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Information für die Wissenschaft Nr. 47 | 6. August 2013
„Intrinsische Hybridverbunde – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung“ (SPP 1712)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunkt-programms „Intrinsische Hybridverbunde – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung“ (SPP 1712) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre, bestehend aus zwei dreijährigen Förderperioden, vorgesehen.

Der Einsatz von Leichtbautragstrukturen bietet heutzutage die Möglichkeit, eine signifikante Gewichtsreduzierung zu realisieren. Bei der Gestaltung dieser Leichtbautragstrukturen müssen, je nach Anwendungsfall, eine Vielzahl an Anforderungen berücksichtigt werden. Eine komplette Substitution eines Werkstoffes ist für die konsequente Nutzung des Leichtbaupotenzials nicht immer zielführend. Die optimale Gesamtstruktur besteht aus einer hybriden Werkstoffkombination, dem sogenannten Multi-Material-Design. Der Ansatz der Hybridisierung von Strukturkomponenten rückt somit immer stärker in den Vordergrund und kann grundsätzlich nach zwei unterschiedlichen Methoden erfolgen. Dabei sind die gefügten Hybridverbunde durch nachgeschaltete Prozesse (Post Moulding Assembly), wie zum Beispiel Kleben oder Schrauben, bereits etabliert, schöpfen das Leichtbaupotenzial jedoch nicht voll aus. Ein alternativer Ansatz ist die Herstellung in einem einstufigen Prozess, wobei die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- oder Umformprozess ohne nachfolgenden Fügeprozess erfolgt. Die Begriffsbildung zur Beschreibung dieser Prozesse ist noch nicht vereinheitlicht und wird im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms mit dem Begriff „Intrinsisches Hybrid“ im Sinne der folgenden Definition verwendet: Ein intrinsisches Hybrid ist ein integrales Bauteil, bei dem die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- bzw. Umformprozess der metallischen oder endlosfaserverstärkten Komponente erfolgt. Somit ist kein nachgeschalteter Fügeprozess notwendig.

Der zentrale Ansatz dieses Schwerpunktprogramms ist die ressourceneffiziente Fertigung, Charakterisierung und Auslegung lastoptimierter, intrinsischer Hybridbauteile für Leichtbautragstrukturen. Im Kontext dieses Schwerpunktprogramms werden ausschließlich Strukturbauteile aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen in Verbindung mit einer metallischen Komponente betrachtet. Die Herstellung von Halbzeugen ist nicht Gegenstand der geplanten Forschungsarbeiten.

Diese Hybridbauteile können zusätzlich durch Lang- oder Kurzfasern verstärkt sein, wobei die Krafteinleitung und eine mögliche Kraftübertragung über die Endlosfasern realisiert werden. Dabei wird sowohl die Herstellung flächig verbundener Hybridbauteile als auch eine lokale Integration metallischer Einleger, wie zum Beispiel Krafteinleitungselemente, im Fertigungsprozess betrachtet. Neben Fragestellungen zu neuen Herstellungs- und Qualitätssicherungsverfahren für intrinsische Hybridbauteile werden Themen der Materialmodellierung und -charakterisierung sowie Simulations- und Auslegungsmethoden Teile der Expertise darstellen, die von den beteiligten Disziplinen zur Lösung dieser Aufgabenstellung wissenschaftlich untersucht wird. Aus der Bandbreite an Themenstellungen folgt gleichzeitig, dass nur durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Bereiche „Produktionstechnik“, „Werkstoffwissenschaften“ und „Technische Mechanik“ die komplexen Prozesse der intrinsischen Hybridisierung in angemessener Weise beschrieben werden können. Es ist daher vorgesehen, dass Anträge vorzugsweise als sogenannte Kombi-Anträge aus allen drei Disziplinen eingereicht werden sollen. Somit wird eine durchgängige interdisziplinäre Zusammenarbeit unter gleichzeitiger Sicherstellung der Validierung aller erzielten Ergebnisse erreicht. Neben diesen Kombi-Anträgen können Einzelanträge eingereicht werden, die sich durch ein hohes Maß an Innovation bezüglich der Prozesse, Methoden und Verfahren auszeichnen sollen. Die einzureichenden Einzelanträge können sich dabei thematisch an eingereichte Kombi-Anträge angliedern. Dies ist jedoch nicht als Grundvoraussetzung zu verstehen. Bezüglich der einzelnen Teilgebiete Produktionstechnik, Materialwissenschaften und Technische Mechanik ergeben sich folgende Fragestellungen.

Produktionstechnik:

  • Das Ziel der Produktionstechnik innerhalb des Schwerpunktprogramms besteht in der grundlegenden Untersuchung von Fertigungsverfahren, Herstellprozessen und Qualitätssicherungsverfahren für intrinsische Hybridbauteile. Im Fokus der Arbeiten steht die Sicherstellung einer hohen Reproduzierbarkeit bei der Herstellung sowie das Einstellen von anwendungsangepassten Eigenschaften, wie zum Beispiel Steifigkeit und Festigkeit, Crasheigenschaften oder Ermüdungseigenschaften für das jeweilige intrinsische Hybrid. Neben den Untersuchungen von Fertigungsverfahren für intrinsische Hybridbauteile gilt es, Verfahren zu entwickeln, die die exakte lokale Positionierung von metallischen Einlegekomponenten im Hybridbauteil ermöglichen, und zudem die optimale Kraftein- und -ausleitung in den Verbund bzw. in die Endlosfaserstruktur erlauben. Produktionstechnische Fragestellungen ergeben sich hierbei zum Beispiel hinsichtlich einer geeigneten Geometrie von Metalleinlegern, Verfahren zur Beschichtung oder Vorbehandlung der Metalloberflächen sowie der Untersuchung prozesstechnischer Grenzen bei der Bauteilherstellung. Die Auswirkungen auf gleichzeitige oder nachfolgende Umformprozesse (duroplastische Prepregs, Organobleche) bzw. Formfüllprozesse (Flüssigimprägnierverfahren) sind in diesem Zusammenhang ebenfalls zu untersuchen und dementsprechend zu optimieren. Prozessübergreifend sind Untersuchungen zu geeigneten Qualitätssicherungskonzepten bei den Fertigungsschritten intrinsischer Hybridverbunde unerlässlich. Die exakte Positionskontrolle von Einlegeelementen, die Erkennung von Lage, Falten, Faserorientierung und Delaminationen sowie weiterer möglicher Beschädigung der Matrix und Fasern sollen Gegenstand der Arbeiten sein. Für den effizienten Einsatz neuer Qualitätssicherungsverfahren müssen auch hier Fragestellungen zu Zykluszeiten, Robustheit der Verfahren sowie prozessintegrierte und simulationsgestützte Prüfmethoden grundlegend untersucht werden.

Werkstoffwissenschaft:

  • Im Bereich der Materialwissenschaften steht als wesentliches Ziel die Ableitung von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen intrinsischer Hybride im Vordergrund. Dazu ist auch die Weiterentwicklung bzw. Anpassung von Prüfmethoden notwendig, um insbesondere das Verhalten bzw. die Schädigungsentwicklung intrinsischer Hybride unter bauteilnahen Beanspruchungen aufzuklären. Dies implementiert vor allem auch wissenschaftliche Fragestellungen, die die Anbindung zwischen metallischer und polymerer Komponente sowie die Ermittlung von Kennwerten zur Quantifizierung der Anbindung betreffen. In diesem Zusammenhang sind die Eigenschaften der Grenzfläche in den Verbunden und die Veränderung dieser Eigenschaften unter Belastungen wesentlich. Auch die Frage nach der Lastverteilung innerhalb des Verbundes, des Entstehens und der Veränderung von Eigenspannungen sowie der Schädigungsmechanismen sind in diesem Zusammenhang wissenschaftliche Fragestellungen. Diese Erkenntnisse sind der Ausgangspunkt für die strukturmechanische Modellierung im Bereich der Werkstoffmechanik auf mikrostruktureller Ebene sowie im Bereich der Kontinuumsmechanik und der Konstruktion auf Bauteilebene. Daraus abgeleitet folgt konsequent die konstruktive Optimierung der intrinsischen Hybride in Topologie und Aufbau.

Technische Mechanik:

  • Im Bereich der Mechanik steht die Weiter- und Neuentwicklung sowie numerische Identifikation und Implementierung von Material- und Strukturmodellen für die Dimensionierung von intrinsischen Hybridverbunden im Vordergrund. In diesen Modellen sollen materielle Inhomogenitäten und Anisotropien, thermomechanische Kopplungen sowie geometrische und physikalische Nichtlinearitäten, zum Beispiel infolge inelastischer Deformationen oder Schädigungsmechanismen, berücksichtigt werden. Die wesentlichen Schwerpunkte der Forschungsarbeiten liegen i) in der robusten numerischen Modellierung der Einzelkomponenten sowie der Grenzflächen, ii) der Modellierung komplexer Herstellungsprozesse von Hybridverbunden, iii) der Abbildung der betreffenden Material- und Bauteileigenschaften unter statischen, dynamischen und thermischen Lasten für den gesamten Lebenszyklus der Bauteile und iv) der Optimierung von Fertigungsprozessen und Materialkombinationen. Die erarbeiteten Material- und Strukturmodelle zeichnen sich durch eine hohe Prognosegüte aus und bilden die Grundlage für eine effiziente Bauteil- und Prozessoptimierung. Sie ermöglichen die Erschließung neuer Einsatzbereiche für Hybridverbunde durch optimale thermomechanische Eigenschaftskombinationen und optimale Fertigungsprozessgestaltung.

Es wird darauf hingewiesen, dass auf Untersuchungen zum Thema der Nachbearbeitung hybrider Werkstoffverbunde bewusst verzichtet wird. Trotz der wissenschaftlichen Bedeutung von Fragestellungen aus diesem Gebiet, soll innerhalb des Schwerpunktprogramms auf intrinsische Hybride fokussiert werden, die ohne nachträgliche Bearbeitung gefertigt werden. Ferner findet diese Thematik in einer Vielzahl von weiteren Forschungsvorhaben eine große wissenschaftliche Plattform, in der diese Fragestellungen gezielter und effizienter behandelt werden können.

Die eingehenden Anträge werden voraussichtlich am 28. Januar 2014 im Rahmen eines Kolloquiums mit anschließender Gutachtersitzung besprochen. Die Antragsstellerinnen und Antragsteller werden rechtzeitig nach Antragseingang von der DFG dazu eingeladen.

Reichen Sie den Antrag mit sämtlichen Anlagen in elektronischer Form über das elan-Portal bis zum 18. Oktober 2013 bei der Geschäftsstelle der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Dr.-Ing. Ferdinand Hollmann) unter dem Kennwort „SPP 1712" ein.

Ein weiteres Exemplar des Antrags ist in elektronischer Form an den Koordinator des SPP 1712 zu senden.

Weiterführende Informationen

Ausführlichere Informationen finden Sie im Internet unter

Den Zugang zur Antragstellung über das elan-Portal finden Sie unter:

Das Merkblatt zu Schwerpunktprogrammen (DFG-Vordruck 50.05) steht unter:

Fachliche Fragen beantwortet der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer,
    wbk Institut für Produktionstechnik Karlsruhe,
    Kaiserstraße 12,
    76131 Karlsruhe,
    Tel.: +49 721/608-44009,
    E-Mail: Juergen.Fleischer@kit.edu

Ansprechpartner bei der DFG für fachliche Fragen der Antragstellung:

Ansprechpartnerin bei der DFG für formale Fragen der Antragstellung:

  • Anita Dittrich,
    DFG,
    Kennedyallee 40,
    53175 Bonn,
    Tel.: +49 228 885-2480,
    E-Mail: Anita.Dittrich@dfg.de

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