Schwerpunkt 25: Leichtbau

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1 Schwerpunkt 25: Leichtbau Prof. Dr.-Ing. Frank Henning INSTITUT FÜR FAHRZEUGSYSTEMTECHNIK KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gewicht [%] Gewichtentwicklung von Fahrzeugen bis 300 kg Gradient ca. +20 kg/a Golf I ca. 800 kg bis 51 kw 3705 x 1610 x 1410 (L x B x H, mm) Alternative Antriebe: Brennstoffzelle, Hybrid- und Elektroantriebe Gradient ca. 10 kg/a Golf VI ca. 1200kg bis 147 kw 4150 x 1735 x 1440 Umkehr? der Gewichtsspirale >

3 Leichtbau - Integrale Betrachtung Methoden, Werkstoffe und Produktion Methoden Fahrzeugkonzepte Bauweisen Konstruktion Werkstoff- und Prozess-Simulation CAE/CAx Werkstoffe Halbzeuge Langfaserverstärkte Kunststoffe Endlosfaserverstärkte Kunststoffe Hochleistungsfaserverbund Kunststoffe Hybride Werkstoffverbünde Produktion Werkstoffaufbereitung Bauteilherstellung Automatisierung Qualitätssicherung Nachbearbeitung und Fügen Recycling

4 Leichtbau - Integrale Betrachtung Methoden, Werkstoffe und Produktion Methoden Werkstoffe Produktion

5 Übersicht zum SP Leichtbau Kernpflichtfächer VNr LV-Rolle Titel der Veranstaltung Dozent Institut SWS LP Semester Kernpflicht Einführung in den Fahrzeugleichtbau Henning FAST 2 4 WS Kernpflicht Faserverbunde für den Leichtbau Henning FAST 2 4 SS Grundlagen zum Thema Fahrzeugleichtbau Vermitteln wichtiger Inhalte aus den Bereichen Methoden, Werkstoffe und Produktion Vorlesungstermin WS 10/11 Fr. 11:30 13:00 Oberer HS, Geb

6 Einführung in den Fahrzeugleichtbau Einführung in die Thematik des automobilen Leichtbaus. Kennenlernen der gängigen Leichtbaustrategien und bauweisen sowie der verwendbaren Leichtbauwerkstoffe Inhalte Leichtbaustrategien und bauweisen Stoff-, Form-, Konzeptleichtbau, Multi-Material-Design Differential-, Integral-, Modulbauweise, Bionik Metallische Leichtbauwerkstoffe Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan Grundlagen der Kunststoffe Thermoplaste, Duromere, Elastomere Mechanisches Verhalten, Versagensmechanismen Verarbeitungsverfahren Quelle: BMW AG. ATZ,

7 Faserverbunde für den Leichtbau Vermittlung grundlegender Kenntnisse aus dem spannenden Gebiet des Leichtbaus mit Faserverbundwerkstoffen (FVW) Inhalte Grundlagen und Halbzeuge der Faserverbundwerkstoffe Verarbeitung, Nachbearbeitung und Fügen von FVW Gestaltungsrichtlinien für FVW Prüfverfahren und Reparatur Recycling

8 Übersicht zum SP Leichtbau Methoden VNr LV-Rolle Titel der Veranstaltung Dozent Institut SWS LP Semester Kern Konstruktiver Leichtbau Albers, Burkardt IPEK 2 4 SS Wahl CAE-Workshop Albers IPEK 3 3 SS/WS Wahl Höhere Technische Festigkeitslehre Böhlke ITM 2 4 WS Wahl Wahl Wahl Einführung in die Finite-Elemente- Methode Simulation im Produktentstehungsprozess Biomechanik: Design in der Natur und nach der Natur Böhlke ITM 2 4 SS Albers, Böhlke, Ovtcharova IMI 2 4 WS Mattheck IZBS 2 4 WS Wahl Finite-Elemente Workshop Mattheck IZBS 2 4 SS Wahl Wahl Dimensionierung mit der Numerik in der Produktentwicklung Dimensionierung mit Verbundwerkstoffen Schnack ITM 2 4 WS Schnack ITM 2 4 SS

9 I N H A L T E Konstruktiver Leichtbau (IPEK) Vorlesung im SS (2SWS) Vermittlung von Grundlagen des Leichtbaus klassische und moderne konstruktive Leichtbaumethoden Allgemeine Aspekte des Leichtbaus Leichtbaustrategien und -konstruktion Gestaltungsprinzipien Versteifungsmethoden Leichtbaumaterialien Virtuelle Produktentwicklung Bionik Validierung Recycling Sicht der Praxis (Industrie-Gastdozenten) Ansprechpartner: N. Burkardt, norbert.burkardt@kit.edu N. Majic, neven.majic@kit.edu

10 I N H A L T E CAE - Workshop (IPEK) Praktikum in der vorlesungsfreien Zeit SS/WS (2SWS) Sommersemester und Wintersemester: eine theoretische Einführung in Finite Element Analyse (FEA) Anwendung der FEM an praxisnahen Beispielen (ABAQUS/CAE) Sommersemester: Grundlagen der Strukturoptimierung Durchführung von Topologie- und Gestaltoptimierung an verschiedenen Beispielen (TOSCA) Wintersemester: eine Einführung in Simulation von Mehrkörpersystemen (MKS) erlernen der Mehrkörpersimulation an praxisnahen Beispielen (ADAMS) Ansprechpartner: Christian Sander, christian.sander@kit.edu Eigenmodenberechnung

11 Vorlesung: Höhere technische Festigkeitslehre (WS) Dozent: Prof. Dr.-Ing. T. Böhlke Inhalt der Vorlesung und des Rechnerpraktikums Das Ziel der Lehrveranstaltung im WS ist die Vertiefung des in den Vorlesungen Technische Mechanik I IV vermittelten Stoffes. Im Mittelpunkt der Vorlesung steht dabei die Beschreibung der Material- und Festigkeitseigenschaften von Werkstoffen. Es wird insbesondere auf elastische, plastische und bruchmechanische Eigenschaften eingegangen, wobei auch Bezug auf das Versagen von Werkstoffen durch Verformungslokalisierung und Schädigung genommen wird. Die Grundlagen der Tragwerkstheorien werden vermittelt. Im wöchentlich stattfindenden Rechnerpraktikum werden die in der Lehrveranstaltung vermittelten Kenntnisse zur Lösung von (Anfangs-) Randwertproblemen mittels der Finite-Elemente-Methode angewendet. Hierbei kommt das kommerzielle Finite-Elemente-Programm ABAQUS zum Einsatz.

12 Vorlesung: Einführung in die FEM (SS) Dozent: Prof. Dr.-Ing. T. Böhlke Inhalt von Vorlesung und Rechnerpraktikum Das Ziel der Lehrveranstaltung ist eine einführende Darstellung der Finite-Element- Methode (FEM) zur Vorbereitung auf eine Tätigkeit in Berechnungs- bzw. Konstruktionsabteilungen. Im Rahmen der Vorlesung werden die mathematischen und mechanischen Grundlagen der FEM vermittelt. In den Übungen werden am PC alle wichtigen Schritte der FE-Berechnung wie die Geometrie- und Netzgenerierung sowie die Darstellung und Auswertung der Berechnungsergebnisse anhand beispielhafter Festigkeit- und Temperaturanalysen an Bauteilen erklärt. Das in Industrie und Forschung weitverbreitete kommerzielle FE-Programm ABAQUS wird für die FE-Berechnungen in der Übung eingesetzt.

13 Vorlesung: Simulation im Produktenstehungsprozess (WS) Dozent: Prof. Dr.-Ing. A. Albers, Prof. Dr.-Ing. T. Böhlke, Prof. Dr. Dr.-Ing. J. Ovtcharova Näherungsverfahren der Mechanik FDM, FVM, FEM, BEM, MKS Materialmodellierung und -simulation Positionierung im Produktlebenszyklus P P Konzept: - Konzept Anordnungsstudien mit Mehrkörpersystemen Berechnungen mit Finite Element Methode Gestaltungsstudien P - Entwurf mit Topologieoptimierung P Detaillierung: Shapeoptimierung Sizing, Sickenoptimierung P Validierung: Lebensdauerrechnung DOE, Response Surface Hardware in the Loop P Produktionsumsetzung P - Fertigung Kopplung von Methoden & Systemintegration Heterogene technische Systeme Funktionaler Digital Mock-Up (DMU), virtuelle Prototypen

14 Biomechanik: Design in der Natur und nach der Natur Inhaltsverzeichnis Mechanik und Wuchsgesetze der Bäume Körpersprache der Bäume Versagenskriterien und Sicherheitsfaktoren Computersimulation adaptiven Wachstums Kerben und Schadensfälle Bauteiloptimierung nach dem Vorbild der Natur Computerfreie Bauteiloptimierung Universalkerbkontur? Schubspannungsbomben in Faserverbunden Optimale Faserverläufe in Natur und Technik Bäume, Hänge, Deiche, Mauern und Rohrleitungen

15 Finite Elemente Workshop Prof. Dr. Claus Mattheck, Dr. D. Weygand Einführung in das praktische Arbeiten mit FEM in kleiner Gruppe. Lösen von einfachen Spannungsberechnungen und Kerbformoptimierung mit der Methode der Zugdreiecke. Vorbereitung auf praktische Schadensprävention und Designfindung. Limit ca. 10 Teilnehmer aufgeteilt in zwei Gruppen. Zeitpunkt um Ostern

16 Vorlesung: Dimensionierung mit Numerik in der Produktentwicklung Dozent: Prof. Dr.-Ing. E. Schnack Ziel: Vermittlung der theoretischen Grundlagen der Simulationsverfahren in der Produktentwicklung (FVM, FDM, FEM, BEM). Diese sind unabdingbar für die korrekte Anwendung bestehender kommerzieller Programme Speziell wird zusätzlich auf Verfahren der Topologie- und Strukturoptimierung eingegangen, die in den heutigen Produktentstehungsprozessen bereits oft in automatisierter Weise integriert sind.

17 Vorlesung: Dimensionierung mit Verbundwerkstoffen Dozent: Prof. Dr.-Ing. E. Schnack Ziel: Erarbeitung des Verständnisses für laminierte Kompositwerkstoffe mit vielfältigsten Anwendungen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie. Hierbei werden die grundsätzlichen Begriffe definiert. Die Transformationen zwischen Lamina und Laminat für die Kompositparameter werden abgeleitet. Hierbei geht es um die Transformation zwischen dem Einzelschichts- und Gesamtschicht-Koordinatensystem. Es werden neuere Aspekte zu Kompositen wie z.b. die Piezoelektrische Steuerung von Verbundwerkstoffen als Basis für die Selbststeuerung intelligenter Strukturen besprochen.

18 Übersicht zum SP Leichtbau Werkstoffe VNr LV-Rolle Titel der Veranstaltung Dozent Institut SWS LP Semester Kern Werkstoffe für den Leichtbau Weidenmann iwk1 2 4 SS Wahl Polymerengineering I Elsner iwk1 2 4 WS Wahl Konstruieren mit Polymerwerkstoffen Bonten iwk1 2 4 SS Wahl Wahl Wahl Einführung in die Mechanik der Verbundwerkstoffe Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen: Ermüdung und Kriechen Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen: Verformung und Bruch Yang IZBS 2 4 SS Kraft, Gumbsch, Gruber Gumbsch, Kraft, Weygand IZBS 2 4 WS IZBS 2 4 WS

19 Vorlesung: Werkstoffe für den Leichtbau Dozent: Dr.-Ing. K. A. Weidenmann (iwk I) Lehrveranstaltung Nr im Sommersemester 2010 (2 SWS, 4 ECTS) Ziele und Inhalt: Die Reduktion des Gewichtes von tragenden Strukturen in verschiedensten Anwendungen, z.b. im Automobil- und Flugzeugbau, ist heute mit die wichtigste Triebfeder für innovative Werkstoffentwicklungen. Ziel dieser Vorlesung ist daher die Vermittlung von vertieften Kenntnissen über die Werkstoffkunde des Leichtbaus. Nach einer kurzen allgemeinen Einführung in die Thematik des Werkstoffleichtbaus werden im Rahmen der Vorlesung Aufbau, mechanische Eigenschaften und Anwendungen metallischer Leichtbauwerkstoffe sowie von Polymerverbundwerkstoffen detailliert betrachtet. Fallbeispiele zu aktuellen Fragestellungen aus der industriellen Praxis runden die Lehrveranstaltung ab. Vorlesungstermin (SS10): Di. 8:00 9:30 Uhr, Geb , Redtenbacher Hörsaal

20 Polymerengineering I + II Ziel Das Polymer-Engineering schließt die Synthese, Werkstoffkunde, Verarbeitung, Konstruktion, Design, Werkzeugtechnik, Fertigungstechnik, Oberflächentechnik sowie die Wiederverwertung ein. Ziel ist es, Wissen und Fähigkeiten zu vermitteln, den Werkstoff Polymer anforderungsgerecht, ökonomisch und ökologisch einzusetzen. Teil I (WS): 1. Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe 2. Einführung in mechanische, chemische und elektrische Eigenschaften 3. Überblick der Verarbeitungsverfahren 4. Werkstoffkunde der Kunststoffe 5. Synthese

21 Polymerengineering I + II Teil II (SS): 1. Verarbeitungsverfahren von Polymeren 2. Bauteileigenschaften Anhand von praktischen Beispielen und Bauteilen 2.1 Werkstoffauswahl 2.2 Bauteilgestaltung, Design 2.3 Werkzeugtechnik 2.4 Verarbeitungs- und Fertigungstechnik 2.5 Oberflächentechnik 2.6 Nachhaltigkeit, Recycling Schaumstoffpartikel Labor-Spritzgussanlage

22 Konstruieren mit Polymerwerkstoffen Vorlesung im Sommersemester 2010 Vorlesung (Geb , Mittlerer Hörsaal) Aufbau und Eigenschaften der Kunststoffe (ca h) Eigenschaften von Kunststoffen und Einflüsse hierauf Verarbeitung und Weiterverarbeitung von Kunststoffen Beanspruchungs-, fertigungs- und werkstoffgerechte Gestaltung (ca h) Dimensionierung von Kunststoffbauteilen Funktions- und Prozessintegration Prüfungen: Nebenfach als Sammeltermin (z.b ) Prüfungen: Hauptfach nach Absprache Dr.-Ing. C. Bonten Bitte melden Sie sich an bei Institut für Werkstoffkunde I, Geb Telefon (vormittags)

23 Einführung in die Mechanik der Verbundwerkstoffe Kapitel 1 Kapitel 2 Kapitel 3 Kapitel 4 Kapitel 5 Kapitel 6 Kapitel 7 Einführung Was ist ein Verbundwerkstoff? Warum wird der Verbundwerkstoff gebraucht? Wo werden die Verbundwerkstoffe verwendet? Wie werden die Eigenschaften vom Verbundwerkstoff beschrieben? Mikromechanik des Faserverbundwerkstoffes Allgemeines mechanisches Verhalten von Verbundwerkstoffen Was ist Mikromechanik? Mischungsregel Die Gleichungen der Steifigkeit Die Gleichungen der Festigkeit, Versagenskriterium Makromechanische Eigenschaften in UD-Schichten Die Beziehungen zwischen Dehnungen und Spannungen Koordinatentransformation Experimentelle Bestimmung der Festigkeit und Steifigkeit Festigkeitskriterien Makromechanische Eigenschaften in Faserverbundlaminaten (CLT) Steifigkeitskoeffizienten von Laminaten Vereinfachen der Steifigkeitsmatrix ABD Laminat - Konstanten Spannungsanalyse in Laminaten Berechnung der Spannungen in jeder Schicht Thermische Spannungen in Laminaten Spannungen am Rand des Laminates Versagensanalyse des Laminats Versagensmöglichkeiten Versagensanalyse im Laminat Degradationsanalyse Beispiele und Lösungen Optimierung und Design von Laminaten Das Ziel und die Vorgehensweise bei Design Beispiele der Optimierung Das Design der Steifigkeit Das Design der Festigkeit Ansprechpartnerin: Privatdozentin Dr. Yang Tel.: 0711 /

24 Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen Ermüdung und Kriechen Prof. O. Kraft, Dr. P. Gruber Mechanisches Verständnis: Belastung vs Werkstoffwiderstand Werkstoffwahl: Sicher und leicht? Anwendung empirischer Werkstoffmodelle Physikalisches Verständnis von Versagensphänomenen Statistische Ansätze zur Zuverlässigkeitsbeurteilung

25 Versagensverhalten von Konstruktionswerkstoffen Verformung und Bruch Dozent: Prof. P. Gumbsch, Prof. O. Kraft, Dr. D. Weygand Mechanisches Verständnis: Belastung vs. Werkstoffwiderstand Physikalisches Verständnis von Versagensphänomenen Klassifizierung von Spannungen Versagen durch plastische Verformung Verformung und Versagen von Verbundwerkstoffe Bruchmechanismen, Bruchmechanik

26 Übersicht zum SP Leichtbau Produktion VNr LV-Rolle Titel der Veranstaltung Dozent Institut SWS LP Semester Wahl Lasereinsatz im Automobilbau Schneider IZBS 2 4 SS Wahl Materialien und Prozesse für den Karosserieleichtbau in der Automobilindustrie Haepp WBK 2 4 WS Wahl Energieeffiziente Intralogistiksysteme Schönung IFL 2 4 WS Wahl Gießereikunde Wilhelm iwk1 2 4 SS Wahl Schweißtechnik I Spies iwk1 1 2 WS Wahl Schweißtechnik II Spies iwk1 1 2 SS

27 Vorlesung: Lasereinsatz im Automobilbau Dozent: Johannes Schneider, IZBS Laserstrahlquellen Physikalische Grundlagen Lasersicherheit Schweißen Härten Schneiden Legieren Bohren Markieren Rapid Prototyping Messen

28 Vorlesung: Lasereinsatz im Automobilbau Dozent: Johannes Schneider, IZBS Ausgehend von der Darstellung des Aufbaues und der Funktionsweise der wichtigsten, heute industriell eingesetzten Laserstrahlquellen werden deren typischen Anwendungsgebiete im Bereich des Automobilbaues besprochen. Der Schwerpunkt der Vorlesung liegt hierbei auf der Darstellung des Einsatzes von Lasern zum Fügen und Schneiden sowie zur Oberflächenmodifizierung. Weiterhin wird die Anwendung von Lasern in der Messtechnik vorgestellt. Inhaltsverzeichnis Einführung Physikalische Grundlagen der Lasertechnik Laserstrahlquellen (Nd:YAG-, CO2-, Dioden-Laser) Strahleigenschaften,- führung, -formung Grundlagen der Materialbearbeitung mit Lasern Laseranwendungen im Automobilbau Lasersicherheit

29 Materialien und Prozesse für den Karosserieleichtbau in der Automobilindustrie Dozent: Dr. Dipl.-Phys. Hans Josef Haepp ehem. Leiter Produktions- und Werkstofftechnik, Daimler, Sindelfingen Ziele der Vorlesung: Vermittlung von praktischen Erfahrungen bei der Herstellung von Leichtbaukarosserien unter besonderer Betrachtung metallischer Leichtbauwerkstoffe und innovativer Fertigungsverfahren Vorlesungsschwerpunkte: Motivation für den Karosserieleichtbau Mögliche Konzepte zur Reduzierung des Fahrzeuggewichtes Werkstoffleichtbau Vorlesung des Wintersemesters, Blockveranstaltung Ansprechpartner (wbk): Dipl.-Ing. Henning Wagner, Quelle: Daimler Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe aus Sicht der Entwicklung & Produktion Werkstoffentwicklung bei Stahl, Aluminium und Magnesium Kunststoffe für die Fahrzeugstruktur und die Karosserieaußenhaut Fertigungsleichtbau Fügeverfahren im Karosseriebau, Qualitätssicherung beim Fügen Korrosionsschutzkonzepte für den Karosserieleichtbau Quelle: Lotus Korrosionsschutz bei der Substratherstellung, Materialien und Verfahren

30 Energieeffiziente Intralogistiksysteme Institut für Fördertechnik und Logistiksysteme (IFL) Ziel: theoretische und praktische Grundlagen zur Analyse und Gestaltung von energieund ressourceneffizienten Intralogistiksystemen für Produktion und Distribution Grundlagen und Grüne Logistik Neue Technologien Effizienzsteigerung klassische Fördertechnik Effizienzsteigerung modulare, dezentrale Systeme Physikal. Grundlagen Stellschrauben des Energieverbrauchs Regelwerke, Gesetze, Richtlinien Effiziente Antriebe Energierückspeisung Reibungsarme Gurte Leichtbau mit Faserverbunden Stetigförderer (Rollen-, Gurtförd.,..) Unstetigförderer (Stapler, RBG,..) Rekonfiguration Ressourceneffizienz Wiederverwendung Logistikanteil am Carbon footprint Umweltauswirkungen der Logistik Transport Logistikgebäude Termin: Dienstag 11:30-13:00, LVNr.: , Dozent: Dr. Frank Schönung, Tel.:

31 Gießereikunde Dozent: Dr.-Ing. Christian Wilhelm Das Fertigungsverfahren Gießen wird in seiner ganzen Breite von den theoretischen Grundlagen bis zu den praktischen Anwendungen u.a. in Kern- und Formherstellung behandelt. Die Besonderheiten des Gusses als Konstruktionsteil im Maschinenbau werden erläutert. Modernste Methoden der Gieß- und Erstarrungssimulation werden aufgezeigt. Eine Exkursion in die Gießerei des Mercedes-Benz Werkes in Mannheim rundet die Vorlesung ab. Vorlesungsinhalte: Erstarrungsvorgänge Fe- und Nicht-Fe-Legierungen Form- und Gießverfahren Gießbarkeit Gussteilherstellung Konstruieren in Guss Gießereibetrieb Vorlesungen immer mittwochs zu folgenden Zeiten und Terminen: i.a.r. vierzehntägig im Sommersemster jeweils: Uhr und Uhr Seminarraum IWK I

32 Schweißtechnik 1 WS 2010 / 2011 Dozent: Dr.-Ing. Bernhard Spies Vorlesungsinhalt: Eine typische Schweißkonstruktion Definition und Abgrenzung: Schweißverfahren Einteilung der Schweißverfahren / Fügeverfahren / Alternativen Geschichte der Schweißtechnologie Energiequellen für Schweißverfahren Übersicht: industrielle und handwerkliche Schweißtechnologien (gängige Schmelzschweiß- und Pressschweißverfahren) Nahtvorbereitung / Nahtformen Schweißpositionen Schweißbarkeit Gasschmelzschweißen / Thermisches Trennen Kennlinien: Lichtbogen/Quelle Lichtbogenhandschweißen Unterpulverschweißen Metallschutzgasschweißen Auf die Vorlesung Schweißtechnik 1 aufbauend, wird vom IWK1 im Feb ein experimentelles schweißtechnisches Praktikum ( 3 Tage) angeboten.

33 Schweißtechnik 2 im SS 2011: Dozent: Dr.-Ing. Bernhard Spies Vorlesungsinhalt: WIG-Schweißen Plasma-Schweißen Elektronenstrahlschweißen Laserschweißen Widerstandspunktschweißen / Buckelschweißen Wärmeführung beim Schweißen Gestaltung von Schweißkonstruktionen Schweißen niedriglegierter Stähle / ZTU Schaubilder Schweißen hochlegierter Stähle / Austenite / Schaefflerdiagramm Tieftemperatur-Stähle Schweißen an Gusseisen Wärmebehandlungen beim Schweißen Schweißen von Aluminium Schweißeigenspannungen Prüf- und Testverfahren Dr.-Ing. Bernhard Spies, vm. Daimler AG, Mail-Adresse: b.j.spies@web.de; Kontakt auch über Sekretariat IWK1, Frau Polixa,Tel.: (vormittags) 1000 C M S A 900 C 1300 C M Zw F P

34 Schwerpunkt 25: Leichtbau Zusammenfassung KP Fächer: Einführung in den Fahrzeugleichtbau Faserverbunde für den Leichtbau K Fächer: Werkstoffe für den Leichtbau Konstruktiver Leichtbau E Fächer: Insgesamt 19 weiter Vorlesungen Methoden: Werkstoffe: Produktion: 9 Vorlesungen 6 Vorlesungen 6 Vorlesungen Folien zum Download: