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Exzellenzcluster MERGE
Forschungsfelder

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Die übergeordneten Interacting Research Domains (IRD) entsprechen den technologieorientierten Kerngebieten zur Untersuchung und Entwicklung von passiven und aktiven Leichtbaustrukturen. Abgeleitet sind die IRDs vom Forschungsfokus des Exzellenzcluster. Dieser beinhaltet das Verschmelzen von etablierten Schlüsseltechnologien für die Massenproduktion.


Halbzeuge und Preform-Technologien
Textil-/­Kunststoff­basierte Technologien
Integration von Mikro- und Nano­systemen
Interface Technologien, Interface Engineering
Modellierung, integrative Simulation und Optimierung

Halbzeuge und Preform-Technologien

Das Handlungsfeld IRD A befasst sich vorzugsweise mit der Verarbeitung von Textilien, Kunststoffen und Metallen in einem in-line Herstellungsprozess für großserientaugliche Anwendungen (Rolle-zu-Rolle). Das Forschungsprogramm inkludiert die Funktionalisierung von hybriden Strukturen, z. B. durch Einbindung verschiedener artefaktfrei wirkender Sensoren mittels modular verfügbarer Prozessschritte, die in die gesamte Fertigungslinie eingebaut werden können. Dabei werden Halbzeuge bzw. Preforms für die anderen kooperierenden Handlungsfelder zur Verfügung gestellt. Ein Schwerpunkt liegt in der Herstellung von multidirektionalen thermoplastischen Prepregs mit direkter Vor-Imprägnierung oder bionisch angeordneten Verstärkungsstrukturen im Tapelege-Prozess. Dabei können neben faserverstärkten auch unverstärkte Polymerschichten mit einem maßgeschneiderten Eigenschaftsprofil für hybride Strukturen verwendet werden. Durch die Fusion von bislang separaten Prozessschritten wird eine Minimierung der Handling- und Logistik-Komplexität erreicht, was gleichzeitig zu einer Reduzierung von Prozessschritten zur Herstellung hybrider Strukturen führt. Dadurch werden Taktzeiten verkürzt und Produktions- sowie Energiekosten gesenkt. Für eine durchgängig zu entwickelnde Prozesskette steht zum einen die Entwicklung einer erweiterten Faser-Folien-Band-Anlage (Fibre-Foil-Tape Unit – FFTU) und zum anderen eine neue kontinuierliche Orbitalwickeleinheit (continuous orbital wrapping – COW). Beide Technologien sollen für die Herstellung von maßgeschneiderten multiaxialen hybriden Bauteilen und Strukturen mit definierter Kombination aus metallischen, polymeren und textilen Bauteilen mit oder ohne Funktionalisierung verwendet werden. Die geplante Zusammenführung von derzeit separaten Technologien erfordert es, dass die Verfahren und Modellsysteme universell anwendbare Korrelationen beschreiben. Dazu müssen technologisch-spezifische Parameterkombinationen gefunden werden. Im Ergebnisse sollen Demonstratoren gefertigt werden, die für das gesamte Cluster exemplarisch zur Verfügung stehen. Hierzu sind Prototypen insbesondere für Rotorblätter (Wind Energy Rotor Blade – WERB), für das Chemnitz-Car-Concept (CCC) und für Förderbandeinheiten (Conveyor Complex – CCX) angedacht. Die Demonstratoren werden mit dem Anspruch der Reproduzierbarkeit und der energieeffizienten Herstellung simuliert und gestaltet. Hierbei finden prozesskompatible Sensitivitätsanalysen und Optimierungsalgorithmen ihre Anwendung.

Um die komplexen Anforderungen an Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit zu erfüllen, wird ein in-line Fertigungsprozess benötigt. Entsprechend der Zielsetzung von MERGE muss dieser Prozess variabel für die Bereitstellung von faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV), metallischen Folien oder funktionalen Schichten sein, indem dafür geeignete Spulengatter und entsprechende Prozessperipherien entwickelt werden. Die folgenden wissenschaftlichen Strategien finden sich innerhalb des Forschungsprojektes in den Teilprojekten wieder:

  • großserientaugliche Herstellung von hochfesten, hochsteifen hybriden Werkstoffverbunden
  • Bereitstellung von Konzepten für die in-line Fertigung von mehrschichtigen Verbunden aus Metall/Kunststoff und Metall/FKV für anschließende Umformprozesse
  • computergestütztes ingenieurwissenschaftliches Arbeiten (computational engineering) wird für die Entwicklung eines kontinuierlichen Orbitalwickelprozesses (COW Technologie) zur Herstellung von multiaxialen, gradierten Metall/FKV-Schichtstrukturen genutzt
  • kontinuierliche Herstellung von intelligenten hybriden Verbunden mit sensorischen Komponenten für strukturelle Zustandsüberwachungssysteme (SHM)
  • Untersuchung von Fließvorgängen, die eine Integration von separat bzw. kontinuierlich gedruckten elektronischen Funktionselementen in Halbzeuge und Preforms ermöglicht
  • Entwicklung von innovativen Materialkonzepten mit biologisch inspirierten Einlegern, basierend auf faserverstärkten Thermoplasten verknüpft mit Textiltechnologien
  • Anpassung des Herstellungsprozesses für textile thermoplastische Verbundwerkstoffe für eine optimale Gestaltung der Bauteilstrukturen mit bionisch inspirierten Strukturen
  • Entwicklung von Umformprozessen für endkonturnahe hybride Bauteile
Bild: In-line Prozess; Faser-Folien-Band-Anlage (FFTU); bedarfsgerechte Materialgestaltung
Bild: In-line Prozess; Faser-Folien-Band-Anlage (FFTU);
bedarfsgerechte Materialgestaltung
apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Daisy J. Nestler
Technische Universität Chemnitz
Professur Textile Kunststoffverbunde
IRD A1 Großproduktion von hochfesten, hochsteifen hybriden Materialverbundwerkstoffen
IRD A2 Wicklungstechnologie für mehrachsige, vermehrende Prepregs (MMP) und den durchgängigen kreisförmigen Verpackungsprozess
IRD A3 Entwicklung von bionischen, funktionellen Halbzeugen und physikalisch kompatiblen Hybridbauteilen
IRD A4 Durchgehende Herstellung von hybriden Bauteilen mit sensorischen und aktuatorischen Modulen für Zustandsüberwachungssysteme

Metallintensive Technologien

Innerhalb der hybriden Leichtbaustrukturen haben metallische Materialien zahlreiche Vorteile wenn es um die Übertragung von Belastung aus nächster Nähe und stabiles Verhalten bei Störungen geht.
Weiterhin sprechen die große Vielfalt an potenziellen Materialien und deren Charakteristiken, sowie ihre wirtschaftliche und ökologische Herstellung und Verarbeitung für metallische Bauteile.
Eine Kombination der Vorteile von Metall und FRP kann durch nachhaltige Verschmelzungstechnologien innerhalb des Herstellungsprozesses des Bauteils erreicht werden. Der Rahmen des Bauteiles und seine zukünftige Form, bevorzugt innerhalb weniger Schritte entwickelnd, kann vortheilhafterweise in nur einem Herstellungsschritt erreicht werden. Dennoch werden auf der einen Seite die Technologien für die Integration von Halbzeugen und Vorformen mit anschliessender Formgebung, und auf der anderen Seite die In-Situ Technologien für hybride Produktion und Formgebung in einem institutionellen Verfahren überprüft werden müssen. Um dieses Ziel zu erreichen wird der Fokus auf grundlegende metallische Strukturen wie Metallbleche und -profile, Metallschäume, -fasern und -leitern gelegt. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt darin durch die Verschmelzung von entsprechenden Verfahren eine rohstoffeffiziente und funktionale Integrationsstrategie (geometrisch, mechanisch, thermisch, sensorisch/aktuatorisch) zu finden, und dennoch die Eigenschaft der Großproduktion beizubehalten.

Die wissenschaftlichen Untersuchungen von rohstoffeffizienten Verfahren für hybride Leichtbaustrukturen basierend auf Metallgerüsten und deren Herstellungstechnologien, verfolgt die nachstehenden wissenschaftlichen Strategien des Forschungsprogramm in Teilprojekten:

  • Entwicklung von Sandwichbauten mit Metallschaum und Oberflächenschichten aus Faserverbunden
  • Integriertes Management von Prozessparametern für Metallschaum und Spritzgießen
  • Entwicklung eines modularen Werkzeugkonzepts mit integrierten Sensoren und Aktuatoren und außerdem Bestandteile für lokales Erkalten und Erhitzen um die lokale Stress- und Temperaturverteilung bei kunststoffbasiertem Hochdruckformen zu kontrollieren
  • Anpassung der thermischen und rheologischen Prozessparameter um Metallumformungen und Kunststoffspritzgießverfahren zu verbinden
  • Verbesserung der Prozessgrenzen bei Metallumformungen durch gesteigerten hydrostatischen Druck basierend auf integrierten Spritzgießprozessen
  • Planung von Evaluationsmethoden und Gestaltungsprozessen für hybride Bauteile
  • Weiterentwicklung von IT Werkzeugen für Wissensmanagement und Prozessplanung
  • Entwicklung von hochintegrierten 3D Textilen mit anpassungsfähiger Form und Steifigkeit, zusammengesetzt aus Drähten mit Formgedächtnislegierung, Textilfasern, und integrierter Elektronik und Sensoren. Die Problemlösungen und Methoden werden durch die Konstruktion, Simulation, Herstellung, und Untersuchung von Grundstrukturen und Demonstranten überprüft. Die ausgewählten Lösungen werden in den Systemdemonstrator CCC eingespeist und unter Fahrbedingungen getestet. Lösungen für die Sensorintegration werden im Systemdemonstrator WERB integriert. Die Forschungsarbeit in IRD B wird in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) durchgeführt.
Figure: Functional enhancement of metal-intensive technologies for manufacturing of hybrid metal/plastics composites; Metal or FRP deep drawing and creation of complex secondary design elements by injection molding
Figure: Functional enhancement of metal-intensive technologies for manufacturing of hybrid metal/plastics composites; Metal or FRP deep drawing and creation of complex secondary design elements by injection molding
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
IRD B1 Metallschaumleichtbaustrukturen verbunden mit faserverstärkten Kunststoffen
IRD B2 Umformtechnik basierend auf den Bertriebsmedien der In-Situ Herstellung von Metall/Kunststoff Strukturen
IRD B3 Integration von Überleitungsschichten und Herstellung von hochpräzisen funktionellen Oberflächen auf metallbasierenden Hybriden
IRD B4 Ressourcenschonende Verfahren für die Herstellung von Hybridstrukturen
IRD B5 Funktionale hybride Textilien mit passiven und aktiven Metallglühfäden

Textil-/­Kunststoff­basierte Technologien

Die anisotropischen Eigenschaften von textil-verstärkten Kunststoffbauteilen erlauben eine Kraftfluss kompatible Nutzung des außergewöhnlichen Leichtbaupotenziales mit hoher Dichte und Funktionalität, benötigen allerdings sowohl neue Technologien als auch komplexe Simulationen und Konstruktionsmethoden.
Um das volle Potential von Leichtbaustrukturen und ihrer spezifischen Stärke und Steifigkeit ausnutzen zu können, ist die Integration von metallischen Krafteinleitungssystemen unverzichtbar.
Die wechselnde Ausrichtung der Fasern in textilverstärkten Bauteilen und die bei der aufwändigen Herstellung entstehenden spezifischen Einschränkungen, verkomplizieren die kraftflusskompatible Konstruktion integrierter metallischer Bauteile in Bezug auf ihre maximale Strukturfestigkeit. Das selbe gilt für kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffbauteile mit Metalleinsätzen bei Spritzgießverfahren.
Mit der Entwicklung von integrativen Spritzgießverfahren in Verbindung mit In-Mould-Coating wurde ein wesentlicher Beitrag zu der Rohstoffreduzierung und dem Energieverbrauch geleistet, insbesondere in den Bereichen der faserverstärkten Kunststoffe (FRP) und Metall/Kunststoff Bauteile.
Doch auch wenn Strukturleichtbautechnologien für Bauteile mit Faserstruktur aus natürlichen Fasern oder biologisch abbaubaren Polymeren bereits zur Verfügung stehen, sollten Umweltbedingungen berücksichtigt werden.
Um die entwickelten Forschungsmethoden zu überprüfen, werden repräsentative grundlegende Bauteile und Demonstranten verwendet, mit einer zunehmenden Steigerung der Komplexität während des Projektverlaufes. Die bevorzugten Konstruktionen werden im integrierten Strukturleichtbaukomplex hergestellt, in den primären Systemdemonstrator, das Chemnitz-Car-Concept (CCC), eingesetzt und unter typischen Fahrzeugbeladungs- und Umweltbedingungen getestet.

Um den beabsichtigten spritzgießbasierten Herstellungsvorgang für die Produktion von multifunktionalen Leichtbaustrukturen in Hybridkonstruktionen realisieren zu können, sind die ausgewählten Forschungsmethoden der Teilprojekte mit den folgenden wissenschaftlichen Strategien notwendig:

  • Entwicklung von Methoden für das Verschmelzen von ähnlichen Funktionsprinzipien innerhalb des Spritzgießens von FRP/Metallleichtbaustrukturen und In-Mould Oberflächenfunktionalisierung
  • Optimierung der räumlichen Struktur und des Faserverbundes in lastflusskompatiblen textilen Vorformen, eingeschränkt durch das Einbetten von gespannten Fäden in Kunststoffbauteile
  • Mehrkomponentenspritzgußtechnologie für die In-Situ Kontaktierung und Kombination von aktiven Elementen mit Hilfe von elektrisch leitenden und isolierenden Thermoplasten
  • Zusammenführung von Spritzgieß- und Tapelegetechnologien für das Verpacken von miniaturisierten Elektronikeinheiten für die Herstellung von elektromechanischen Mikrosystemen
  • Entwicklung von hochgradig verstärkten multifunktionalen Hybridbauteilen und ihrem Fertigungsverfahren für die Herstellung von Leichtbauteilen aus Naturfasern mit biologisch abbaubaren Polymeren
  • Auswertung der prozessadaptierten, mechanischen Eigenschaften von physiologisch kompatiblen Textil-/Kunststoffbauteilen durch Beobachtung der anisotropischen Effekte

Um die zusammengestellten Ansätze und Methoden überprüfen zu können, müssen zahlreiche Grundbauteile konstruiert, hergestellt, und getestet werden. Während des Verlaufes des Clusters wird erwartet, dass sich die Komplexität der hybriden Leichtbaustrukturen und fusionierten Technologien schrittweise steigert. Während der Anwendungsphase werden die bevorzugten Konstruktionen in den primären Systemdemonstrator, das Chemnitz-Car-Concept (CCC) eingesetzt und ausführlich getestet.

Figure: In-situ processes, use of new injection moulding for combination of hybrid components with additional smart applications
Figure: In-situ processes, use of new injection moulding for combination of hybrid components with additional smart applications
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll
Technische Universität Chemnitz
Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung
IRD C1 MERGE Technologien mit Textil-/Metallbauteilen und funktionalen Oberflächen durch integrative Kunststoffspritzgießverfahren für den CCC Systemdemonstrator
IRD C2 Prozessverschmelzung von Metalldruckguss-/Kunststoffspritzgießtechnologien für Bauteile von Leichtbauförderanlagen
IRD C3 Großserientaugliche Herstellungstechnologie und Messdatenauswertung für sensorische Hybridlaminate
IRD C4 Flexible Textil-/Kunststoffverfahren mit erneuerbaren Rohstoffen
IRD C5 MERGE Technologien für physiologisch kompatible Textil-/Kunststoffbauteile durch anisotropische Effekte

Integration von Mikro- und Nano­systemen

Die Integration von mikroelektronischen Bauteilen in hybriden Strukturen erlaubt eine Funktionalisierung der Sensoren, Aktoren, und Elektronik und daher eine weitere Verbesserung der Leistung und Funktionsdichte in Hybridbauteilen.
Innovative und kontinuierliche Herstellungstechnologien für aktive Systeme die auf Mikro- und Nanoeffekten basieren bieten besondere Vorteile, die die Integration von funktionalen Elementen in Halbzeugen und Vorformen ermöglichen.
Es werden Methoden entwickelt werden für die Konstruktion und Integration von aktiven Umformelementen in Leichtbaustrukturen, um eine zuverlässige Integration von zusätzlicher Funktionalität zu verwirklichen. Das letzte Ziel ist es, den Bauteilen zu ermöglichen ihre spezifischen sensorischen und aktuatorischen Effekte vorführen zu lassen.
Erreicht wird dies durch eine Kombination aus In-Situ und Bandfertigungsvorgängen, einschließlich funktionalisierter textiler Schichten für die elektrische Kontaktierung im Spritzgießen und Massendrucktechnologien.
Durch eine gesteigerte Verwendung von FRP Bauteilen, um den Energieverbrauch in mobilen Anwendungen zu reduzieren, ist die Zustandsüberwachung dieser Leichtbaustrukturen von bedeutender Wichtigkeit.
Ein hochinnovativer Ansatz ist der der In-Situ Funktionalisierung während der Produktion durch die Verwendung von In-Mould-Coating Technologien und der Integration von auf Nanokristall basierenden Sensorfilmen. Die Integration von Umformern und Elektronik in beanspruchungsgerechten FRP Bauteilen benötigt neue Verbindungs-, Befestigungs-, und Gehäusetechnologien. Die Hauptforschungsziele sind die Leistung und Zuverlässigkeit der Signalübermittlung von hybriden Strukturen zu Sensoren und Aktoren, als auch die Energieversorgung und Datenreaktionsverbindung in Bezug auf kosteneffiziente Herstellungsprozesse.

Innerhalb des Umfangs dieses Forschungsbereiches werden Methoden für intelligente Strukturleichtbauten mit erhöhter Funktionsdichte entwickelt, und gemäß der BRE Strategie, ein hohes Maß an Ressourcenschonung vorgelegt, durch die Fusion und Optimierung von bereits erfolgreich existierenden, gekoppelten Prozessketten. Die Forschungsaktivitäten beziehen sich auf alle Aspekte solcher „intelligenten“ Textilleichtbaustrukturen und Systeme, inklusive Systemkonstruktion, Technologieentwicklung für die Integration von sensorischen und aktorischen Funktionalitäten, Stromversorgung und Kommunikation, als auch Zuverlässigkeitsuntersuchungen.
Deswegen sind die vier Teilprojekte (D1 bis D4) stark vernetzt und fokussieren sich auf die folgenden Forschungsgebiete:

  • Entwicklung neuer Konstruktionsmethoden mit den ihnen jeweilig zugeordneten In-Situ Technologien um die Integration von elektromechanischen Umformern in heterogenen Verbundkomponenten zu ermöglichen, und eine Konzeption von Modellen und Instrumenten für eine wirtschaftliche Beurteilung von Hybridtechnologien
  • Bandfertigungsherstellungsstrategien für das Integrieren von innovativen, folienbasierten Sensoren und Generatoren
  • Integration der Stromversorgung und Übertragung dieser Sensoren und Generatoren
  • Kommunikationsmethoden für Sensoren und Aktuatoren durch systemintegrierte Metawerkstoffe
  • Integration siliziumbasierter Sensorsysteme, als auch Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Fehlererkennung in FPR Bauteilen

Um die Ressourceneffizienz zu erhöhen, ist es notwendig das die sensorischen, aktuatorischen, und elektronischen Elemente bereits direkt während des Herstellungsprozesses integriert werden. Zusätzlich zu der Erforschung von Technologien um die werkstoffliche Einbindung von Siliziumsensoren zu ermöglichen, ist die Herausforderung das Verstehen und Kontrollieren von gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen dem Sensor und des Verbundwerkstoffes.
Als innovativer Ansatz im Beobachten von Lastzuständen in Leichtbaubauteilen, sollten folienbasierte Großsensoren in diese Strukturen eingebunden werden um einen Spannungszustand durch einen Farbwechsel zu visualisieren.
Die Einbindung von extrem kleinen Sensoren, Aktuatoren, und Geräten für die Datenverarbeitung und Kommunikation erleichtert innovative Anwendungen, benötigt allerdings auch neue Integrationskonzepte. Davon abgesehen sind Kraftübertragung und Kommunikation entscheidend in Bezug auf die hohe Dichte dieser Sensorknoten, welche wiederum die Entwicklung von neuen innovativen kabellosen Energie- und Informationsübertragungsmethoden notwendig macht.
Um ein höheres Level an Zuverlässigkeit sowie auch an niedrigeren Herstellungs- und Betriebskosten zu erreichen, werden Konzepte für die Auswertung des erreichbaren Profits in Zusammenhang mit den angewandten Ressourcen bereitgestellt.

Figure: In-situ Plastics Processes, Smart Systems Integration - Making preforms smarter by integration of new functionalities into hybrid structures
Figure: In-situ Plastics Processes, Smart Systems Integration - Making preforms smarter by integration of new functionalities into hybrid structures
Figure: In-situ Plastics Processes, Smart Systems Integration - Making preforms smarter by integration of new functionalities into hybrid structures
Prof. Dr. Prof. h.c. Thomas Otto
Technische Universität Chemnitz
Professur Mikrotechnologie
IRD D1 Entwurfsverfahren und -technologien für die Integration von elektronisch funktionalen Elementen in heterogenen Bauteilen
IRD D2 Technologien für die Verankerung folienbasierter Sensoren und Generatoren
IRD D3 Verfahrenstechnik für die Integration von Metamaterialien für Energieübertragung und Kommunikation
IRD D4 Technologien für die Integration von miniaturisierten Silizium-Sensorsystemen zur Fehlererkennung in Hybridbauteilen

Interface Technologien, Interface Engineering

Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffgruppen in funktionsoptimierten, hybriden Leichtbaukonstruktionen erfordert die Anwendung definierter Grenzflächenverbindungen, welche die gestellten Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit, Korrosion, Verschleiß, Alterung und andere Eigenschaften erfüllen.
IRD E dient als ein Querschnittsforschungsgebiet, in welchem grundlegende Wechselmechanismen für eine bestmögliche Kontaktflächenhaftung bei FKV, Polymer- und Metallverbundsystemen und deren Erscheinungen untersucht werden. In die Verbindungsfläche können herstellungs- und einsatzbedingt überhöhte Belastungen eingeleitet werden, daher liegt das Hauptziel der Entwicklungsarbeit auf der Realisierung einer hohen, interlaminarer Zug- und Scherfestigkeit. Eine geeignete Interfacekonstruktion wird durch den Einsatz chemischer oder mechanischer Oberflächenveränderungen und durch das Auftragen haftungsunterstützender Zwischenschichten entwickelt. Darüber hinaus wird für die Integration elektronischer und funktionaler Elemente in Bauteile mit punktuellen und flächigen Füge- und Kontaktiertechniken eine funktionalisierte Oberfläche benötigt, die eine Anbindung und beispielsweise elektrische Leitfähigkeit auf Kunststoff- oder FKV-Trägermaterialien ermöglicht.
Zuverlässige, energiearme Füge- und Kontaktierverfahren, die hohe mechanische Festigkeiten und temperaturstabile Verbindungen erzeugen, sowie Hochgeschwindigkeits-Fügeprozesse, müssen unter besonderer Berücksichtigung der Verarbeitungstemperatur und Handhabung entwickelt werden. Der Ausdehnungskoeffizient wird mittels Materialauswahl, Abstimmung der Grenzschichten und Justierung der Fügeverfahren bedarfsgerecht angepasst. Dadurch können während der Herstellung- und Betriebszeit entstehende Eigenspannungen hinreichend gehandhabt werden.

Die wissenschaftliche Herausforderung des IRD E ist es, das Interface – den Schwachpunkt des Verbundwerkstoffs - zu konstruieren, anzupassen, und zu gestalten. Die Kombination verschiedener Werkstoffklassen in Leichtbaustrukturen erfordert ein genau definiertes Zusammenspiel innerhalb der Grenzflächenverbindung auf der Mikro-, Meso-, und Makroebene. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Werkstoffe, in Abhängigkeit von den Prozessparametern, führen oft zu Eigenspannungen im Bereich der Verbindungsstelle, was zum Verzug des gesamten Verbunds führt. Um eine Langzeitverwendung von Polymer-Metallverbindungen zu ermöglichen, werden Monomere synthetisiert, welche geeignet sind zu polymerisieren und simultan kovalente Bindungen zu bilden. Dies wird durch die Zusammensetzung der Monomere kontrolliert, welche schwache chemische Bindungen enthalten, die durch die Wärme des Herstellungsprozesses reagieren (Spritzgießen oder Presstechnologie). In dieser Hinsicht wird besondere Aufmerksamkeit auf Lagerungsfähigkeit und Reaktivität gelegt.
Die Beurteilung des vorhandenen Interfaces erfordert geeignete Methoden auf Mikroebene, wie Nanoindentation, Röntgenbeugung, hochauflösende Mikroskopie und elektrochemische Verfahren. Lokale mechanische Eigenschaften werden durch angepasste Versuchsmethoden bestimmt. Die erhaltenen Daten bilden die Grundlage für die detaillierte Konstruktion und Anpassung der einzelnen Grenzflächenverbindungen. Um die Verwendbarkeit der neuen Hybridbauteile zu erweitern, müssen sowohl statische und die zyklische Belastbarkeit als auch das Bruch-/Delaminationsverhalten ermittelt werden. Dazu werden High-Cycle-Fatigue-Tests, Risswachstumsmessungen und Bruchzähigkeitsmessungen in angepassten Versuchsszenarien durchgeführt.
Um mittels Nanodruck niedrig schmelzende Lote auf temperatursensible Trägermaterialien auftragen zu können, muss der Einfluss von Partikelgrößen und Verteilungen von Nanoteilchen in Lötsuspensionen sowohl beim Druckprozess als auch bei dem anschließenden Lötprozess systematisch untersucht werden. Die Lote für den Fügeprozess funktionaler Elemente werden auf der Basis von Übergangsmetallkomplexen und organischen Bindemitteln (gefüllt mit Nanopartikeln) entwickelt.

Abbildung: Leiterbahn, gedruckt mit neuartigem Metall-Precursor
Abbildung: Leiterbahn, gedruckt mit neuartigem Metall-Precursor
Abbildung: Mikrostrukturierung von Kontaktflächen zur Verbesserung der Haftfähigkeit
Abbildung: Mikrostrukturierung von Kontaktflächen zur Verbesserung der Haftfähigkeit
Abbildung: Schematische Darstellung eines Ultraschall-Fügeprozesses
Abbildung: Schematische Darstellung eines Ultraschall-Fügeprozesses
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke
Technische Universität Chemnitz
Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik
IRD E1 Optimierung des Interface von metall- und polymerbasierten Herstellungsprozessen für lastkompatible Hybridbauteile
IRD E2 Interfacegestaltung für die Integration von mikro- und nanoelektronischen Systemen in hybride Bauteile

Modellierung, integrative Simulation und Optimierung

Das Hauptziel des interdisziplinären Querschnittsforschungsgebietes IRD F bildet die Simulation, Optimierung und Auslegung der multifunktionalen Leichtbaustrukturen, die Untersuchungsgegenstand des MERGE Clusters sind. Deren Bauteileigenschaften hängen entscheidend von den Herstellungsprozessen ab, weshalb die Prozessparameter nicht getrennt von den Randbedingungen der Auslegung betrachtet werden können. Aus diesem Grund werden bivalente Optimierungen durchgeführt, bei denen sowohl voll parametrisierte Simulationen des Herstellungsprozesses als auch die Berechnung der Betriebslastfälle des entstehenden Hybridbauteils zum Einsatz kommen. Die damit verbundenen gewaltigen Rechenlasten werden durch effiziente Datenmanagementtechniken und eine dezentralisierte Computerumgebung erleichtert. Darüber hinaus wird die Entstehung prozessinduzierter Eigenspannungen experimentell untersucht und in FE-Simulationen nachgestellt, um deren Einflüsse in die Auslegung der Hybridbauteile einfließen zu lassen. Die in IRD F entwickelten Methoden und Ansätze werden auf Grundlage der hybriden Systemdemonstratoren des MERGE Clusters überprüft und validiert.

Um die Hauptziele des IRD F realisieren zu können, werden folgende wissenschaftliche Strategien verfolgt:

  • Experimentelle Charakterisierung von Eigenspannungen
  • Analytische Auswertung der Eigenspannungen und deren Einfluss auf das Versagen des Materials
  • Weiterentwicklung der Fehlerschätzer und -indikatoren in einer adaptiven FEM-Umgebung
  • Formulierung konstitutiver Gleichungen zur Beschreibung verstärkter thermoplastischer Materialien unter Berücksichtigung von Phasenübergangseffekten, Anisotropie und Eigenspannungen
  • Aufbau einer voll parametrisierten FEM-Umgebung zur Simulation hybrider Strukturen
  • Bivalente Optimierungen mit hoch effizienten Rechenstrategien
Figure: Modelling, Integrative Simulation and Optimisation; Resource efficiency by goal-directed development and saving prototypes with the help of integrative simulation and simultaneous optimisation of manufacturing and design conditions
Figure: Modelling, Integrative Simulation and Optimisation; Resource efficiency by goal-directed development and saving prototypes with the help of integrative simulation and simultaneous optimisation of manufacturing and design conditions
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jörn Ihlemann
Technische Universität Chemnitz
Professur Festkörpermechanik
IRD F1 Adaptive hochpräzise Finite-Elemente-Methode für die Simulation von Hybridstrukturen durch fortschrittliche Stoffgesetze und Charakterisierungsmethoden
IRD F2 Multikriterielle Optimierung kombinierter Simulationen von Herstellungsprozessen und Bauteilen mit effizientem Datenmanagement und Parallelausführungen

Netzwerkbereich

Die Aufgaben des Netzwerkbereichs liegen in der interdisziplinären Unterstützung der Forschungsarbeiten in den einzelnen IRDs. Durch zielgerichtete interne Vernetzungsaktivitäten werden die Erkenntnisse aus den IRDs zusammengeführt, um somit existierende Technologien für die ressourcenschonende Massenproduktion für die Herstellung von Leichtbaustrukturen bereitzustellen. Neben den internen Aktivitäten ist die externe Vernetzung zur Industrie ein weiteres Ziel. Dadurch soll gewährleistet sein, dass die auf Grundlagenforschung basierenden Ansätze mittelfristig industriell nutzbar gemacht werden können.

Des Weiteren ist der Netzwerkbereich in den Aktivitäten des Roadmap Teams involviert, dessen Aufgabe es ist, die systematische Analyse, Planung und Priorisierung der eigenen Forschungsaktivitäten sowie das Analysieren internationaler Forschungstätigkeiten durchzuführen.

Schließlich wirkt der Netzwerkbereich daran mit, dass Forschungsergebnisse in geeigneter Form in die Entwicklung von Lehrinhalten der TU Chemnitz und hier insbesondere in das geplante PhD-Programm einfließen. Auf diese Weise wird die exzellente Ausbildung des Forschungsnachwuchses gesichert.

Abbildung: Integration des Netzwerkbereichs im Exzellenzcluster MERGE
Abbildung: Integration des Netzwerkbereichs im Exzellenzcluster MERGE