Optimierungsbasierte Entwicklung von Hybridwerkstoffen
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01. Mai 2019
Start des Forschungsvorhabens HyOpt

In einem neuen interdisziplinären Projekt der Universität Paderborn wird die optimierungsbasierte Entwicklung von Hybridwerkstoffen erforscht. Langfristiges Ziel von „HyOpt“ ist es, den anforderungsgerechten Leichtbau mit verschiedenartigen Werkstoffen voranzutreiben. Dafür entwickeln die WissenschaftlerInnen eine Toolbox, die dem Design neuer Hybridwerkstoffe dient. Diese besteht aus einer Softwarelösung sowie aus smarten und anpassungsfähigen Fertigungsprozessen, die für die Herstellung der Werkstoffe notwendig sind. Letztlich wird damit auch die Weiterverarbeitung zu Leichtbaukomponenten ermöglicht. Das Vorhaben, das ein Volumen von rund zwei Millionen Euro hat, wird bis April 2022 vom Land NRW und der EU aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

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HyOpt

Optimierungsbasierte Entwicklung
von Hybridwerkstoffen

In einem neuen interdisziplinären Projekt der Universität Paderborn wird die optimierungsbasierte Entwicklung von Hybridwerkstoffen erforscht. Langfristiges Ziel von „HyOpt“ ist es, den anforderungsgerechten Leichtbau mit verschiedenartigen Werkstoffen voranzutreiben. Dafür entwickeln die WissenschaftlerInnen eine Toolbox, die dem Design neuer Hybridwerkstoffe dient. Diese besteht aus einer Softwarelösung sowie aus smarten und anpassungsfähigen Fertigungsprozessen, die für die Herstellung der Werkstoffe notwendig sind. Letztlich wird
damit auch die Weiterverarbeitung zu Leichtbaukomponenten ermöglicht. Das Vorhaben, das ein Volumen von rund zwei Millionen Euro hat, wird bis April 2022 vom Land NRW und der EU aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

CAE Prozess- und Methodenentwicklung

Leichtbau im Automobil. LiA

Im Rahmen der CAE Prozess- und Methodenentwicklung wird eine Software implementiert, welche eine optimierungsbasierte Entwicklung von maßgeschneiderten Hybridwerkstoffen ermöglicht. Der iterative Optimierungsprozess startet zunächst mit der beanspruchungsgerechten Werkstoffoptimierung, welche anschließend hinsichtlich der umformgerechten Herstellbarkeit untersucht werden. Die Werkstoffeigenschaften sollen dabei in Dicken- und Flächenrichtung so variiert werden, dass ein Optimum bezüglich der mechanischen Eigenschaften und Umformbarkeit erreicht wird. Die zuvor entwickelten Teillösungen werden zum Ende des Projektes in einer gesamtheitlichen Softwarelösung zusammengeführt – der „HyOpt App“.

 

Smarte Fertigungsprozesse

Umformende und Spanende Fertigungstechnik, LUF

Das Forschungsvorhaben HyOpt wird aus umformtechnischer Sicht in zwei Aspekte differenziert, die parallel betrachtet werden. Zum einen wird die Digitale Werkstoffentwicklung vorangetrieben, indem eine optimierungsbasierte Entwicklung von maßgeschneiderten Hybridwerkstoffen und die Erforschung von deren Umformverhalten mithilfe von numerischen Untersuchungen durchgeführt wird. Zum anderen wird die Experimentelle Werkstoffentwicklung in Form von Untersuchungen bezüglich der Hybridplatinen-Auslegung und der automatisierten Tape-Applikation vorangetrieben, um eine kosteneffiziente Hybridplatinen-Fertigung umzusetzen. Die Umsetzung dieser zwei Aspekte ist ein wichtiger Bestandteil zur Realisierung des Forschungsvorhabens im Hinblick auf die Entwicklung einer Softwarelösung zur bedarfsgerechten Gestaltung von neuen Hybridplatinen sowie wirtschaftliche Fertigungsprozesse.

 

Bildnachweis: Universität Paderborn, Besim Mazhiqiì.

Innovative Oberflächenflächenstrukturierung

Werkstoffkunde, LWK

Die Oberflächenstruktur der eingesetzten Halbzeuge hat einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Hybridwerkstoffen. Der Lehrstuhl für Werkstoffkunde führt experimentelle Studien für eine optimale und zeiteffiziente Oberflächenstrukturierung durch. Eingesetzte Methoden sind die Laserbehandlung, das Anodisieren verzinkter Bleche und das Sandstrahlen. Im Hinblick auf eine anschließende Umformung flacher hybrider Halbzeuge ist allerdings nicht in allen Bereichen eine maximale Haftfestigkeit der Stahl-Harz-Verbindung erwünscht. Die Gradierung der Oberflächenstruktur ist somit ein bedeutendes Element innerhalb dieses Forschungsvorhabens. Um die Grenzschichten zu modellieren werden deren Tiefenprofile untersucht und die mechanischen Eigenschaften charakterisiert. 

Umformtechnisch angepasste Klebstoff- und Gradientenentwicklung

Coatings, Material and Polymers, CMP

Der Arbeitskreis beschäftigt sich mit dem gezielten Einsatz von Klebstoffen, um die Eigenschaften des Halbzeuges lokal zu verändern, sodass nach der Umformung ein optimiertes Bauteil entsteht. Eine Herausforderung stellt die im Hybridwerkstoff vorhandene Grenzphase zwischen der metallischen Komponente und der Faserverbundkomponente dar. Gelöst werden soll dies durch die smarte Entwicklung von gestapelten Klebstofffolien in einem sogenannten „Fuzzy Boundary“-Ansatz. Mit Hilfe geeigneter Modifizierungsmaßnahmen, werden die Eigenschaften der beiden Komponenten, über eine gradierte Klebstoffschicht, aneinander angenähert. Im Fokus steht die Gradientenentwicklung mit geeigneten Füllstoffen und dessen Fixierung im Klebstoff. So kann eine Dickenstabilität im Bereich hoher Flächenpressung erreicht werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Modifikation des Matrixmaterials von Faser-Kunststoff-Verbunden in einem smarten Klick-Chemie-Ansatz. Diese Methodik kann einen Einfluss auf den temperaturgetriebenen Vernetzungsmechanismus nehmen und so die Fließeigenschaften des Matrixmaterials im Umformprozess gewährleisten und trotzdem für hohe Festigkeiten im Halbzeug sorgen. 

 

Technikakzeptanz hybrider Werkstoffe

Technik und Diversity, T&D

Im sozialwissenschaftlichen Schwerpunkt des Projekts geht es um Risiko- und Nutzenwahrnehmungen von sowie Vertrauen in neuartige Hybridwerkstoffe durch verschiedene gesellschaftliche Anspruchsgruppen. Im Rahmen von Diskussionsgruppen soll untersucht und analysiert werden, unter welchen Bedingungen neuartige Hybridwerkstoffe auf Akzeptanz oder Ablehnung in der Gesellschaft stoßen und welche Einflussfaktoren eine Rolle für die Beurteilung von Aspekten wie Sicherheit, Nützlichkeit, Nachhaltigkeit und Akzeptanz spielen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen zum einen in die technologische Entwicklung, zum anderen in gesellschaftliche Transferstrategien integriert werden.

Projektpartner

Publikationen

Besuche unseren Project-Log auf ResearchGate – einem weltweiten Netzwerk für Wissenschaftler und Forscher. Dort findest Du aktuelle Forschungsergebnisse, Journalbeiträge, Vorträge und Pre-Prints rund um die fünf Kernthemen des HyOpt Projektes.