießbauteile und entwickelten diese zu Trägern der elektronischen Komponenten weiter. Mit diesem Verfahren soll die effiziente Herstellung fester, leichter und funktionsintegrierter Bauteile möglich sein.

Den entwickelten Fertigungsprozess demonstrieren die Forschungspartner am Beispiel einer Fahrzeug-Heckklappe. Dazu wurde die Gitterverstärkung belastungsgerecht ausgelegt und drapiert sowie mit einem Touch-Sensor ausgestattet, dessen Signal zur Öffnung der Heckklappe dienen kann. Zusätzlich wurde eine Bremsleuchte integriert.

Multiskalen-Visualisierung für das Werkstoffverständnis

Für die kosten- und werkstoffeffiziente Auslegung von Leichtbaustrukturen sind rechnergestützte Methoden erforderlich. Bei der Auslegung von Faserverbundstrukturen muss der hierarchische Aufbau dieser Strukturen berücksichtigt werden: ausgehend von Filament und Matrix, über den Roving, das Verstärkungstextil und die Einzelschicht bis zum Mehrschichtverbund. Dieser hierarchische Gedanke setzt sich über das Fügen von Komponenten zu einer Struktur und der Interaktion mehrerer Strukturen in einem System fort. Eine modellübergreifende, durchgängige Visualisierung der einzelnen Berechnungsergebnisse war bisher allerdings nicht möglich.

Im Vorhaben Scads – Competence Center for Scalable Data Services and Solutions – haben Wissenschaftler des ILK und der Professur für Computergraphik und Visualisierung der TU Dresden eine browserbasierte Software entwickelt, die laut Institutsangaben erstmals eine konsistente Visualisierung der Ergebnisse über alle Skalen hinweg erlaubt. Grundlage sind Simulationsdaten, die bei der Entwicklung einer adaptiven Blattfeder im Sonderforschungsbereich 639 entstanden sind.

Mit der Software könne sich der Nutzer die zuvor berechneten Ergebnisse im 3D-Raum zu einem beliebigen Belastungsschritt anschauen. Dank Zoomfunktion sei erstmals kontinuierlich zwischen den Skalen und damit zwischen den separaten Berechnungsdaten zu wechseln. Sobald ein bestimmter Zoomwert erreicht ist, folgt ein automatischer Zoom, der die Ansicht auf die nächste Skala zum selben Berechnungsschritt umschaltet. Die browserbasierte Software ist vollständig plattformunabhängig und muss nicht installiert werden. So können Berechnungsergebnisse schnell präsentiert werden.

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