Digitale Methoden für die Entwicklung gewichtsoptimierter Fahrzeugstrukturen

Leichtere Fahrzeugstrukturen tragen zu einer umweltfreundlicheren Mobilität bei: Jedes eingesparte Kilogramm erhöht beim Elektroauto die Reichweite. Wiegt ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor 100 Kilogramm weniger, reduziert dies seinen Kraftstoffverbrauch um etwa einen halben Liter pro 100 Kilometer. Deshalb kommen im Fahrzeugbau zunehmend Leichtbauwerkstoffe wie Faserverbunde zum Einsatz. „Beim Leichtbau geht es generell darum, die jeweiligen Strukturen möglichst leicht zu machen und ihnen trotzdem eine hohe Tragfähigkeit zu verleihen“, sagt Luise Kärger. Hauptanwendungsgebiete sind der Flugzeug- und Fahrzeugbau, die Raumfahrt, Windenergieanlagen, aber auch Sportgeräte wie Fahrräder.

Faserverbundwerkstoffe kombinieren die Eigenschaften von hochfesten Fasern – zum Beispiel Kohlenstoff- oder Glasfasern – mit dem Matrixmaterial aus Kunststoff, in das diese eingebettet sind. Die Richtung der Fasern beeinflusst dabei die Festigkeit des Verbundmaterials und macht dieses nicht nur besonders leicht, sondern auch komplex und somit herausfordernd für die Herstellung und Auslegung von Bauteilen. „Digitale Methoden ermöglichen es, schneller bessere Lösungen zu finden, zum Beispiel, um Fasern so in der Matrix zu positionieren, dass sie Last optimal abtragen“, erklärt die Ingenieurin. Die Simulation ermögliche sehr schnell eine zuverlässige Vorhersage darüber, wie sich im Fertigungsprozess die lokale Struktur des Verbundmaterials einstellt und wie sie sich auf die Eigenschaften des Bauteils auswirkt. „Wir verbinden Grundlagenforschung mit anwendungsorientierten Entwicklungen“, betont Kärger. Die Forschung am FAST-LB ist eng verzahnt mit dem Bereich Polymer Engineering des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT und dem Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde des KIT. Im Leichtbaunetzwerk arbeitet das FAST-LB mit acht weiteren Instituten des KIT zusammen.

Das FAST-LB ist Teil der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft  geförderten Forschungsgruppe zur Entwicklung einer auf Künstlicher Intelligenz basierten Methodik für die schnelle Ertüchtigung unreifer Produktionsprozesse. In dieser Gruppe verbinden die Forschenden Daten aus Experimenten und physikalisch-basierter Simulation mit Verfahren des Maschinellen Lernens, um so neue Verarbeitungstechnologien für die Serienfertigung nutzbar zu machen. Das DFG-Graduiertenkolleg CoDiCoFRP (steht für: Integrated engineering of continuous-discontinuous long fiber reinforced polymer structures), an dem das FAST-LB ebenfalls maßgeblich beteiligt ist, bildet junge Ingenieurinnen und Ingenieure für die Entwicklung innovativer Leichtbautechnologien aus. Im Forschungsprojekt EcoDynamicSMC, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wird, ist das FAST-LB für die Prozess- und Struktursimulation zuständig und forscht in Kooperation mit den Projektpartnern zur ressourcenschonenden Herstellung von dynamisch belasteten, sicherheitsrelevanten Bauteilen aus Kohlenstofffaserverbund. (afr)

Der Presseservice des KIT stellt gerne den Kontakt zwischen den Medien und Prof. Luise Kärger her.

Fotonachweis:
Foto Leichtbaumaterialien: Simutence
Porträt Prof. Luise Kärger: Amadeus Bramsiepe, KIT