Potentiale von Funktionswerkstoffen und Funktionsintegration für den Faserverbundleichtbau

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1 DLR.de Folie 1 Potentiale von Funktionswerkstoffen und Funktionsintegration für den Faserverbundleichtbau 6. Nano und Material Symposium Niedersachsen November 2013, Hannover Dr.-Ing. Peter Wierach Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

2 DLR.de Folie 2 Übersicht Das DLR im Überblick Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Beispiele für Funktionsintegration auf verschiedenen Ebenen Zusammenfassung und Ausblick

3 DLR.de Folie 3 Übersicht Das DLR im Überblick Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Beispiele für Funktionsintegration auf verschiedenen Ebenen Zusammenfassung und Ausblick

4 DLR.de Folie 4 DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Aufgaben Forschungseinrichtung Raumfahrt-Agentur Projektträger

5 DLR.de Folie 5 DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Forschungsbereiche Luftfahrt Raumfahrtforschung und -technologie Verkehr Energie

6 DLR.de Folie 6 DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Standorte und Personal Circa Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 32 Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten. Stade Hamburg Bremen Trauen Berlin Braunschweig Neustrelitz Büros in Brüssel, Paris und Washington. Jülich Köln Bonn Göttingen Lampoldshausen Stuttgart Augsburg Oberpfaffenhofen Weilheim

7 DLR.de Folie 7 Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Hochleistungsleichtbau anpassungsfähig effizient tolerant Direktor: Prof. Dr.-Ing. Martin Wiedemann Stellv. Direktor: Dr.-Ing. Peter Wierach

8 Folie 8 Wir entwerfen und realisieren anpassungsfähige, effizient gefertigte und tolerante Leichtbausysteme. Unsere Forschung dient dem konsequenten Leichtbau der Kosteneffizienz der verbesserten Funktionalität dem erhöhten Komfort der Umweltverträglichkeit

9 DLR.de Folie 9 Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Abteilungen Multifunktionswerkstoffe Strukturmechanik Funktionsleichtbau Faserverbundtechnologie Adaptronik Verbundprozesstechnologie

10 DLR.de Folie 10 Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Schwerpunkte Rumpftechnologien Hochauftrieb Spezialstrukturen Weltraum Verkehr Windenergie

11 DLR.de Folie 11 Übersicht Das DLR im Überblick Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Beispiele für Funktionsintegration auf verschiedenen Ebenen Zusammenfassung und Ausblick

12 DLR.de Folie 12 Forschungs Schwerpunkte Funktionen Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Schwingungsreduktion De-/Anti-Icing Aktive Strömungskontrolle Lärmreduktion Energiespeicher Brandschutz Strukturüberwachung Antennen SHM Blitzschutz Formvariabiliät Elektrische Erosionsschutz Beleuchtung (Morphing) Leitfähigkeit Aktorik Krafteinleitung/Kraftfluss Sensorik Energiewandler Informations-/Energie-/StoffÜbertragung

13 DLR.de Folie 13 Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Möglichkeiten der Funktionsintegration: Materialebene Komponentenebene Systemebene (Adaptives System) Potentiale weniger Einzelkomponenten verringerter Montageaufwand reduziertes Gewicht geringere Kosten Erweiterung des Anwendungspotentials

14 DLR.de Folie 14 Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration: Allgemeine Betrachtungen Die lasttragenden Eigenschaften einer Struktur wie z.b. Steifigkeit und Festigkeit im Verhältnis zur Masse werden als Struktur-Massen-Effizienz s bezeichnet Die Zusatzfunktionalität im Verhältnis zur Masse wird als Funktions-Massen- Effizienz (Funktionsdichte) f bezeichnet Für eine konventionelle Struktur gilt: s strukt = 1 und f strukt = 0 Für die reine Funktionskomponente gilt: Beispiel: Strukturintegrierte Batterie s funkt = 0 und f funkt = 1 Struktur Bildquelle: BMW

15 DLR.de Folie 15 Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration: Allgemeine Betrachtungen Beispiel Strukturgewicht (erf. um Lasten zu tragen): M strukt = 1000kg Keine strukturellen Eigenschaften der Funktionskomponente f funkt = Funktions-Massen-Effizienz f funkt = 0.5 Zusatzgewicht nur Funktionskomponente: M funkt = 300kg Gesamtgewicht: M ges = M strukt +(M funkt M funkt s funkt )/ f funkt mit: s strukt = 1 und f strukt = 0 Gesamtmasse [kg] f funkt = 0.8 f funkt = 1 konventionelle Gesamtmasse perfekte strukturelle Eigenschaften der Funktionskomponente 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Struktur-Massen-Effiziens, s funkt Wetzel, E.D. (2004) Reducing Weight, The AMPTIAC Quarterly, Volume 8, Number 4

16 DLR.de Folie 16 Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration: Allgemeine Betrachtungen Fazit: Eine multifunktionales Bauteil erfüllt die Einzelaufgabe (Struktur bzw. Funktion) i.d.r. schlechter als ein nur für die jeweilige Aufgabe spezialisiertes Bauteil Bei Betrachtung des Gesamtsystems ist es jedoch möglich signifikante Gewichtsvorteile herauszuarbeiten Je größer die strukturelle Performance der Funktionskomponente ist, desto größer ist der zu erzielende Gewichtsvorteil

17 DLR.de Folie 17 Übersicht Das DLR im Überblick Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Beispiele für Funktionsintegration auf verschiedenen Ebenen Zusammenfassung und Ausblick

18 DLR.de Folie 18 Funktionsintegration durch Nanopartikelverstärkte Faserverbundkunststoffen Potentiale Modifizierung/Verbesserung der matrixdominierten Eigenschaften von Faserkunststoffverbunden Integration von neuen Funktionalitäten in den Werkstoff Forschungschwerpunkte Verbesserte mechanische Eigenschaften (Druck, Zähigkeit, Impact...) Reduktion innerer Spannungen Schnellere Prozessierung Endkonturnahe Bauteilfertigung Class A Oberflächen Verbesserte FST Eigenschaften (fire smoke toxicity) Elektrische und thermische Leitfähigkeit Sensorische, aktorische Eigenschaften 18

19 DLR.de Folie 19 Motivation zum Einsatz von Nanopartikeln in Faserverbundkunststoffen Interphasen Die Interphase zwischen Partikel und Matrix spielt eine zentrale Rolle Nanoskalige Partikel bieten eine deutlich größere Oberfläche Ein deutlich höherer Anteil des Polymers befindet sich in der Interphase Ein relativ kleiner Anteil von Partikeln hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers 19

20 DLR.de Folie 20 Motivation zum Einsatz von Nanopartikeln in Faserverbundkunststoffen Fertigungsprozess Vermeidung des Ausfilterns während des Fertigungsprozesses durch nanoskalige Partikel Gleichmäßige Verteilung der Partikel im ausgehärteten Faserverbund Kleinere Partikelfüllgrade haben einen geringeren Einfluss auf die Viskosität der Matrix Für viele Fertigungsverfahren ist eine geringe Viskosität erforderlich (<200 mpas) 20

21 DLR.de Folie 21 Innovationsverbund NANOKOMP Verarbeitung Dispergierung & Formulierung Partikelfunktionalisierung Aufbau eines Kompetenznetzwerkes zur Realisierung der Anwendungen in der Industrie

22 DLR.de Folie 22 Innovationsverbund NANOKOMP Kooperationspartner Forschungsinstitute Industrielle Partner Strategische Partner TU Braunschweig BÜFA Gelcoat Continental TU Clausthal CMR Coatings Volkswagen Universität Hannover DLR Braunschweig GXC Coatings Invent Leichtwerk Sympatec Projektbegleitung: Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen

23 DLR.de Folie 23 Innovationsverbund NANOKOMP Zielstellungen Wie müssen die Nanopartikel funktionalisiert werden, um eine gute Anbindung an die Matrix und maßgeschneiderte Produkteigenschaften einzustellen? Wie werden die anwendungstechnischen Eigenschaften von den Dispergierund Formulierungsparametern sowie den Prozessparametern beeinflusst? Wie können die nanopartikulären Strukturen während der gesamten Verarbeitungskette charakterisiert werden? Wie groß ist das gesundheitliche Gefährdungspotential und welche sicherheitstechnischen Vorkehrungen sind bei der Prozessierung notwendig? Kann ein umfangreicher Werkzeugkasten von Methoden und Technologien für die Partikelfunktionalisierung, Prozessierung und Verarbeitung erstellt werden, auf dessen Grundlage bestehende Produkte verbessert und neue innovative Produkte entstehen?

24 DLR.de Folie 26 Multifunktionale Häute für Formvariable Strukturen Herausforderung Ausreichende Stabilität gegenüber Luftkräften Ausreichende Flexibilität zur Gewährleistung der Formvariabilität Integration zusätzlicher Funktionalitäten (Erosionsschutz, Blitzschutz, De-Icing ) Forschungsschwerpunkte Entwicklung einer Multimaterialhaut für eine formvariable Droop Nose Charakterisierung des Werkstoffsystems Large Scale Demonstration im Rahmen von SARISTU

25 DLR.de Folie 27 > Vom Werkstoff zur Mutlifunktionalen Leichtbaustruktur > Peter Wierach > Aktuierbare Ausblaslippe für den Hochauftrieb Potentiale Aktuierte Ausblaslippe für ein Hochauftriebssystem mit Coandaklappe Forschungsschwerpunkte Piezoaktorik für den Einsatz im Wasserkanal ertüchtigen Integration sensorischer Mikrosysteme in Faserverbund (Dynamische Drucksensoren, TU-BS IMT) Konditionierung/Analyse von Aktuatoren und Sensoren im Verbund 27

26 DLR.de Folie 28 Aktive Verwindung eines Hubschrauberrotorblattes Potential Hochfrequente Verwindung eines Rotorblattes zur Lärmreduktion, Schwingungsreduktion und Leistungssteigerung von Hubschraubern a) diskrete Aktorik Quelle: ECD Forschungsschwerpunkte Demonstration der Technologie an Modellrotorblättern Entwicklung von Niedervolt-Flächenaktuatoren Übertragung der Technologie auf Full-Scale b) verteilte Aktorik

27 DLR.de Folie 29 SHM in verstärkten CFK-Strukturen Potentiale Erhöhung der Sicherheit und Verfügbarkeit Reduktion des Wartungsaufwandes Erweiterung des Leichtbaupotentials Laufende Forschung Lambwellenbasierte Systeme Verständnis der realen Effekte von Lambwellenausbreitung in Flugzeugstrukturen Untersuchung an komplexen Bauteilen und realen Strukturen hinsichtlich Fertigung und Funktionalität 29

28 DLR.de Folie 30 Übersicht Das DLR im Überblick Möglichkeiten und Potentiale der Funktionsintegration Beispiele für Funktionsintegration auf verschiedenen Ebenen Zusammenfassung und Ausblick

29 DLR.de Folie 31 Zusammenfassung und Ausblick Funktionsintegration kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen (Material, Komponenten, System) Eine multifunktionales Bauteil erfüllt die Einzelaufgabe (Struktur bzw. Funktion) i.d.r. schlechter als ein nur für die jeweilige Aufgabe spezialisiertes Bauteil Bei Betrachtung des Gesamtsystems ist es jedoch möglich signifikante Gewichtsvorteile herauszuarbeiten Je besser die strukturelle Leistungsfähigkeit der Funktionskomponente ist desto größer ist das realisierbare Leichtbaupotential / Strukturkonformität Die Möglichkeiten der Funktionsintegration sind ein entscheidender Vorteil des Faserverbunds in Konkurrenz zu anderen Werkstoffen

30 DLR.de Folie 32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Peter Wierach Tel.: +49 (0) 531 / Fax: +49 (0) 531 /