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Funktionsintegrierter Leichtbau
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Funktionsintegrierter Leichtbau

Leichtbau kommt durch zunehmende Restriktionen hinsichtlich des CO2-Ausstoßes und den immer höheren Systemgewichten von Fahrzeugen eine zunehmende Bedeutung insbesondere in der Automobilindustrie zu. Hinsichtlich dieser Herausforderung stoßen herkömmliche Werkstoffe, wie Stahl, an ihre Grenzen, sodass Leichtbauwerkstoffe, wie Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV), immer mehr an Bedeutung gewinnen. Aufgrund der noch hohen Kosten und schlechten Umweltbilanz der Fertigung insbesondere von CFK ist die Hybridbauweise von Interesse, die unterschiedliche Materialien in einem Bauteil miteinander kombiniert. So lassen sich Leichtbauwerkstoffe anwendungs- und lastgerecht gezielt an den notwendigen Stellen einsetzen und somit Kosten reduzieren. Eine zentrale Herausforderung bei der Anwendung der Hybridbauweise bleibt jedoch die im Vergleich zu Stahlbauweisen in der Regel immer noch ansteigenden Kosten. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien alleinig zur Gewichtsreduzierung schöpft zudem das Potential der zur Verfügung stehenden Eigenschaften nicht annähernd aus.

Funktionsintegration als Methode

Eine Möglichkeit dieser Herausforderung zu begegnen, ist die Integration zusätzlicher Funktionen mithilfe der Hybridbauweise. Durch den Einsatz mehrerer Materialien innerhalb eines einzigen Bauteils mit unterschiedlichen und zum Teil entgegengesetzten Eigenschaften bietet die Hybridbauweise großes Potential zur Integration dieser Funktionen auch in strukturelle Bauteile. Beispiele hierfür sind das Leiten und Isolieren von elektrischem Strom durch den Einsatz von Metallen und Kunststoffen oder die Integration funktionaler Komponenten in Kunststoff-Spritzguss. Zum einen lässt sich durch funktionsintegrierten Leichtbau das Gewicht weiter reduzieren, zum anderen entfallen zusätzliche Bauteile oder Komponenten, wodurch Kosten und insbesondere Montagezeiten gesenkt werden können. Zusätzlich eröffnet die Funktionsintegration durch den Wegfall von Montageschritten und der dafür notwendigen Zugänglichkeiten völlig neue Möglichkeiten zur integralen Gestaltung von Baugruppen. Die damit verbundenen sekundären Potentiale können die zuvor genannten Potentiale nochmals signifikant steigern.

Funktionsintegration am Beispiel differentialer- und funktionsintegrierter Bauteile

Die Umsetzbarkeit der Funktionsintegration hängt stark von den eingesetzten Materialien, deren Anordnung zueinander und somit der grundlegenden Bauweise ab. Zusätzlich lassen sich unterschiedliche Strategien oder Grade der Funktionsintegration unterscheiden. Der richtige Weg hängt dabei sehr stark vom spezifischen Anwendungsfall ab. So können Lösungen, die für einen Anwendungsfall großes Potential bieten für einen anderen gänzlich ungeeignet sein. Zudem reicht eine Fokussierung auf strukturelle Eigenschaften und der Einsatz klassischer Bauweisen bei der Entwicklung funktionsintegrierter Bauteile nicht mehr aus. Es bedarf vielmehr einem Umdenken in der Bauteilentwicklung und einer Berücksichtigung der Möglichkeiten von Funktionsintegration vom ersten Konzept an. Dieser zunehmenden Komplexität der Bauteilentwicklung muss dementsprechend Rechnung getragen werden.

Funktionsintegriertes Bauteil nach Fröhlich

Diesen Fragestellungen widmet sich die Arbeitsgruppe Digital Engineering im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungscampus „Open Hybrid LabFactory“ und untersucht dabei unterschiedlichste Ansätze für einen wirtschaftlichen und multifunktionalen Leichtbau. Neben der Neukonzeption und -konstruktion spezifischer Hybridbauteile mit Fokus auf Funktionsintegration werden auch bauteilunabhängige Ansätze erarbeitet. Ziel ist dabei die Kategorisierung und Bereitstellung allgemeiner Strategien und Umsetzungsmöglichkeiten für Funktionsintegration, die auf unterschiedlichste Anwendungsfälle übertragen werden können. Aufgrund der zunehmenden Komplexität bei der Entwicklung multifunktionaler Bauteile, stellt die Entwicklung und Bereitstellung methodischer Hilfsmittel einen zentralen Baustein unserer Forschung dar. Somit kann die AG Leichtbau und hybride Bauweisen den gesamten Konstruktionsprozess multifunktionaler Bauteile begleiten.

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