10 JAHRE AUTOMOTIVE CLUSTER RHEIN-MAIN-NECKAR

Transkript

1 10 JAHRE AUTOMOTIVE CLUSTER RHEIN-MAIN-NECKAR Jubiläumsveranstaltung, Ginsheim-Gustavsburg, 11. April 2013 Laudatio / Fachbeitrag Prof. Dr.-Ing Holger Hanselka Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Seite 1

2 INHALT 10 Jahre Automotive Cluster RheinMainNeckar Neue Mobilitätskonzepte Trends und Rahmenbedingungen Erweiterte Anforderungen durch neue Technologien in sicherheitsrelevanten Systemen/Komponenten Lösungsansätze / Beispiele Zusammenfassung Seite 2

4 Eine Erfolgsgeschichte im Herzen Deutschlands 10 Jahre Automotive Cluster RheinMainNeckar Jubiläumsveranstaltung 2013 Gastgeber: Bertrandt erstes Themenforum 2003 Gastgeber: Bertrandt heute 600 Mitglieder damals mit 70 Teilnehmern Erwartungen an ein Cluster/Netzwerk Stärkung der regionalen Wirtschaft Sicht der Politik Synergien und externale Effekte Sicht der Unternehmen kreativer Austausch Sicht des Ingenieurs Erfolgsfaktor Vernetzung Offenheit Projekte Menschen 10 Jahre Innovation durch Vernetzung Seite 4

5 Der AUTOMOBILSTANDORT Rhein-Main-Neckar Ausgangssituation 2003 Wirtschaft (Zulieferindustrie) Ansammlung FuE-intensiver interdiszipinärer Unternehmen im Automotive-Sektor OEMs große internationale Zulieferer Politik vor Ort geringe Vernetzung Hochschulen viele mittelständische hoch spezialisierte Zulieferbetriebe exzellente Forschungslandschaft über Kreis- und Landesgrenzen hinaus verteilt außeruniversitäre Forschung wenig vernetzt als attraktive AUTOMOBILREGION kaum sichtbar Seite 5

6 Automotive Cluster RheinMainNeckar Aus dem Bedarf geboren, am Bedarf orientiert von den Mitgliedern aus der Region getrieben nachhaltig gewachsen zielorientiert geleitet AC-Management Schirmherr Thomas Will, Landrat des Kreises Groß-Gerau Seite 6

7 Bausteine des ACRNM 15 Themenforen in 10 Jahren gezielter fachlicher Austausch auf Entscheiderebene 2003 Wertschöpfung in der gesamten Prozesskette Bertrandt 2012 Materialtechnologie für nachhaltige Produkte Umicore Seite 7

8 Bausteine des ACRNM Matchmakings, Workshops und Delegationsreisen Matchmakings 20-minütige 4-Augen-Gespräche IHK Darmstadt intern. Delegationsreisen gemeinsamer Auftritt im Ausland und Kontaktaufbau Vorträge/Workshops Wissensaustausch für Fachkräfte und Spezialisten Seite 8

9 Bausteine des ACRNM gemeinsamer Webauftritt automotive-cluster.org Plattform für: Austausch und Kontakt im Cluster starke Sichtbarkeit nach außen ca. 200 veröffentlichte Profile von Mitgliedern Seite 9

10 Bausteine des ACRNM Projektkreise Gemeinsames Arbeiten 4 Projektkreise rund um die Elektromobilität Beispiel Automation Entwicklung modularer Fertigungssysteme zur Herstellung von elektrifizierten und konventionellen Antriebsträngen Automation Nomaden-Fabrik Fachkräfte Recruiting, Messeauftritte Innovation Batterieladetechnik Projektmanagement Seite 10

11 Der AUTOMOBILSTANDORT Rhein-Main-Neckar Mehrwerte durch den Cluster 2013 Vernetzungsmöglichkeit im Automotive Cluster Wirtschaft (Zulieferindustrie) Plattform für synergetische Zusammenarbeit kreativer Nährboden für Innovationen Politik vor Ort Automotive Cluster Hochschulen breites und gebündeltes Angebotsspektrum für OEMs Möglichkeit zur Bearbeitung vernetzter Großprojekte durch viele kleine Zulieferer außeruniversitäre Forschung fokussierter Wissens- und Technologietransfer Sichtbarkeit über die Grenzen der Region hinaus Erreichbarkeit unter einer Adresse Seite 11

12 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Betriebshaushalt des LBF 2012 (Summe 27,3 Mio. EUR) Sonstige; 6,6% Interne Programme; 0,7% Institutionelle Förderung; 10,6% Öffentliche Projekte; 22,7% EU; 7,0% Industrie und Verbände; 52,4% Seite 12

13 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Fokus Automotive früheres LBF exp. / später num. Betriebsfestigkeit Transferzentrum Adaptronik funktionsintegrierter Leichtbau DKI-Integration maßgeschneiderte Kunststoffe ZSZe Systemzuverlässigkeit Elektromobilität Seite 13

14 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Kunststoffkompetenz durch Integration des DKI ins LBF Innovationspotenzial bei Polymeren ist sehr vielfältig (auch im Vergleich zu Metallen). Es gibt einen hohen Forschungsbedarf bei Kunststoffen, auch zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in diesem Bereich. Materialinnovationen bei Kunststoffen sind ein wichtiger Baustein LBF Themen Leichtbau, Funktionsintegration, Sicherheit und Zuverlässigkeit werden durch Kompetenzen im Bereich der Materialentwicklung von Kunststoffen schneller erreicht. Die um die Kunststofftechnik erweiterten Kernkompetenzen des LBF Betriebsfestigkeit, Systemzuverlässigkeit und Adaptronik erzeugen wechselseitige Anregungen. Seite 14

15 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Systemzuverlässigkeit Elektromobilität Betriebsfestigkeit bauteilgebundenes Materialverhalten Bauteilerprobung Betriebslastensimulation Adaptronik betriebsfester Leichtbau Funktionswerkstoffe Funktionsintegration Systemzuverlässigkeit umfassende Batterieprüfung Prüfung von Radnabenmotoren E-Ganzfahrzeugsimulation E-Ganzfahrzeugprüfung Seite 15

16 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Entwicklungspartner für die gesamte Wertschöpfungskette PEP maßgeschneiderte Werkstoffentwicklung adaptronisches (Elektro-)Ganzfahrzeug + + erweiterte Wertschöpfungskette Seite 16

17 Bedeutung des Clusters für das Fraunhofer LBF Prozessbegleitung im V-Modell Funktions- und Betriebsfestigkeitsnachweise Systemintegration Systemkonzeption Vorentwurf FuSi FMEA ASIL Domänenspezfische Auslegung (Mechanik, Elektromechanik, Elektronik und Software) Systemsimulation Controller- Entwicklung Prototyping HiL Werkstoffcharakterisierung Shaker-Tests für Elektronik u. elektromechanische Komponenten Seite 17

19 Megatrends der Mobilitätsindustrie Urbanisierung Fahrzeugbestand in den Mega Cities City Population (Million) Cars per 1000 (2009) Cars per 1000 (2025) Tokyo New York London Mexico City Shanghai São Paulo Buenos Aires Mumbai Bejing Delhi Moscow Guangzhou Seoul Quelle: Frost & Sullivan Seite 19

20 Megatrends der Mobilitätsindustrie Urbanisierung Verkehrsaufkommen in deutschen Ballungszentren Bedeutung von Städten als ökonomische Zentren und Wachstumsmotoren für die umgebenden Regionen Seite 20

21 Megatrends der Mobilitätsindustrie Entwicklungsbestimmende Fragestellungen seit 1990 Energie-Versorgungssicherheit erhöhen Lokale Emissionen reduzieren Emissionen von Treibhausgasen reduzieren Seite 21

22 Megatrends der Mobilitätsindustrie Energiemix in Deutschland seit 1950 Seit 2000 sind die erneuerbaren Energien die einzigen wachsenden Energiequellen Zunehmende Energiekostenverschiebung zu Gunsten erneuerbarer Energien 2000 Erneuerbare Kernenergie Erdgas Mineralöl Steinkohle Braunkohle Seite 22

23 Megatrends der Mobilitätsindustrie Energieträger Umwandlung und Speicherung Seite 23

24 Megatrends der Mobilitätsindustrie Leichtbau durch neue Konstruktionswerkstoffe [Quelle: Goede, Volkswagen, 2009] Foto: Abehn/wikimedia.org/cc-by-sa 3.0 Leichtbaupotenzial CFK-Bauweisen faserverstärkte Kunststoffe Kunststoff-Metall-Hybride neue Leichtmetall- Bauweisen AI-Strukturen Stahl-/Aluminiumbauweisen Stahlbauweise heute Optimierte Stahlstrukturen Großserienfähigkeit Seite 24

26 Neue Technologien, alte Fragestellungen (Teil-)Elektrifizierung und Leichtbau Seite 26

27 (Funktionsintegrierter) Leichtbau Erweiterte Herausforderungen an die Betriebsfestigkeit Foto: Abehn/wikimedia.org/cc-by-sa 3.0 Neue Konstruktionswerkstoffe in lasttragenden Strukturen Karosserie Fahrwerkskomponenten Räder Veränderte Gewichtsverteilung bei (B)EVs (Motoren und Batterien) Seite 27

28 Alterung/Korrosion von Kunststoffen Mechanische, thermische und chemische Belastungen Oxidation/Photooxidation führt zur Oberflächenschädigung mit Mikrorissbildung ( microcracks ), Photooxidation, erfordert wirksamen UV-Schutz (Lackierung mit speziellen UV-Absorbern) Eindringende Feuchtigkeit führt zu Weichmacherwirkung und Veränderung der mechanischen Kenngrößen, Wechsel feucht/trocken induziert Mikrorissbildung Korrosion von metallischen Verbindungselementen in Kontakt mit Kunststoff-Kompositen: Korrosionsschutz wichtig Seite 28

29 Neue Energiespeicher und -umformer Betriebsfestigkeit, Funktionale Sicherheit und Crashsicherheit Entwicklung von Tragstruktur/Schutzgehäuse für Energiespeicher und -umformer in Leichtbauweise Gewährleistung des sicheren Betriebs von Batteriepack/Brennstoffzelle und Tragstruktur Funktionale Sicherheit Automotive Safety Integrity Level (ASIL) Crashsicherheit Konzeptvalidierung Seite 29

30 Neue Brennstoffe Mechanisch-elektrochemische Komplexbeanspruchung Seite 30

31 (Teil-)Elektrifizierung von Antriebstechnologien Sicherheitsrelevante elektrische Verbindungen und Bordcomputer Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung werden elektrische (Steck)- Verbindungen und Leitungen zu sicherheitsrelevanten Bauteilen. Dabei sind sie mechanischen, thermischen und elektro-chemischen Belastungen ausgesetzt. Bedarf an neuen/erweiterten Methoden zur Prüfung und Risikobewertung Elektrifizierter Antriebstrang Systemzuverlässigkeit Funktionale Sicherheit Radnabenmotor X-by-wire Autonomes Fahren Seite 31

33 Systemzuverlässigkeit mit Schwerpunkt Elektromobilität ZSZ-e Themenfelder: experimentelle Systemzuverlässigkeit Prüfung* im ZSZ-e model-inthe-loop - Techniken numerische Simulation* Elektro- und Hybridfahrzeuge Energiespeicher Antriebsstrang elektro-mechanische Komponenten Entwicklung von Bewertungsmethodik * mit dem Fokus Systemzuverlässigkeit Seite 33

34 ZSZ-e Batteriesystemprüfung/Forschungsflotte Batteriesystemprüfung Entwicklung und Integration eines LBF-Lasterfassungssystem / Lastdatenaufnahme / Lastdatenanalyse Entwicklung geeigneter Prüfprozeduren Ableitung vereinfachter Prüfungen und Prüfrichtlinien Systemanalyse (Modul, Gesamtbatterie, Kühlsystem, BMS) E-Smart Benziner-Smart Nissan Leaf Artega GT Seite 34

35 Systemzuverlässigkeitsbetrachtung Methoden zur Analyse der funktionalen Sicherheit DIN/ISO 26262»Road vehicles Functional safety«für automobile elektrisch/ elektronische / elektromechanische Systeme Analyse der kritischen Fehlerfälle Gefährdungs- und Risikoanalyse Automobil-spezifischer Risiko-basierter Ansatz: ASIL ASILs beschreiben benötigte Sicherheitsanforderungen, um ein akzeptables Restrisiko zu erreichen FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) wird unterstützt durch MKS-Simulation des dynamischen Fahrzeugverhaltens Prüfstrecken-Messungen Fahrzeug mit Einzelradantrieb Bewertung von unbeabsichtigten Unterschieden zwischen linkem und rechtem Antriebsmoment Seite 35

36 Ganzfahrzeugsimulation MKS-Modellierung für Fahrdynamik- und Lastanalyse Einfluss neuer Komponenten z. B. Batterie / RNM auf Fahrdynamik? Optimierung von z. B. Einbaulage und Lagerung Welche Lasten wirken im Betrieb? Methoden zur Lasterfassung Auslegungsbasis für Lebensdaueranalyse und Systemzuverlässigkeitsanalyse Welche Auswirkungen haben Fehler? Grundlage für Sicherheitsbewertungen (ASIL, FMEA) Entwicklung einer sicheren und zuverlässigen Integrationslösung! Seite 36

37 (B)EV-Ganzfahrzeugprüfung Erweiterte Prüfmethoden für (Elektro-)Mobilität 25-Kanal Straßensimulator für die Ganzfahrzeugprüfung Längs- und Querfesselung zur Abbildung von längs- und querdynamischen Fahrmanövern Vom Smart bis zum Sprinter Auf besondere Anforderung von EV ausgelegt Konzepte zur Ganzfahrzeugerprobung von EV Ableitung und Iteration von EV- Fahrprofilen Seite 37

38 Prüfen von Radnabenmotoren Qualifizierung der Messtechnik für den Einsatz in Radnabenmotoren während des Betriebs zur Detektion von Dehnungen Luftspalt Temperatur Test des Radnabenmotors im WALT Experimentelle Verifikation der numerischen Vorhersagen Freiprüfung von Rädern für Radnabenmotoren Seite 38

39 Funktionsintegrierter Leichtbau Multifunktionales Batteriegehäuse Ziel: multifunktionales Design Synthese von Batteriegehäuse und Rahmen selbsttragende Struktur Ausgangspunkt: monofunktional Entwicklung: multifunktional Seite 39

40 Funktionsintegrierter Leichtbau CFK-Rad mit integriertem Radnabenmotor Zielsetzung: Entwicklung und Bau eines Kohlenstofffaserverbund (CFK) -Rades mit integriertem Elektromotor im Rahmen des Verbundprojekts Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität Kenndaten: 15 Rad (Gewicht ohne Motor: ca. 3,5 kg) Leistung des Elektromotors: 4 kw Vorteile: hohes Leichtbaupotenzial ausgenutzt ausgefallenes Design hohe Funktionsdichte (Funktionsintegration) Nutzung der besonderen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden Seite 40

41 Weiterentwicklung des CFK-Rades in FSEM2 Luftkühlung Durch innovatives Raddesign werden Radnabenmotor und Leistungselektronik beim rotierenden System optimal mit Kühlluft versorgt. Das Rad wird auf die Randbedingungen erhöhte reifengefederte Massen im Hinblick auf Masse, Steifigkeit und Festigkeit/Haltbarkeit entwickelt. Validierung der Kühlluftströmung erfolgt im Windkanal Absicherung von Funktion und sicherem Betrieb von Radnabenmotor und Rad auf dem Räderprüfstand Seite 41

42 Weiterentwicklung des CFK-Rades in FSEM2 Einsatz geregelter Systeme Radnabenmotoren erhöhen die reifengefederten Massen und verursachen erhöhte Lasten im Fahrwerk Einsatz geregelter Systeme Zur Reduktion der eingeleiteten Kräfte Erhöhung des Fahrkomforts Untersuchungen zum Potential aktiver bzw. semiaktiver Fahrwerkskomponenten im Hinblick auf Fahrdynamik und -komfort Konzeption und Umsetzung von geregelten Systemen Einbau in Gesamtbaugruppe Fahrwerk und Prüfung der Gesamtbaugruppe Seite 42

43 Weiterentwicklung des CFK-Rades in FSEM2 Bewertung der Gesamtbaugruppe Der multiaxiale Prüfstand dient als Erprobungsumgebung für das geregelte System. Untersucht wird der Einfluss der erhöhten reifengefederten Massen des Radnabenmotors auf die Dynamik und die Betriebsfestigkeit. Die Messergebnisse und die daraus abgeleitete Vorgehensweise können in Zukunft zur Abstimmung und Betriebsfestigkeitsbewertung von aktiven Fahrwerken für Radnabenmotoren genutzt werden. Seite 43

44 Aktive Lagerung eines PKW-Hilfsrahmens (BMBF FIEELAS) Ziel F_Hilf Regelung U_reg [V] U_reg [V] Verstärker U_akt [V] Dynamische Isolation eines Hilfsrahmens vom Fahrzeug F_Kar [N] p_luf tschall [Pa] erg_luft_xp Luftschall Projektvorgehen F_Kar [N] x_p_kar [m/s] Systemsimulation zur Konzeptfindung Karosserie x_p_kar [m/s] F_Kar [N] U_akt [V] Auslegung hochbeanspruchter aktiver Lager mit integrierten Piezoaktoren F_Anr [N] Anregung F_Hilf [N] x_p_hilf [m/s] Lager F_Hilf [N] x_p_hilf [m/s] F_Anr [N] x_p_anr [m/s] Hilfsrahmen erg_anr_xp1 Entwicklung mobiler, bordnetzkompatibler Leistungselektronik Aktive Kontrolle durch MIMO Feedforward System mit 4 Fehlersignalen (Beschleunigung / Schalldruck) und 2 Referenzsignalen am Hilfsrahmen Systemintegration von Regelung und Leistungselektronik Erprobung in Fahrversuchen und auf dem Rollenprüfstand Seite 44

45 Prüfen von Powerpins Einpressverbindungen Kalte Kontaktiertechnik: Verbindung zwischen äußeren Anschlüssen und Leiterplatte Verformung der Pinfeder Verformung der Leiterplattenhülse Funktionen: Transport von elektrischen Leistungen oder Strömen mechanische Fixierung der Leiterplatte Prepreg-Material (Faserverbundmaterial) Kupferhülse Zinnbeschichtung LP-Hülse Zinnbeschichtung Pin Nickelbeschichtung Kupferbasismaterial Bedingung: niedriger Widerstand Kritische Stelle: Fügestelle (Kontaktzone) Aufgabenstellung: Betriebsfeste Bemessung, damit über Lebensdauer die Funktionen der Verbindung gewährleistet sind. Seite 45

46 Prüfen von Powerpins Anwendungsorientierte Prüftechnik Temperaturwechsel am System thermomechanische Verformungen des Kunststoffgehäuses und der Leiterplatte axialer Weg z lateraler Weg y lateraler Weg x Auspresskraft F z F y Durchdrückkraft P = 10 % A F x laterale (x- und y- Richtung) und axiale Verschiebungen (z- Richtung) laterale und axiale Reaktionskräfte Seite 46

48 Zusammenfassung Steigende Preise für fossile Energieträger, steigende Verkehrsaufkommen sowie klimatische Veränderungen begründen einen Bedarf an neuen energieeffizienten, klimaschonenden Mobilitätstechnologien. Diese weitreichenden Anforderungen können nicht mit einer singulären Technologie erreicht werden, sondern erfordern interdisziplinäre Lösungen zu effizienten und sauberen Antriebstechnologien sowie funktionsintegrierte Leichtbaukonzepte. Hierbei werden elektromechanische Bauteile durch Integration in lasttragende Komponenten zu sicherheitsrelevanten (Sub-)Systemen, deren Betriebsfestigkeit/Systemzuverlässigkeit und funktionale Sicherheit nach neuen Methoden ausgelegt, geprüft und sichergestellt werden müssen. Genug Arbeit für weitere 10 Jahre Automotive Cluster Rhein- Main- Neckar! Seite 48

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer LBF Seite 49