Die Trends der Elektrifizierung, Digitalisierung und Automatisierung führen zu einer Zunahme an Funktionen in Produktsystemen und damit zu einer Forderung nach neuartigen Konstruktionsprinzipien sowie Fertigungskonzepten. Heutige Produkte weisen immer mehr Funktionalitäten auf. Die Integration von zusätzlichen Funktionen bietet dabei die Möglichkeit zur Reduzierung des Gewichts sowie der Montageumfänge. Durch die Möglichkeit zur Applikation unterschiedlicher Werkstoffe innerhalb eines Bauteils, bietet die in der ersten Phase des Projekts fokussiert betrachtete Hybridbauweise großes Potential hinsichtlich einer Integration zusätzlicher Funktionen in Strukturbauteile. Neben der Steigerung der Bauteilperformance (bspw. Steifigkeit, Festigkeit oder Energieaufnahme) bei gleichzeitiger Reduzierung der Bauteilmasse und somit der Emissionen während der Nutzungsphase durch die Hybridbauweise bietet die Funktionsintegration weitere technische und wirtschaftliche Potentiale hinsichtlich einer integralen Gestaltung von Bauteilen durch die nicht mehr notwendige Montage und somit eine weitere Steigerung der Bauteilperformance. Diesen Potentialen steht jedoch eine Vielzahl an Herausforderungen gegenüber. Eine der zentralen Herausforderungen stellt die Trennbarkeit der zum Teil intensiven Materialmixe dar. Diese gewinnt aus ökologischen, aber auch durch immer strenger werdende gesetzliche Rahmenbedingungen ökonomischen Gesichtspunkten mehr und mehr an Bedeutung und bildet eine der zentralen Fragestellungen in der zweiten Phase des Projekts.
Im Rahmen der Circular Economy wird eine maximale Kreislauffähigkeit der Produkte bzw. der eingesetzten Materialien angestrebt. Neben der Verlängerung des Produktlebenszyklus spielt auch die Wiederverwendung von Produkten oder Teilkomponenten eine entscheidende Rolle. Die Ansätze müssen dabei allen technischen, ökologischen und wirtschaftlichen Anforderungen genügen. Dies führt zu einem Spannungsfeld insbesondere zwischen den Themen Funktionsintegration und Circular Economy. Die Planung bzw. Berücksichtigung unterschiedlicher Strategien ist deshalb essentiell für die nachhaltige Planung von Funktionsintegration. So sollten Ansätze der Funktionsintegration reparaturfähig oder robust sein, um die Lebenszeit des Produkts nicht zu verkürzen. Sollte dies nicht möglich sein, sind die Funktionen in Module zu integrieren, die austauschbar sind. Neben der Obsoleszenz durch einen Defekt können auch veraltete Komponenten, bspw. bezogen auf eine Gewisse Funktion, zu einem vorzeitigen Lebensende führen. Dieser Umstand kann auch hinderlich bei der Wiederverwendung bestimmter Module sein. So sollten bestimmte Funktionen nicht in langlebige/wiederverwendbare Module integriert werden.
Für eine solche Planung bedarf es grundlegender Kenntnisse über die Auswirkungen der Funktionsintegration auf das Bauteil bzw. auf die Funktion. Diese Eigenschaftsfrüherkennung bezieht sich sowohl auf allgemeine Aspekte (Wirtschaftlichkeit, Gewicht, Reparaturfähigkeit etc.) als auch auf spezifische Aspekte der jeweiligen Funktionsintegration (Korrosion, Wärmeentwicklung, EMV etc.). Da sich die Entwicklung eines funktionsintegrierten Bauteils häufig über unterschiedliche Domänen erstreckt (z.B. mechanisch, elektronisch/elektronisch, thermisch), bedarf es einer methodischen Unterstützung, um die Auswirkungen der Integration domänenübergreifend beurteilen zu können. Je nach Anwendungsfall ergeben sich sehr unterschiedliche Randbedingungen hinsichtlich der Umsetzbarkeit von Funktionsintegration in Verbindung mit Circular Economy. Maßgebliche Faktoren sind dabei die Produktlebenszeit, Losgrößen, Beanspruchungen während der Nutzung oder Einsetzbarkeit unterschiedlicher Materialien aus Nutzungsanforderungen oder Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Im Rahmend es Projekts werdend deshalb zwei sehr unterschiedliche Anwendungsfälle mit individuellen Herausforderungen betrachtet.
Die zweite Phase Projekts TechnoHyb wird im Rahmen des Forschungscampus „OHLF“ durchgeführt. Ziele des Forschungscampus sind die Untersuchung der Möglichkeiten zur Funktionsintegration in Vereinbarung mit dem Thema Circular Economy sowie die Konzeptentwicklung, Konstruktion und seriennahe Umsetzung ausgewählter Ansätze.
Im Hinblick auf die Grundlagen der Funktionsintegration ist das Ziel dieses Projekts, eine Analyse unterschiedlicher Arten bzw. Ebenen von Funktionsintegration sowie deren Kategorisierung durchzuführen. Hierfür wurden im Verlauf des Projekts bereits zahlreiche Ergebnisse erzielt, die im weiteren Projektverlauf vertieft sowie durch Aspekte der Circular Economy erweitert werden. Hierzu zählt insbesondere die wirtschaftliche Möglichkeit zur sortenreinen Trennung am Lebensende. Ergebnisse sind unter anderem verschiedene grundsätzliche Prinzipien zur nachhaltigen Umsetzung funktionsintegrierter Konzepte (z.B. lösbare Verbindungen zwischen funktionaler Komponente und Struktur). Aus den unterschiedlichen Prinzipien ergeben sich sowohl Potentiale, als auch Herausforderungen. Vor Auswahl geeigneter Lösungsansätze müssen diese wiederum individuell hinsichtlich vorausgewählter Zielkriterien (z.B. technisch, wirtschaftlich, ökologisch) bewertet werden. Hierbei ergeben sich für unterschiedliche Anwendungsfälle sehr unterschiedliche Ergebnisse. Diese Unterschiede sollen anhand der beiden Anwendungsfälle Flugwindkraftanlage und Mobile Ladesäule untersucht werden.
Maßgeblich für den Erfolg der umweltverträglichen Funktionsintegration ist dabei die grundsätzliche Nachhaltigkeit des Produkts in Bezug auf sortenreine Trennbarkeit. Diese soll grundlegend für beide Anwendungsfälle untersucht und ggf. verbessert werden. In diesem Zuge wird auch die Integration von Funktionen mit einbezogen. Da die einzelnen Bauteile bzw. Module eines Produkts heterogene Lebenszyklen aufweisen können, gilt es die Integration von bestimmten Funktionen auf diesen Umstand anzupassen. Weiterhin wird der Einsatz von Kunststoffrezyklaten für die Umsetzung der Integration untersucht. Die so gewonnenen Erkenntnisse münden in die Entwicklung, Fertigung und Prüfung mehrere Funktionsmuster bzw. Demonstratoren unterschiedlicher Detailtiefe, welche die verschiedenen Möglichkeiten der Vereinbarkeit von Funktionsintegration und Circular Economy aufzeigen sollen. Übergeordnetes Ziel ist es, die Erkenntnisse nicht nur auf die beiden Anwendungsfälle zu beziehen, sondern auf andere Produkte und Branchen übertagen zu können.
Als Abschluss des Projekts werden beide Anwendungsfälle miteinander verknüpft. Dabei fügen sich die individuellen Fragestellungen und Ziele der beiden Anwendungsfälle zu einer mobilen autarken Ladeinfrastruktur zusammen. So kann mit diesem Projekt eine wertschöpfende Brücke zwischen den zukünftigen Themen der automobilen Ladeinfrastruktur und der Energiewirtschaft aufgebaut sowie wichtige Transferarbeit zwischen den unterschiedlichen Anwendungsfeldern geleistet werden.
Bei Interesse an den aktuellen Projektergebnissen kontaktieren Sie uns gern.
Institut für Konstruktionstechnik der TU Braunschweig
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
Volkswagen Group Charging GmbH - Elli
Das Vorhaben TechnoHyb – „Prozess- und Werkzeugtechnologien für funktionsintegrierte hybride Bauweisen“ wird im Rahmen des Forschungscampus Open Hybrid LabFactory durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und durch den Projektträger Karlsruhe betreut.
