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Das Handlungsfeld IRD A befasst sich 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 Fertigungslinie eingebaut werden können. Dabei werden Halbzeuge bzw. Preforms für die anderen kooperierenden Handlungsfelder zur Verfügung gestellt. Durch die Verknüpfung von bislang separaten Prozessschritten führen die synergetischen Effekte zur Minimierung der Fertigungszeit und Erhöhung der Funktionsdichte, wodurch maßgeblich zur nachhaltigen Material-, Energie- und Ressourceneffizienz beigetragen wird.

Zielstellung des IRD B ist die funktionale Erweiterung metallintensiver Technologien zur Herstellung hybrider Metall-Kunststoff-Verbunde. Die Motivation besteht darin, die Effizienz der Fertigungstechnologien für metallische Werkstoffe zu nutzen, um hybriden Bauteilen den Weg in die Großserie zu öffnen. Aufgabenschwerpunkte liegen in der Grundlagenerforschung für die Implementierung von Kunststoff, Textil- und Elektronikelementen durch Technologieintegration in effiziente Prozessketten für metallische Basisstrukturen. Formgebung und Funktionalisierung des Bauteils sollen dabei durch Technologiefusion, nicht durch isolierte Fügeprozesse in sich optimierter Baugruppen, erfolgen.

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe sind in der Schlüsseltechnologie Leichtbau von großer Bedeutung, da sie sich durch sehr hohe richtungsgebundene spezifische mechanische Eigenschaften auszeichnen und ein hohes Potenzial zur Funktionsintegration bieten. Zudem können die Verstärkungsfasern aufgrund der vielfältigen textilen Flächenbildungstechniken optimal an die herrschenden Belastungen angepasst werden.

Das Ziel, endlosfaserverstärkte Leichtbaustrukturen in großen Stückzahlen herstellen zu können, erfordert aber auch die Entwicklung effizienter thermoplastbasierter Kunststoffverarbeitungsverfahren wie etwa Spritzgieß- oder Presstechnologien mit der Integration von Textilverstärkungen. Neben der gleichzeitigen Verarbeitung mehrerer Kunststoffe lassen sich weitere metallische oder elektronische Komponenten im Verfahren in Bauteile integrieren, wodurch Hybridbauteile effektiv und ohne aufwändige Fügeverfahren hergestellt werden können. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist auch die Verwendung von Naturfasern sowie biobasierten oder bioabbaubaren Kunststoffen vorgesehen.

Um Leichtbaustrukturen viel intelligenter zu machen, werden im Forschungsbereich „D-Mikro- und Nanosysteme Integration“ Mikrosysteme, intelligente Sensoren, Aktoren und Elektronik integriert. Dabei stehen Themen der Technologieentwicklung für die Integration der Sensoren, Aktoren und Sensormaterialien in bestehende Fertigungsprozesse, sowie die Integration ihrer Stromversorgung, neuer Kommunikationsmethoden basierend auf der Integration von Metamaterialien in die Strukturen im Fokus der Arbeiten. Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Fehlererkennung komplettieren diesen Forschungsbereich.

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 Querschnittsforschungsgebiet, in welchem grundlegende Wechsel-mechanismen für eine bestmögliche Kontaktflächenhaftung bei FKV, Polymer- und Metallverbundsystemen untersucht werden. Das Hauptziel der Entwicklungsarbeit liegt auf der Realisierung hoher interlaminarer Zug- und Scherfestigkeiten, um herstellungs- und einsatzbedingt überhöhte Belastungen in die Verbindungsfläche einleiten zu können. Eine geeignete Interfacekonstruktion wird durch den Einsatz chemischer oder mechanischer Oberflächenveränderungen und durch das Auftragen haftungsunterstützender Zwischen-schichten entwickelt. Darüber hinaus wird für die Integration elektronischer und funktionaler Elemente mit punktuellen und flächigen Füge- bzw. Kontaktiertechniken eine funktionalisierte Oberfläche benötigt. Dadurch wird 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.

Das Hauptziel des interdisziplinären Querschnittsforschungsgebietes IRD F bilden die Simulation, Optimierung und Auslegung multifunktionaler Leichtbaustrukturen. Deren Bauteileigenschaften werden von den Parametern der Herstellungsprozesse beeinflusst. Dazu zählen u.a. prozessinduzierte Eigenspannungen, welche experimentell untersucht werden. In bivalenten Optimierungen werden sowohl voll parametrisierte Simulationen des Herstellungsprozesses als auch die Berechnung der Betriebslastfälle des entstehenden Hybridbauteils ganzheitlich betrachtet. Ein effizientes Datenmanagement und eine dezentralisierte Computerumgebung erleichtern die aufwendigen Berechnungen. Die in IRD F entwickelten Methoden und Ansätze werden auf Grundlage der hybriden Systemdemonstratoren des Forschungsclusters MERGE überprüft und validiert.