Ressourcenschonender Leichtbau aus recyclefähigen Materialien und die Vermeidung des Baus von Prototypen sind wichtige Hilfsmittel für eine nachhaltige CO2-Reduktion. Voraussetzung hierfür ist die digitale Produktentwicklung, in der Bauteile am Computer ausgelegt werden und nur noch wenige aufwändige, energieintensive Prüfungen am Ende der Entwicklungskette stehen. Polyamid (PA) ist ein im Leichtbau weitverbreiteter recycelbarer Kunststoff mit hohem mechanischem Widerstandsvermögen. Im Marktumfeld stellt PA die größte Familie technischer Kunststoffe dar und hat seinen Haupteinsatzbereich in der Automobil- und Elektroindustrie. Im Vergleich zu anderen Thermoplasten reagiert PA sehr stark auf den Feuchtegehalt der Umgebung und kann relativ viel Wasser aufnehmen. Dies muss bei einer Bauteilauslegung zwingend berücksichtigt werden, da die aufgenommene Feuchte sowohl das mechanische Verhalten als auch den Widerstand gegen eine mögliche Rissbildung stark beeinflusst.

Gegenwärtig ist eine Berücksichtigung des Feuchteeinflusses im industriellen Umfeld nicht möglich, was zu längeren Entwicklungszeiten und konservativen Dimensionierungen führt. Die Ergebnisse dieses Vorhabens sollen diese Lücke schließen und zu effizienteren und leichteren Bauteilen führen. Ziel des Projektes ist die Erstellung eines digitalen Zwillings über eine vollständige Charakterisierung und prädiktive Simulation des hygromechanischen Deformations- und Bruchverhaltens von PA. Eine besondere Innovation des Vorhabens liegt in der Berechnung der Interaktion von Feuchtegehalt, -transport und Mikrorissbildung bei der virtuellen Bauteilauslegung. Mit einer zukunftsweisenden Kombination aus neuartigen experimentellen Methoden (in-situ Analyse des Rissfortschritts durch μCT, opt. Mikroskopie, MicroDIC an bruchmechan. Probekörpern) und numerischer Mikromechanik werden realitätsnahe Berechnungen ermöglicht, mit denen energieintensive Prototypen eingespart und Entwicklungszeiten signifikant verkürzt werden können.

Die passive Sicherheit bei Kraftfahrzeugen gewinnt zunehmend an Bedeutung. So stellt ab 2024 unter anderem der Kopfaufprall auf die Windschutzscheibe einen zulassungsrelevanten Lastfall dar. Zur objektiven Bewertung der zu erwartenden Schwere von Verletzungen wird das Kopfverletzungskriterium (HIC) bestimmt. Dieser Wert darf bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten und muss somit im Vorfeld der Entwicklung von Kraftfahrzeugen berücksichtigt werden.

Im Zuge der Fahrzeugentwicklung sollen die Gefahren der Kopfverletzungen bewertet werden. Numerische Verfahren sind für die Prognose unabdingbar. Während der Bruchvorgang und das Bruchverhalten der Windschutzscheibe aus Verbund-Sicherheitsglas (VSG, Glas und Verbundfolie) durch die vorangegangenen Forschungsprojekte bereits gut abgebildet werden, kann das Nachbruchverhalten bei vollkommen gebrochenem VSG nur qualitativ dargestellt werden. Eine Methode, wie die mechanischen Eigenschaften des VSG für die Erfassung des Nachbruchverhaltens für den Kopfaufprall zielführend aus Kleinproben ermittelt und in die Simulation integriert werden können, ist aktuell nicht verfügbar.

Ziel des Projektes ist es, eine validierte Berechnungsmethodik unter Berücksichtigung des Nachbruchverhaltens von VSG zu entwickeln. Anwendungen im Automotive sowie im Bauwesen sollen realitätsnah prognostiziert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, wird das Steifigkeitsverhalten von gebrochenem VSG in Abhängigkeit von unterschiedlichen Dehnraten und Fragmentierungsgraden an Kleinproben ermittelt und eine Methodik zur Prognose des Fragmentierungsgrades unter Impaktbelastung entwickelt. Die Erkenntnisse werden sodann in numerische Modelle überführt und die Simulationsergebnisse durch Validierungsversuche an VSG-Scheiben verglichen.

Softwareentwickler und Ingenieurdienstleister, die üblicherweise KMUs oder Start-ups sind, können die Methodik sofort für Leistungen im Bereich Automotive als auch für Berechnungen im Bauwesen nutzen.

Mit dem anhaltenden architektonischen Trend zu transparenten Konstruktionen hat der Einsatz von Glas im Bauwesen in den letzten Jahren stark zugenommen. Verbundsicherheitsglas (VSG) ist ein etabliertes Bauprodukt, um die sicherheitsrelevanten Anforderungen hinsichtlich des Bruch-, Nachbruch- und Resttragfähigkeitsverhaltens zu erfüllen. Trotz der umfangreichen Qualitätssicherungsmaßnahmen und weitreichender Erfahrung im Herstellungsprozesses konnten jedoch in unterschiedlichen Konstruktionen delaminationsbedingte Schäden an VSG-Einheiten festgestellt werden.
Die Delaminationen können trotz eingehaltener Verarbeitungs- und Qualitätssicherungsmaßnahmen, und somit auch bei qualitativ hochwertigem VSG, auftreten. Dies führt zum Schluss, dass unter speziellen Bedingungen die bisher bestehenden Regelungen und Anforderungen nicht ausreichend sind, um ein fehlerfreies Bauprodukt zu gewährleisten. Mögliche Einflussfaktoren aus dem Herstellprozess, wie Einflüsse des Vorverbunds, des Autoklav-Prozesses oder die Ebenheit der Gläser, wurden bisher nicht mit in die Untersuchungen einbezogen. Zudem stellen wechselnde klimatische Einflüsse wie Feuchte, Wärme, Kälte oder UV-Strahlung einen zusätzlichen schädigungswirksamen Einfluss dar.
Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) und der Hochschule München (HM) in Kombination mit den umfassenden Erfahrungen der beteiligten Industriepartner sollen die relevantesten Einflussfaktoren ausgewählt und untersucht werden. Auf Basis dieser Untersuchungen soll eine Empfehlung zur Planung und Herstellung von Verbundgläsern mit komplexer Geometrie oder unter ungünstigen Umweltbedingungen entwickelt werden. In dieser sollen neue Qualitätssicherungsprozesse definiert werden, um das Entstehen der Effekte experimentell nachzubilden und somit für die Zukunft einen fehlerfreieren Herstellprozess zu gewährleisten.

Unser Vorhaben entwickelt ein Transferinstrument, das in der Ideenentwicklung ansetzt und durch Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit, Innovationen effizienter ermöglicht. Dazu wird in Zusammenarbeit von SGN, THM und IVW eine gemeinsame Sprache am Beispiel der Bionik entwickelt. Die resultierende Übersetzung macht ein Matching von Begriffen der unterschiedlichen Disziplinen möglich, das anschließend in eine digitale Plattform („Marktplatz“) eingebunden werden kann.
Eine Verknüpfung von Biologie und Technik bietet nicht nur für THM-Ingenieure die großartige Chance, natürliche Vorbilder zielgerichtet zu identifizieren und in innovative technische Produkte und Prozesse im Bereich der Metalle zu transferieren und somit die Bionik intensiv im Konstruktionsalltag zu nutzen. Transferinstrument und „Bionische Konstruktionspraxis“ ergänzen sich hierbei ideal.

Teilziele

1. Schaffung eines interdisziplinären Marktplatzes als Transferinstrument zur strukturierten wechselseitigen Erschließung fächerübergreifender Zusammenhänge, d. h. ein „Matching“ von  biologischen Vorbildern und technischen Herausforderungen. Hierdurch entfallen zeitaufwendige biologische Analysen für technische Anwender.
   
2. Realisierung des Marktplatzes durch Vorbereitung einer skalierbaren Datenbank, um diese nach Bedarf zu erweitern.
   
3. Systematische Verknüpfung der verschiedenen Fachdisziplinen durch Entwicklung einer gemeinsamen Sprache und damit eines gegenseitigen Verständnisses. Am Validierungsbeispiel Bionik wird die Umsetzung eines wechselseitigen Wissenstransfers gezeigt.
   
4. Erstellung konkreter Steckbriefe mit qualitativen und quantitativen Daten und Ermöglichung einer quantifizierten Parametersuche.
   
5. Entwicklung einer strukturierten Suche, um systematisch geeignete Vorbilder zu identifizieren und daraus ein innovatives Produkt zu entwickeln. Hierdurch werden bionische Potenziale für die technische Verwertung gehoben.
   
6. Methodentransfer Biologie zur Technik und umgekehrt
   

Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) stehen heutzutage unter zunehmend hohen Innovationsdruck. Sie operieren mit begrenzten finanziellen und personellen Ressourcen und müssen damit komplexe Fertigungsstrukturen, häufig mit Einzel- und Kleinserienfertigung, betreiben. Effizienzsteigerung in der Produktion besitzt häufig existentielle Bedeutung. Limitierte Kapazitäten zwingen sie darüber hinaus zu einem effizienten Einsatz der vorhandenen Produktionsmittel bei gleichzeitig steigenden Qualitätsanforderungen der Märkte.

Künstliche Intelligenz (KI) in der Produktion kann in einer Vielzahl von Unternehmensprozessen eingesetzt werden und nachhaltige Effekte bewirken. Eine systematische, automatisierte Erhebung von Daten, die während der Fertigung unmittelbar in den Maschinen anfallen, erlaubt eine konsequente Anwendung von KI-Algorithmen und unterstützt genauere Vorhersagen der tatsächlichen Ressourcennutzung. Aus den Daten gewonnene Erkenntnisse können Prognosen von Ausbringungsmengen und -qualitäten oder Maschinenverfügbarkeiten ermöglichen. Unmittelbare Effekte einer solchen intelligenten Maschinen- und Prozessüberwachung sind eine höhere Liefertreue, eine effizientere Auslastung der Ressourcen im Unternehmen (inkl. Energie- und Ressourceneffizienz) und eine erhöhte Transparenz über den Zustand der eingesetzten Fertigungsanlagen.

Um den KI-Reifegrad in KMUs voranzubringen, soll das hohe Potential der Technologie mit Hilfe von Demonstratoren in einer realen Laborumgebung dargestellt werden. Dabei können bereits gesetzte Impulse für die Einführung von KI als Hebel genutzt werden und neben den bereits bekannten Einsatzmöglichkeiten mit der systematischen Umsetzung begonnen werden. So wird neben den Verfahren auch der operative Einsatz in einer Laborumgebung anhand von Demonstratoren gezeigt.

Im Sinne des Umwelt-, Klima- und Ressourcenschutzes gemäß der Hightech-Strategie 2025 ist die Attraktivität des öffentlichen Personennah- und -fernverkehrs weiter deutlich zu steigern. Hierbei spielt die hohe Anzahl an Sitzen in Bahnen und Bussen eine maßgebliche Rolle. Die nächste Generation von Sitzen muss hinsichtlich Passagierkomfort, Nachhaltigkeit der Materialien, Sicherheit und auch Leichtbau zwecks Minderung von CO2- und Schadstoffemissionen überzeugen.

Im Rahmen des Teilvorhabens soll ein neuartiges Sitzsystem nach dem biologischen Vorbild von Bryozoen entwickelt werden, das gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile bietet:

• Steigerung des Komforts für den Fahrgast durch eine physiologisch angepasste Druckverteilung, durch Halt und Abstützung in allen (Fahr-) Situationen sowie eine hohe Atmungsaktivität.
  
• Reduzierung des Gewichts des Sitzes zum Zwecke der Ressourcenschonung und Emissionsreduktion bei Herstellung und Nutzung.
• Verwendung alternativer Werkstoffe für materialsparende Lösungen, zur Vermeidung von Wärme- und Feuchtestau sowie mit positiven ökologischen und sicherheitsrelevanten Eigenschaften.
  

Zusätzlich bringt die THM ihre Expertise im Bereich Simulation als Service über die Arbeitspakete AP7 und AP8 in die Arbeitspakete AP1, AP3 und AP5 ein. Zum Ende des Projekts sollen Demonstratoren vorliegen,  elche additiv hergestellt und vom Industriepat

Schutzhelme bestehen aus einer harten Außenschale, die den Kopf vor direkten Einwirkungen schützt, und einer weichen Innenschale, die den Aufprall dämpft. Sport- und Arbeitshelme sind meist Halbschalenhelme, die nur den oberen Teil des Kopfes umhüllen und durch Kinnriemen fixiert werden. Es fehlt ein Schutz der seitlichen Kopfpartien, der Helm sitzt oft nicht sehr fest, und das Schließen der Riemen ist umständlich. Diese Faktoren führen zu Sicherheitsproblemen für den Nutzer.

Ziel des Vorhabens ist ein innovativer Helmtyp nach biologischen Vorbildern, der die Sicherheitslücken behebt, dabei aber komfortabler und für die Einsatzbereiche Sport und Arbeit optimal anwendbar ist. Die Vorlage liefert der Insektenkopf, eine nach unten offene Kapsel, an der die beißenden Mundwerkzeuge (ein Paar Mandibeln) gelenkig aufgehängt sind. In Anlehnung daran wird ein Helm mit fester Oberschale und beweglich daran angebundenen, in sich festen Seitenteilen erstellt. Die Seitenteile schließen sich beim Aufsetzen durch einen Zugmechanismus, wie er sich im Fuß von Vögeln findet, automatisch unter dem Kinn. Nach Entriegelung öffnen sie sich automatisch durch elastische Elemente. Zur Dämpfung wird für die weiche Innenschale nach dem biologischen Vorbild Knorpel ein stabilisiertes Kollagen eingesetzt, und das Helmoberteil wird wie der Insektenkopf durch Einfaltungen (Sicken) in etwas gegeneinander bewegliche Teile gegliedert.

Zoologen der Senckenberg-Gesellschaft für Naturforschung, Ingenieure der Technischen Hochschule Mittelhessen und ein emeritierter Professor für Biomechanik arbeiten gemeinsam an der Entwicklung des neuartigen Helmtyps, unterstützt vom Industriepaten UVEX. Anstehende Aufgaben sind die Untersuchung einiger biologischer Vorbilder, die Auswahl und Optimierung von Materialien, die virtuelle Konstruktion von Helmvarianten, die Fertigung der Helmteile, das Prüfen und Optimieren der Konstruktionen durch Simulationen und die physische Testung der Bauteile und Helm-Prototypen.

Temperaturüberlagerte Vibrationsprüfungen von Li-Ionen-Batterien können aktuell nicht angeboten werden, da die verfügbaren Lösungen zur Temperierung > 150 °C der Batterie während der Prüfung nicht mit den erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen kompatibel sind. Die am Markt verfügbaren Prüfeinrichtungen sind nicht für Batterien geeignet, da zur Realisierung des Prüfvorgehens eine Erweiterung auf erforderliche Sicherheitskonzepte notwendig ist. So muss die Evakuierung der Batterie im Explosionsfall durch den Crash schnell erfolgen. Daher wird im Projekt ein Prüfstand für die temperaturüberlagerte Vibrationsprüfung (Prüfmasse bis 750kg bei -70 bis + 180°C, mit beidseitig isolierter Plattform zwischen Shaker und Batterie), eine Havarieanlage (automatische Entfernung des Prüfgegenstands in < 20 Minuten) und ein geeignetes Sicherheitskonzept (Flutung des Brandes mit einem Volumenstrom von 167 l/s) entwickelt. Umsatzsteigerung werden deshalb folglich durch Zunahme der Anzahl beauftragter Prüfungen erwartet, da sich die fälligen Prüfkosten nach Zeitaufwand und Energieverbrauch richten. Der angezielte Markt umfasst die Nutz- und Kraftfahrtindustrie sowie die Mobiltelefonindustrie. 

Die Crashsicherheit stellt an den Automobilbau die höchsten Anforderungen. Wird die Batterie eines E-Fahrzeugs mechanisch verformt, kann es zu Kurzschlüssen und Entzündungen kommen, gerade bei Lithium-Ionen-Batterien mit brennbaren Flüssigelektrolyten. Als Alternative enthalten Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten, der die Sicherheit und die Schnellladefähigkeit verbessern kann. Für diesen Batterietyp sind Gefahren unter mechanischen Belastungen bis hin zum Crash nicht erforscht. Daher beabsichtigen die Projektpartner beide Batterietypen hinsichtlich ihrer Sicherheit zu vergleichen sowie einen validierten, digitalen Prototyp für Festkörperbatterien samt Einhausung aus nachhaltigen Naturfasermaterialien als Benchmark für Multiphysiksimulationen zu entwickeln. Das Verhalten der Batteriesysteme unter hohen Belastungen soll realistisch simuliert und bewertet werden. So können Entwicklungszeiten verkürzt und die Marktpräsenz von E-Fahrzeugen schneller gesteigert werden.

Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines selbst-identifizierbaren und adaptiven Batteriesystems für Lithium-Ionen Batterien sowohl für Traktionsanwendungen als auch für stationäre Speichersysteme. Das zu entwickelnde System erfasst die inneren Degradierungskennwerte der Batterie mit Hilfe von sowohl modell- als auch signalbasierten Verfahren, analysiert die statistischen Zusammenhänge zwischen Betriebsbedingungen und Degradierung und optimiert den Ladebetrieb der Batterie unter Berücksichtigung der Degradierung zielend auf eine Erhöhung der Lebensdauer des Speichersystems. Somit kann der Nutzer der Batterie die Alterungserscheinungen rechtzeitig entdecken und den Betrieb im Hinblick auf die Lebensdauer der Batterie anpassen. Der Einsatz eines derartigen Systems dient der Verlängerung der Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie und somit der effektiven Weiterentwicklung und Verbreitung von Elektromobilitätskonzepten sowie regenerativen Energiesystemen. Das Ergebnis des Vorhabens adressiert in der ersten Linie Entwickler und Systemintegratoren von mobilen und stationären Speichersystemen. Das Land Hessen verfügt über ein interdisziplinäres Forschungs- und Entwicklungsnetzwerk auf dem Gebiet der Elektromobilität. Die zahlreichen Projekte der Landesregierung unterstützen diese Aktivitäten. Das Themenfeld des System-Engineerings, insbesondere der optimalen Integration von elektrochemischen Speichersystemen, bleibt jedoch unzureichend berücksichtigt. Durch das hier beantragte Vorhaben wird die Forschungs- und Industrielandschaft um dieses Thema ergänzt, wovon die hessischen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen aus benachbarten Bereichen (Leistungselektronik, Speichertechnologie, Fahrzeugtechnik) profitieren.

Übergeordnete Zielsetzung des FuEuI-Projektes ist der anwendungsorientierte Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens Metall-Laserstrahlschmelzen (SLM) zur Herstellung von tragenden Leichtbau-Strukturen im Automobil. Durch die Verwendung topologie- und funktionsoptimierter Strukturbauteile werden neue Fahrzeugtechnologien und Mobilitätskonzepte ermöglicht.

Die additive Fertigung gilt als ideale Fertigungstechnologie für die Industrie 4.0. Der Prozess ist durch seine Digitalisierung flexibel einstellbar, schnell variierbar und materialeffizient. Die nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit lässt sich unmittelbar für den Leichtbau nutzen, z.B. um das hohe, zusätzliche Batteriegewicht bei Elektrofahrzeugen oder auch die zusätzlichen Massen der ständig wachsenden Anzahl an Elektronikkomponenten für Sicherheit und Komfort im Fahrzeug zu kompensieren. Dadurch kann ein maßgeblicher Beitrag zu einer emissionsarmen und ressourcenschonenden Mobilität geleistet werden.

Folgende Teilziele ergeben sich direkt aus den bekannten aktuellen Herausforderungen des SLMVerfahrens: Weiterentwicklung für und Übertragung der SLM-Technologie in den Automobilbau. Schnellere und effizientere Fertigung durch angepasste Belichtungsstrategien reduzieren die Bauzeiten und senken die Fertigungskosten. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass sich Bauteile in reproduzierbarer Qualität
fertigen lassen. Damit verbunden ist die Vorbereitung der additiven Fertigung für die Serienproduktion.

Hierzu soll eine Modifizierung des SLM-Fertigungsverfahrens vorgenommen werden, um über die Belichtungs- bzw. Aufbaustrategie gezielte Anpassungen der lokalen Werkstoffeigenschaften an die Belastungsanforderungen insbesondere in hochbeanspruchten Bauteilbereichen vorzunehmen. Die additive Fertigung bietet die besondere Möglichkeit, in Bauteilen gradierte Werkstoffeigenschaften einzustellen und ist dadurch ein Schlüssel zur Umsetzung neuer, intelligenter Mobilitätskonzepte wie alternativ angetriebener Fahrzeuge.