Intec und Z Intelligenter Leichtbau: Neueste Technologien marktfähig ausreizen

Autor / Redakteur: Ina Reichel / M.A. Frauke Finus

Eine Sonderschau und das Fachsymposium „Intelligenter Leichtbau“ stellen im Rahme der Intec und Z 2017 von 7. bis 10. März aktuelle Entwicklungen und Perspektiven einer branchenübergreifenden Schlüsseltechnologie vor.

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Schnell bewegte, schwingende Metallteile in Maschinen können durch leichtere und dennoch hochfeste Komponenten in Mischbauweise ersetzt werden, wie das Beispiel eines Positionierhebels für Verpackungsmaschinen in CFK-Aluminium-Ausführung zeigt, der von der Leichtbau-Zentrum Sachsen (LZS) entwickelt wurde.
Schnell bewegte, schwingende Metallteile in Maschinen können durch leichtere und dennoch hochfeste Komponenten in Mischbauweise ersetzt werden, wie das Beispiel eines Positionierhebels für Verpackungsmaschinen in CFK-Aluminium-Ausführung zeigt, der von der Leichtbau-Zentrum Sachsen (LZS) entwickelt wurde.
(Bild: LZS)

Das Streben nach Leichtbau ist nicht neu. „Seit der Mensch technische Produkte erzeugt, denkt er über deren Optimierung nach. Dabei stellt sich immer die Frage, wie viel Aufwand kann und wie viel will er dafür betreiben. Das Können wird durch die Möglichkeiten und Werkzeuge definiert, die heute natürlich um ein Vielfaches größer sind als in der Vergangenheit. Die Bereitschaft zur Umsetzung ist dagegen durch den Markt, aber auch durch den Gesetzgeber bestimmt. Insofern stellt intelligenter Leichtbau einen Kompromiss dar, der Gewichtsreduktion in Kombination mit höherer Funktionalität marktfähig auszureizen versucht“, erläutert Prof. Andreas Büter.

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Der Sprecher der Fraunhofer-Allianz Leichtbau wird am 7. März 2017 einen Keynote-Vortrag zur Eröffnung von Sonderschau und Fachsymposium „Intelligenter Leichtbau“ halten, die im Rahmen des Leipziger Messedoppels Intec und Z vom 7. bis 10. März 2017 stattfinden. Er präsentiert das Thema beispielhaft an der Leichtbaukonstruktion eines Querlenkers, der durch die Verwendung von Faserverbundmaterialien um bis zu 45 Prozent leichter ist und dessen Zustand von einem integrierten Structural-Health-Monitoring-System (SHM) überwacht wird. Damit ist bei deutlich minimiertem Gewicht eine betriebssichere Auslegung dieses Sicherheitsbauteils gegeben. Das auf faseroptischen Sensoren basierende SHM-System ermöglicht ein Loadmonitoring und weist auf Verschleiß, Ermüdung und Schäden der Struktur hin. Eine Sammlung der realen Lastdaten macht darüber hinaus eine lastgerechte Auslegung zukünftiger Querlenker auf Basis angepasster Methoden der Betriebsfestigkeit möglich.

Mitdenkende Strukturen und Werkstoffe

Wie smarte Textilien den Einsatz leichterer und dennoch sehr sicherer Materialien und Elemente im Maschinen- und Anlagenbau, im Fahrzeugbau sowie in vielen weiteren Branchen unterstützen, ist ein Schwerpunkt von Sonderschau und Fachsymposium „Intelligenter Leichtbau“. Wissenschaftler des Fraunhofer-Forschungszentrums „Systeme und Technologien für textile Strukturen“ (STEX) Chemnitz werden aktuelle Möglichkeiten zur Funktionsintegration textiler Sensorik in Leichtbaustrukturen vorstellen. „Wir nutzen etablierte großserienfähige Technologien wie das Sticken oder Weben, um sensorische Drähte, Verstärkungsfasern oder Funktionsgarne in ein Textil einzubringen. Damit wird die textile Fläche bereits während ihrer Herstellung funktionalisiert und steht als Halbzeug für eine kunststofftechnische Weiterverarbeitung zur Verfügung, ohne zusätzliche Prozessschritte für das Anbringen externer Sensoren auszuführen“, beschreibt Michael Heinrich, Gruppenleiter Smart Textiles, und macht auf einen weiteren Vorteil dieses Vorgehens aufmerksam: „Damit können wir die Sensorik ohne Umwege direkt an die Stelle bringen, an der eine physikalische Größe gemessen werden soll, zum Beispiel die Temperatur, die Feuchte, der Füllstand oder die Dehnung einer Struktur.“ Dehnungssensoren überwachen bereits den Zustand von Rotorblättern an Windenergieanlagen. Sie können sowohl Schädigungen voraussagen als auch zur optimierten Einstellung des Rotorblatt-Drehwinkels für einen maximalen Energieertrag aus dem Wind beitragen. Die STEX-Wissenschaftler arbeiten außerdem an einer Füllstandssensorik, die direkt in eine Tankwand integriert wird und den Füllstand zum Beispiel in Wischwasserbehältern anzeigt, sowie an Sensorsystemen, die den Zustand von Betonstrukturen überwachen.

Auf die Herausforderungen und Perspektiven bei der Integration smarter Textilien in Leichtbaustrukturen wird Michael Heinrich in seinem Vortrag am 8. März eingehen. Er ist Bestandteil des Forums Textilien und Smart Structures im Rahmen des Fachsymposiums zur Sonderschau „Intelligenter Leichtbau“ auf der Intec und Z 2017. „Die textiltechnologische Einbettung kleinster Leiterplatten für die elektrische Verbindung der Sensoren erfordert spezielle Kontaktierungsverfahren. Automatisierte Technologien dafür haben wir schon sehr weit entwickelt. Die Prozesse müssen jedoch noch robuster werden“, nennt der Experte für Strukturleichtbau eine Herausforderung. Eine weitere betrifft die verlustfreie Sensorsignalverarbeitung über größere Entfernungen, zum Beispiel einem 40 m langen Rotorblatt.

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Perspektivisch sieht Michael Heinrich auch bei Leichtbaustrukturen noch Potenzial zur Gewichts- und Kostenreduktion. Das betrifft etwa Fahrzeugkarosserien aus CFK, die derzeit noch überdimensioniert sind, um höchstmögliche Crashsicherheit zu gewährleisten. Mit der Integration von Sensorik in die Karosserie kann der Materialeinsatz in Grenzen gehalten werden. Der Wissenschaftler rechnet hier in circa fünf bis zehn Jahren mit sicheren Applikationen.

Mischbauweise steigert Effizienz in Verpackungsmaschinen

Intelligenter Leichtbau hat viele Facetten. Multi-Material-Design ist eine davon. „Bei Mischbauweisen können Konstrukteure für jedes Bauteil den Werkstoff verwenden, der bei möglichst geringem Gewicht die geforderten Parameter am besten erfüllt. Im Fahrzeugbau wird dieser Weg schon seit längerem beschritten. Im Maschinen- und Anlagenbau eröffnet sich noch viel Potenzial, speziell für schnell bewegte, schwingende Teile“, betont Dr. Thomas Heber, Geschäftsführer der Regionalabteilung CC Ost des Carbon Composites e.V. (CCeV). Er verantwortet zum Fachsymposium das Forum Multi-Material-Design am 8. März und wird unter anderem einen Vortrag präsentieren, der eine Effizienzsteigerung durch hybriden Systemleichtbau in Verpackungsmaschinen zum Thema hat. Kai Steinbach von der Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH stellt einen faserverstärkten Positionierhebel vor, der in einer Verpackungsmaschine eine Metallausführung ersetzt. Mit dem CFK-Aluminium-Hebel wird nicht nur Masse minimiert, sondern zugleich die Leistungsfähigkeit der Anlage gesteigert, da das neue Bauteil höhere Geschwindigkeiten bei geringerer Schwingung zulässt.

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Weitere Vorträge in diesem Forum werden unter anderem von Vertretern der KVB Institut für Konstruktion und Verbundweisen gGmbH sowie der Qpoint Composite GmbH gehalten und befassen sich mit faserverbundintensivem Multi-Material-Design für den Maschinen- und Anlagenbau und mit innovativen Composite-Werkzeugtechnologien für Automobilbau, Luft- und Raumfahrt. „Dem Werkzeug kommt bei der Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffkomponenten eine entscheidende Rolle zu, um den Fertigungsprozess wirtschaftlich erfolgreich zu gestalten. Die Entwicklung von Werkzeugsystemen für Faserverbund-Mischbauweisen und die Bündelung der in Mitteldeutschland vorhandenen Kompetenzen sind ein wichtiges Arbeitsfeld im CC Ost, das wir auch in Leipzig präsentieren werden“, so Dr. Thomas Heber.

Ebenfalls im Forum vertreten ist der Schweizer Composites-Spezialist Connova, der seit kurzem eine moderne Produktionsstätte in Sachsen betreibt. Jens Kählert von der Connova Deutschland GmbH wird zum Thema „CFK und Metall – Multimaterialeinsatz im Maschinenbau“ sprechen.

Leichtbaustrukturen unter Stress

Neue Leichtbaumaterialien und -bauweisen erfordern angepasste Methoden zum Nachweis ihrer Betriebsfestigkeit. Deshalb widmet sich ein Forum des Fachsymposiums am 10. März der Bauteil- und Prozesssimulation sowie Prüfung. Ein Akteur in diesem Bereich ist die Nordmetall GmbH. Das Unternehmen hat sich auf die neuen Anforderungen eingestellt und auf die Hochgeschwindigkeitscharakterisierung von Werkstoffen und Komponenten spezialisiert. Ein weiteres Feld ist die numerische Simulation neuer Werkstoffe, Werkstoffverbunde sowie von Fügetechnologien unter komplexen Belastungen. Geprüft werden metallische Werkstoffe, Kunststoffe, Faserverbunde, Keramiken sowie Bio-Materialien. Das 2009 aus der TU Chemnitz ausgegründete Unternehmen stellt seine Leistungen auf der Sonderschaufläche und zum Symposium vor. „Leichtbaustrukturen unter Stress – von der Probe bis zum Bauteil“ lautet hier der Titel.

Weitere thematische Schwerpunkte des Fachsymposiums sind die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen am 7. März sowie der metallische Leichtbau und die Industrialisierung von Leichtbaulösungen am 9. März. „Mit dem gebotenen Spektrum greifen wir Herausforderungen und Entwicklungen des intelligenten Leichtbaus passend zu den Branchen auf, die in den Ausstellungen von Intec und Z dominieren. Wir werden dabei von einem Programmbeirat mit Experten aus Industrie und Forschung unterstützt, die gewährleisten, dass hier die aktuellen Themen der Querschnittsdisziplin gesetzt sind“, verweist Kersten Bunke, Projektdirektorin der Intec und Z, auf die strikte Praxisorientierung von Sonderschau und Fachsymposium.

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