Forschung // Leichtbau
SmartPro – Key to Smart Products!
Leichtbau ist eine branchenübergreifend bedeutsame Technologie, um Energie- und Ressourceneffizienz zu erreichen.
Daher wird in den Impulsprojekten InDiMat (2017–2021) und Smart-LIGHT (2022–2026) an innovativen Leichtbautechnologien geforscht.
An diesen Projekten sind neben Konzernen sowie Forschungs- und Transferpartnern auch zahlreiche kleine und mittlere Unternehmen (KMU) beteiligt, die von den innovativen Ideen besonders profitieren.
Smart-LIGHT
// Projektlaufzeit: 01.04.2022 bis 31.03.2026
Projektleitung
Prof. Dr. Lothar Kallien
Gießereitechnologie Aalen
Tel.: +49 (0) 7361 576-2252
lothar.kallien@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Wolfgang Rimkus, Technologiezentrum Leichtbau
- Prof. Dr. Orsolya Csiszár, Mathematik und KI-Anwendungen
- Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum
- Prof. Dr. Silvia Schuhmacher, Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik
- Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
- Prof. Dr. Anne Harth, Zentrum für Optische Technologien
Unternehmen
- Albert Handtmann Holding GmbH & Co. KG
- Alfred Härer GmbH
- ELECTRONICS GmbH
- Franke GmbH
- HAAS Metallguss GmbH
- Henkel AG & Co. KGaA
- IFO – Institut für Oberflächentechnik GmbH
- Oskar Frech GmbH & Co. KG
- PVA TePla Analytical Systems GmbH
- TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
- Voith Composites GmbH & Co. KG
Weitere Forschungsinstitutionen
- Technische Universität München – Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (UTG)
Transferakteure
- Photonics BW e.V.
Smarte Druckguss-Strategien durch Machine Learning sowie innovative Fügeprozesse und Prüftechnologien für hybride Leichtbaukonstruktionen (Smart-LIGHT)
Aufgrund der steigenden Bedeutung von Ressourcen- und Energieeffizienz wird die branchenübergreifende Schlüsseltechnologie Leichtbau immer wichtiger. Ein wesentliches Ziel ist dabei, durch geeignete Auslegung und/oder Kombination unterschiedlicher Werkstoffe die Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen eines Bauteils bei minimalem Gewicht zu erfüllen. Dabei werden auch Kosten und Qualität berücksichtigt. Insbesondere innovative Fügetechnologien, mit denen sich unterschiedliche Werkstoffe in sogenannten Multimaterialverbunden kombinieren lassen, werden als game changer angesehen − im Fahrzeug- und Maschinenbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und weiteren Anwendungsgebieten.
Smart-LIGHT adressiert diese Herausforderungen unter anderem mit der Entwicklung serientauglicher zerstörungsfreier Prüfverfahren, beispielsweise mittels Röntgenstrahlung bei der Computertomographie (CT) und durch Ultraschallmikroskopie. Eine von Beginn an eingeplante Kombination mit Machine Learning-basierten Methoden erlaubt schnelle Qualitätsaussagen und damit verbunden Prozessoptimierung zur Herstellung von Druckgussbauteilen und hybriden Konstruktionen (z.B. Metallen mit faserverstärktem Kunststoff). Dies erfolgt in enger Kooperation mit dem Impulsprojekt . Auch neuartige Fügeverfahren zur Herstellung dieser hybriden Bauteile werden erforscht, so dass unter anderem eine Erweiterung der Einsatzgrenzen von Druckgussbauteilen möglich wird.
Intelligente Fügeprozesse und Leichtbau-Designs sowie qualitätssichernde Prüfverfahren für energieeffiziente Produkte (InDiMat)
Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie mit herausragender Bedeutung für Verkehr, Energieversorgung und Automatisierung in der Industrie. Im Vordergrund stehen Material- und Energieeffizienz. Zu den vielversprechendsten Leichtbauwerkstoffen gehören kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (auch carbonfaserverstärkte Kunststoffe, kurz CFK). Oft wird CFK als Multimaterialverbund mit breitem Anwendungsspektrum realisiert, zum Beispiel durch Verbindung mit Leichtmetallen und hochfesten Stählen. Auf kosteneffiziente, intelligente Verfahrensansätze für hybriden Leichtbau zielte das Impulsprojekt InDiMat ab. Dabei standen drei Verfahren im Fokus: Druckumgießen, thermisches Direktfügen sowie klebetechnisches Fügen von CFK mit Leichtmetallen zur Darstellung hochfester Multimaterialverbunde. Ergänzend wurden Simulationsmethoden zur Auslegung der Bauteile sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren weiterentwickelt, um mit dem Transfer der Fügeverfahren in die Partnerunternehmen und weitere Branchen gleichzeitig fertigungsbegleitende, qualitätssichernde Prüfverfahren zur Verfügung stellen zu können.
InDiMat
// Projektlaufzeit: 01.06.2017 bis 31.08.2021
Projektleitung
Prof. Dr. Lothar Kallien
Gießereitechnologie Aalen
Tel.: +49 (0) 7361 576-2252
lothar.kallien@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Wolfgang Rimkus, Technologiezentrum Leichtbau
- Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum
- Prof. Dr. Silvia Schuhmacher, Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik
- Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Unternehmen
- Alfred Härer GmbH
- Carbon-Werke Weißgerber GmbH & Co. KG
- DYNA more GmbH
- ELECTRONICS GmbH
- EMAG Automation GmbH
- Franke GmbH
- HAAS Metallguss GmbH
- Henkel AG & Co. KGaA
- IFO – Institut für Oberflächentechnik GmbH
- Oskar Frech GmbH & Co. KG
- PVA TePla Analytical Systems GmbH
- TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH
- Voith Composites GmbH & Co. KG
Weitere Forschungsinstitutionen
- Technische Universität München, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen
- Universität Ulm
Transferakteure
- Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg GmbH (Leichtbau BW)
- Photonics BW e. V.
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Explorative Projekte
Die explorativen Projekte im Bereich Leichtbau beschäftigen sich zum Beispiel mit der laserbasierten Oberflächenbearbeitung und -funktionalisierung für trennmittelfreien und damit ressourcenschonenden Druckguss oder mit dem Design hybrider Autobauteile, die im Falle eines Crashs die Sicherheit gewährleisten. Dabei kommen zur kraftflussgerechten Auslegung der Bauteile Simulationsmethoden und Strukturdesigns zum Einsatz, die sich die Natur zum Vorbild nehmen. Im querschnittlich über alle SmartPro-Anwendungsfelder angelegten, explorativen Projekt DiMa dagegen wurde im Bereich Leichtbau das Ziel verfolgt, die Stabilität von CFK-basierten Multimaterialsystemen zukünftig besser prognostizieren zu können. Hierzu wurden bildbasierte Machine Learning-Ansätze entwickelt, mit denen die mechanische Festigkeit der in den Systemen enthaltenen Klebeverbindungen vorhergesagt werden kann.
TRICLA // Topologieoptimierung hybrider Bauteile für den Automobilbau
01.03.2019 – 31.08.2020
Leichtere Bauteile mit hoher Stabilität und Sicherheit sind für den Automobilbau von großem Interesse. Zahlreiche Strukturbauteile in Autos, die bruchanfällig und bei einem Aufprall relevant sind, bestehen aus unterschiedlichen, miteinander kombinierten Materialien. Für solche sogennanten hybriden Bauteile ließen sich die gängigen Methoden zur Auslegung nicht hybrider Bauteile bisher nicht geeignet einsetzen und verknüpfen.
Ziel des Projektes TRICLA war daher die Entwicklung eines effizienten Workflows zur kraftflussgerechten Auslegung hybrider Strukturbauteile. Dazu wurden unterschiedliche Strukturoptimierungsmethoden sowie Simulationen kombiniert und die jeweiligen Materialeigenschaften und weitere Parameter berücksichtig. Zentraler Bestandteil war die dynamische Topologieoptimierung. Mit dieser Methode werden Bauteile nach bionischen Grundsätzen (nach dem Vorbild der Natur) und unter dynamischen Lasten konstruiert, wie sie z. B. bei einem Aufprall auftreten. So ließ sich in TRICLA am Demonstrator-Bauteil das Ziel erreichen, die eingesetzte Materialmenge signifikant zu reduzieren – bei gleichbleibender Performance des bruchanfälligen Bauteils.
- Projektleitung
Dr. Wolfgang Rimkus, Technologiezentrum Leichtbau
- Projektpartner
Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
SurfPlus // Laserstrukturierte Oberflächen für trennmittelfreies Druckgießen
01.04.2019 – 31.12.2020
Aluminium-Druckguss gewinnt für Leichtbau-Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Um beim Gießvorgang ein Anhaften des Bauteils an der Oberfläche des Druckgusswerkzeuges zu verhindern, sind bisher Trennmittel erforderlich. Ihr Einsatz ist jedoch kostenintensiv und kann zu Rissbildung und erhöhtem Verschleiß führen.
Das Projekt SurfPlus verfolgte daher das Ziel, ein innovatives trennmittelfreies Verfahren zu erarbeiten, das ein Anhaften des Aluminiumbauteils an das Werkzeug verhindert. Dazu wurde die Werkzeugoberfläche vor dem Gießvorgang mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung definiert strukturiert. Bei geeigneter Auslegung der Strukturen und Oberflächenvorbehandlung der Bauteile ließ sich die Auszugskraft, die zum Entfernen des Bauteils nach dem Gießen notwendig ist, im Vergleich zu konventionellen Prozessen ohne Laserstrukturierung und ohne Trennmittel reduzieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Laserstrukturen der mechanischen Belastung während des Gießprozesses standhalten. Mehrere Gießvorgänge waren ohne Anzeichen von Verschleiß möglich sind.
Laserbasierte Oberflächenfunktionalisierung hat das Potential, Aluminium-Druckgussverfahren ohne Trennmittel zu ermöglichen und somit Wirtschaftlichkeit wie Qualität zu steigern. Dadurch können neue Anwendungsfelder eröffnet werden, die insbesondere für die Automotive-Branche von großem Interesse sind.
- Projektleitung
Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum
- Projektpartner
Prof. D. Lothar Kallien, Gießereitechnologie Aalen
DiMa // Digitalisierungspotenziale der Materialforschung in SmartPro
01.10.2019 – 30.09.2020
Das Explorative Projekt DiMa wurde in vier Teilprojekten durchgeführt, deren Anwendungsschwerpunkt sich jeweils an einem Impulsprojekt orientierte. Dabei wurde die Methodenkompetenz von Machine Learning (ML) – Experten mit der Expertise in den weiteren Forschungsbereichen von SmartPro zusammengeführt. So konnten in interdisziplinären Ansätzen neue Forschungsinhalte zur passgenauen Weiterentwicklung von ML-Methoden für SmartPro generiert werden.
Die Teilprojekte waren jeweils einem Impulsprojekt zugeordnet und dienten als Ausgangpunkt für die Entwicklung des querschnittlich angelegten Impulsprojekts BEYOND mit dem Schwerpunkt Machine Learning.
MashMult (zugeordnet dem Impulsprojekt InDiMat) hat die Oberflächenbeschaffenheit klebetechnisch gefügter Multimaterialsysteme untersucht, die auf kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen basieren (auch carbonfaserverstärkte Kunststoffe, kurz CFK, genannt). Dazu wurden zunächst Daten mittels 2D- und 3D-bildgebender Systeme gesammelt. Anschließend wurden Machine Learning – Ansätze eingesetzt, um die mechanische Festigkeit der Klebeverbindungen zu prognostizieren.
- Projektleitung
Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik
- Projektpartner
Prof. Dr. Ulrich Klauck, Machine Learning and Data Analysis
Prof. Dr.-Ing. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum
SmartCycle // Smarte Recyclinglösungen für Zukunftstechnologien
01.05.2023 – 31.07.2025
Recycling und Kreislaufwirtschaft der Materialien in den drei in SmartPro erforschten Anwendungsfeldern (Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau) sind für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement unerlässlich. Im Fokus stehen Magnet- und Batterie- sowie Leichtbaumaterialien. Durch die Einführung effizienter Recyclingprozesse und die Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft können wertvolle Materialien und Rohstoffe zurückgewonnen werden. Dadurch werden die Notwendigkeit der Rohstoffgewinnung reduziert und die Umweltbelastung minimiert. Das Ziel des explorativen Projekts SmartCycle ist, neue Recyclingstrategien zu erforschen, Methoden weiterzuentwickeln und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in den drei SmartPro-Anwendungsfeldern anzuwenden. Dieses Projekt wird dazu beitragen, neue Akzente in der Recyclinglandschaft zu setzen und somit Ressourcen zu schonen, die Energieeffizienz zu steigern, und einen nachhaltigeren und umweltbewussteren Ansatz bei der Herstellung und Verwendung von Magneten, Batterien und Leichtbaukonstruktionen unterstützen.
Das Teilprojekt RecyLIGHT befasst sich mit der Rückführung von Hybridwerkstoffen, die häufig in Leichtbauanwendungen zu finden sind, in den Kreislauf durch mikrobielle Zersetzung an der Grenzfläche der verbundenen Materialien. Zu Beginn muss systematisch eine geeignete Grenzflächenstruktur für eine Verbindung zwischen Faserverbundkunststoff und Metall entwickelt werden. Mittels laserbasierter Oberflächenvorbehandlung sollen einerseits leistungsstarke Verbindungen in der Anwendungsphase garantiert und andererseits Zugang von Mikroorganismen zur biobasierten Matrix am End-of-Life ermöglicht werden, um diese gezielt abzubauen. Verschiedene Laserstrukturen und Aspekte der Fügeverbindung wie Temperatur, Druck, und Dauer werden hinsichtlich ihrer Einflussnahme auf die Abbaugeschwindigkeit bewertet.
- Projektleitung
Prof. Dr. Iman Taha, Lehrstuhl für Nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik
- Projektpartner
Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Prof. Dr. Harald Riegel, LaserApplikationsZentrum
KMU-Projekt
KorLe // Korrosionsprüfung für den hybriden Leichtbau
01.05.2019 – 31.10.2020
Das Projekt KorLe war auf die Entwicklung eines standardisierten Prozesses zur Korrosionsprüfung ausgerichtet, bei dem normkonforme Verfahren zur Analyse der Materialbeständigkeit zum Einsatz kommen. Hierzu waren im thematisch verwandten SmartPro-Impulsprojekt InDiMat Multimaterialsysteme auf Korrosionsbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit geprüft worden, die durch Fügetechnologien hergestellt worden waren.
Im Projekt KorLe standen die Charakterisierung und quantitative Auswertung der Materialschädigung im Fokus, z.B. durch Salzsprühnebel- und Schwitzwassertests oder auch UV-Bewitterung. Aussagen über die Schädigungsmechanismen und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften helfen dabei, bessere Testmethoden zu entwickeln, die verlässlich und schnell Vorhersagen über die zu erwartenden Schädigungen erlauben.
- Projektleitung
IFO - Institut für Oberflächentechnik GmbH
- Projektpartner
Prof. Dr. Volker Knoblauch, Institut für Materialforschung Aalen
Verwandte Projekte
Die Arbeitsgruppen des SmartPro-Netzwerks an der Hochschule Aalen führen neben den SmartPro-Projekten zahlreiche weitere Forschungsvorhaben durch. Darin werden oft verwandte Fragestellungen verfolgt, die thematischen oder methodischen Bezug zu SmartPro aufweisen.
SmartPro // FH-Impuls:
Starke Fachhochschulen – Impuls für die Region
Die Hochschule Aalen hat sich mit SmartPro bundesweit in der Spitzengruppe der Fachhochschulen positioniert. Sie wird als eine von zehn Hochschulen in der Fördermaßnahme FH-Impuls des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit rund 10 Millionen Euro für gut acht Jahre bis 2025 gefördert. Kernziele sind der nachhaltige Ausbau des regionalen Transfer- und Kooperationsnetzwerks, die Stärkung der Forschung und Innovationskraft. SmartPro leistet Beiträge zu gesellschaftlichen Herausforderungen wie Klimaschutz, Mobilität und Digitalisierung.
