LEICHTBAU IM SCHIENENFAHRZEUGBAU

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1 LEICHTBAU IM SCHIENENFAHRZEUGBAU Dr. Ines Dani 1

2 Leichtbaukonzepte Stofflicher Leichtbau Hochfeste Stähle Titan Aluminium Magnesium Kunststoffe / FVK Strukturleichtbau Topologieoptimierung Tailored Components Konzeptleichtbau Funktionsintegration 2

3 Stofflicher Leichtbau Metallschaum Eigenschaften geringe Dichte biegesteif hohe Energieabsorption wiederverwertbar temperaturbeständig Anwendungsbeispiele Schienenfahrzeugbau: Automobilbau: Schiffbau: Maschinenbau: Bodenplatten Crashabsorber Frontmodule Knotenbereiche Längsträger Crashabsorber Luken, Türen, Spanten Aufbauten Bewegte, schwingungsanfällige Baugruppen 3

4 Stofflicher Leichtbau Aluminiumschaum-PUR-Sandwiches Materialkombination aus Aluminiumschaumkern und Decklagen aus Polyurethan mit Glas- bzw. Kohlenstofffaserverstärkung hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht hohes Energieabsorptionsvermögen gute Warmformbeständigkeit Resistenz gegenüber chemischen Einflüssen und Feuchtigkeit Verformen des Kernes beim Verpressen möglich Konventionelle Bearbeitung möglich 4 in Kooperation mit PESTEL PUR-Kunststofftechnik

5 Stofflicher Leichtbau Faserverstärkte Profile durch Pultrusion Pultrusion: ein kontinuierliches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Leichtbauprofilen Einsatz von verschiedenen Verstärkungsfasern/-halbzeugen (Kohlenstoff-, Glasfasern, textile Halbzeuge etc.) und Kunststoffharzen (Ungesättigte Polyester-, Vinylester-, Epoxid-, Polyurethanharze etc.) Potential gekrümmter Profile Anlagenbau Architektur / Bauindustrie erneuerbare Energien Transportindustrie 5

6 Stofflicher Leichtbau Faserverstärkte Profile durch Pultrusion - Entwicklungsziele Variabel gekrümmte Profile Realisierung von Übergängen zwischen gerade und gekrümmten Abschnitten Querschnittsveränderliche Profile Änderung des Querschnitts über die Profillänge Hybride Profile Integration weiterer Materialien (GFK/CFK, Metalle, Elastomere etc.) Smarte Profile Integration von Sensoren und/oder Aktoren Faser-/Matrixsysteme Verarbeitung und Entwicklung verschiedenster Faser-/Matrixsysteme Virtuelle Prozesskette Simulation von Faserführung, Temperaturverteilung und Aushärtung im Werkzeug, Verzug etc. 6

7 Strukturleichtbau Konstruktion und Simulation zur belastungsgerechten Auslegung von Komponenten CAD FEM Detaillierung Prototyp Charakterisierung 7

8 Strukturleichtbau Aluminiumschaum-Organoblech-Verbunde Leichtbau-Felge Thermoplastischer FKV + Al-Schaum Verbinden des Schäumprozesses mit dem Aufbringen der Decklagen signifikante Massereduktion Energieabsorption Leichtbau-Querlenker 8

9 Strukturleichtbau Generative Fertigung Funktionsleichtbau mittels Topologieoptimierung verbesserte Funktionalität Simulation Numerische Optimierung Design optimierte Spannungsverteilung Gewichtsreduzierung (bis 30 %) Ressourceneffizienz Quelle: Fraunhofer EMI 9

10 Konzeptleichtbau Thermomanagement für Batteriesystem Batteriemodul mit 12 Zellen Dichte Metallschaum 0,5 g/cm³ Masse PCM 270 g latente Wärme PCM 57,5 kj Wärmekapazität Verbund 763 J/K von 23 C bis 29 C 62 kj speicherbar Resultierender Temperaturanstieg ohne PCM 14,9 K mit PCM 6,9 K (ein Fahrzyklus) Batteriemodule Tragkonstruktion Unterbau mit PCM- Sandwich Gewindespindeln zur Befestigung Sandwich mit PCM-Füllung Tragkonstruktion 10 PCM - Phasenwechselmaterial

11 Konzeptleichtbau Funktionsintegration durch generative Fertigung Integration von Kühlung und Thermoelement in Werkzeug für Blechwarmumformung (Presshärten) Sensorik / Aktorik in Hüftimplantat Reduzierung der Kühl-/Haltezeit von 10 s auf 3 s Schwingungsanregung oder -detektion durch eingebettete piezoelektrische Wandlers 11

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