Entwicklung von innovativen Faserverbundantriebswellen in Hybridbauweise – Funktionsintegration und Leichtbau über neuartige Materialkombinationen

Die Anforderungen an neue Antriebssysteme in Fahrzeugen und industriellen Anlagen sind vielfältig und von Volatilitäten geprägt [1]. Gesellschaftliche Trends, stetig wachsender Wettbewerbsdruck und gesetzliche Rahmenbedingungen [2] stellen Systemhersteller und Zuliefererunternehmen vor neue Herausforderungen in der Produktentwicklung. Ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt ist die Gewichtsreduktion durch werkstoffliche und konstruktive Leichtbaukonzepte. Der Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist dabei bereits in gewichtskritischen Bereichen, wie der Luftfahrtindustrie, etabliert und gewinnt auch in anderen Marktsegmenten des Transportbereiches stetig an Relevanz [3]. Strukturbauteile der Antriebstechnik, welche mit großem Leichtbaupotenzial einhergehen sind Antriebs- und Kardanwellen. Die hochbelasteten Bauteile bieten durch die Werkstoffsubstitution von Stahl zu FKV ein Gewichtseinsparpotenzial von über 50 % [4, 5]. Aus diesem Grund werden die FKV-Antriebswellen bereits in Automotive-Anwendungen [4‐6], in der Flugzeugtriebwerkstechnik als radiale Antriebswellen [7] und in Schiffsantrieben eingesetzt [8]. Ein erheblicher Nachteil im Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in der Großserie liegt immer noch in den höheren Kosten der Komponenten. Durch den Einsatz neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen ergeben sich jedoch Möglichkeiten zur Reduktion der Teilevielfalt und des benötigten Bauraums, wodurch höhere Werkstoff- und Fertigungskosten kompensiert werden können. In diesem Beitrag wird eine neuartige Faserverbundantriebswelle in Faser-Kunststoff-Verbund/Elastomer (FVK/E) – Hybridbauweise vorgestellt. Infolge der Hybridarchitektur des Materials und dem Konzept der elastomerbasierten Dehnungsentkopplung der lasttragenden Faserverbundbereiche lässt sich die Spannungsführung im Bauteil optimieren. Über die bauartbedingte Funktionsintegration von Längs‑, Lateral- und Winkelversatzkapazität sowie eine hohe Torsionselastizität bildet die Antriebswelle integrativ die Eigenschaften elastischer Kupplungen ab. Das Ziel ist die Reduktion der Masse des Drehmomentübertragungssystems durch die Erhöhung des Funktionswertes der Antriebswellenkomponente. Mögliche Marktbereiche finden sich in der maritimen Antriebstechnik und in stationären Industrieanwendungen. Der Technologische Reifegrad der Lösung kann derzeit mit dem Technology Readiness Level (TRL) 6 bewertet werden. Die technische Machbarkeit wurde nachgewiesen und wird über Prototypen in der Einsatzumgebung geprüft. Neben grundsätzlichen Problemstellungen, die aus der Entwicklung von konventionellen Faserverbundantriebswellen bekannt sind, stellt die Weiterentwicklung der Hybridmaterialarchitektur die Produktentwicklung vor bekannte und neue Probleme. Bekannte Problemstellungen in der Auslegung des freien Wellenbereiches werden in [4, 5, 9, 10] beschrieben. Weiterhin ist die Gestaltung des Krafteinleitungsbereiches Bestandteil von Entwicklungsarbeiten von FKV-Antriebswellen [7, 9]. Kernfragestellungen der neuen Hybridmaterialarchitektur liegen in der Wahl der Konstruktionsparameter, in der Materialauswahl, in der Gestaltung des Lasteinleitungsbereiches, in der Fertigungstechnologie und in der Vorhersage des Bauteilverhaltens in stabilitäts- und festigkeitskritischen Lastbereichen sowie im Langzeit- und Ermüdungsverhalten. In diesem Beitrag wird die Gestaltung des freien, torsionstragenden Wellenbereiches fokussiert, welcher systematisch in Finite-Elemente-Simulationen und Funktionsmusterprüfungen auf einen Referenzanwendungsfall ausgelegt wird. Ziel dieses Beitrags ist die experimentelle Validierung des Konzeptes. Dazu werden zunächst die Torsionssteifigkeiten von Funktionsprototypen in drei unterschiedlichen Längen untersucht und Simulationsergebnissen gegenübergestellt. Anschließend wird die Torsionstragfähigkeit an einem Baumuster mittlerer Länge untersucht. Der Fokus liegt auf dem Stabilitätsverhalten des gewählten Durchmesser-Längen-Verhältnisses. Ein Langzeitlastversuch gibt Aufschluss über die materialspezifischen Retardationsphänomene. Abschließend wird ein Torsionsschwellversuch durchgeführt, um Material- und Bauteilermüdungseigenschaften zu untersuchen. Zur Analyse des Bauteilverhaltens wird die optische Dehnungsmesstechnik der digitalen 3D-Bildkorrelation (engl. Digital Image Correlation – DIC) eingesetzt. Die Ergebnisse der Prototypenversuche werden Simulationsergebnissen und Materialuntersuchungen gegenübergestellt, um Optimierungspotenziale zu identifizieren.

Dieser Beitrag fokussiert die Auslegung und die experimentelle Eigenschaftsabsicherung des freien Wellenbereiches für eine neuartige Hybridmaterialarchitektur in FVK/E-Bauweise für die torsionstragende Schicht. Das Konzept sieht einen Aufbau aus separaten Schichten in Form von helixförmig gewickelten Faserverbundsträngen vor, welche entlang der orthogonalen Hauptspannungen gerichtet sind. Abb. 3 zeigt exemplarisch einen Funktionsprototypen zur Untersuchung der Eigenschaften der Hybridmaterialarchitektur mit einem freien Funktionsbereich von l_f. Dieser besteht aus einer FKV-Außenhelix (Abb. 3 (1)) und einer gegenläufigen FKV-Innenhelix (Abb. 3 (3)). Die Zwischenschicht aus einem technischen Elastomer (Abb. 3 (2)) ermöglicht eine Dehnungsentkopplung der gegenläufig gerichteten FKV-Bereiche. Die Lasteinleitung erfolgt über die Lasteinleitungsbereiche (Abb. 3 (4)), welche in diesem Beitrag keine tiefergehende Betrachtung finden.

Durch die Helixform und die damit vorliegenden Entkopplungsspalten können sich Schubverformungen zwischen parallel gerichteten Helixwicklungen ausbilden, wodurch die bauartbedingt hohe Torsionselastizität ermöglicht wird. Die Elastomerzwischenschicht, welche eine elastische Ausgleichszone darstellt, vermindert die Übertragung von Faserlängsdehnungen der äußeren Helixwicklungen auf die gegenläufige Innenwicklung. Der Effekt kann als Querdehnungsentkopplung beschrieben werden [18]. Bauartbedingt lässt sich der Funktionsprototyp (Abb. 3) in der Rotationsrichtung, welche die FKV-Außenwicklung auf Zug beansprucht, höher belasten (Nennlastrichtung) als in die entgegengesetzte Richtung. In der Systemauslegung für die potenzielle Anwendung ist diese Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der Tragfähigkeit zu berücksichtigen.

Das in Abb. 3 dargestellte Funktionskonzept der FKV/E-Hybridbauweise realisiert Funktionseigenschaften nachgiebiger, elastischer Wellenkupplungen integrativ über die Materialarchitektur. Die Funktionsintegration erfordert neue Auslegungsstrategien in der Produktentwicklung, um den Anforderungen beider Funktionselemente (Antriebswelle und Kupplung) gerecht zu werden. Der Auslegungsprozess für das Bauteilkonzept folgt dem etablierten Produktentwicklungsprozess nach VDI 2221 [19, 20] und der kombinierten virtuell-reellen Methodik des konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) für komplexe Faserverbundkomponenten basierend auf [13, 21, 22]. Für die Betrachtung der durch die Hybridmaterialarchitektur hervorgerufenen Torsionselastizität sind grundlegende Auslegungsaspekte der DIN 740‑2 zu berücksichtigen. Abb. 4 zeigt das aus den bestehenden Methoden abgeleitete und für diese Anwendung entwickelte methodische Vorgehen in der Auslegung des freien Wellenbereiches in FKV/E-Hybridbauweise.

In diesem Beitrag liegt der Fokus auf der strukturmechanischen Analyse des torsionstragenden 3‑schichtigen FKV/E-Hybridaufbaus, bestehend aus Außenwicklung, Innenwicklung und Elastomerzwischenlage. Für die Auslegung wird ein Referenzanwendungsfall mit einem Nenndrehmoment von 1 kNm und einer Torsionselastizität von 10 kNm/rad bei einer Funktionslänge von 450 mm definiert. Zur Untersuchung der vorgestellten Hybridmaterialarchitektur werden Funktionsprototypen gefertigt, über welche die Simulationsergebnisse validiert und Material- und Konstruktionsparameter geprüft werden können. Die Prototypen haben einen freien Funktionsbereich l_f von 180, 450 und 838 mm. Für alle drei Bauteillängen wird die Torsionssteifigkeit gemessen. Die 450 mm – Prototypen dienen zur Untersuchung des Bruchlast- und Retardationsverhaltens. In einem Torsionsschwellversuch wird ein Funktionsprototyp mit einer Funktionslänge von 180 mm geprüft. Das Stabilitätsverhalten, welches eine ausgeprägte Abhängigkeit der Bauteillänge aufweist, wird in dem zyklischen Torsionsschwellversuch nicht betrachtet. Für die Fertigung der FKV-Helix-Lagen wird ein endlos-glasfaserverstärktes Epoxidharz (EP-GF) verwendet. Für die Zwischenlage wird ein Polyurethan Elastomer (PUR) eingesetzt. Die Versuche laufen auf einem servo-hydraulischen Torsionsprüfstand mit einem maximalen Drehmoment von 8 kNm und einem maximalen Verdrehwinkel von ±60°. Der Prüfstand erfasst das Drehmoment über einen DMS-basierten Messflansch und den Drehwinkel über einen Inkrementalaufnehmer. Als Analysesystem zur optischen Erfassung von Geometrie- und Dehnungsparametern wird das digitale Bildkorrelationssystem (DIC) Q400 des Herstellers LIMESS Messtechnik mit der zugehörigen Software Istra 4D von Dantec Dynamics eingesetzt. Die Sensordaten des Prüfstands werden mit dem DIC-System synchronisiert. Der optisch erfasste Messbereich beträgt 140 mm und ist axial auf dem Prüfkörper zentriert. Auf dem Prüfkörper wird ein Speckle-Muster aufgetragen, welches für das digitale Bildkorrelationsverfahren notwendig ist. Abb. 5 zeigt den Versuchsaufbau mit einem eingespannten Funktionsprototypen (hier: 180 mm Funktionslänge) und dem Messaufbau zur optischen Deformations- und Dehnungsmessung. Der Versuchsaufbau für die weiteren Funktionsmuster erfolgt analog.

Die linke Seite des Bauteils ist fest eingespannt, während über die rechte Seite eine statische oder zyklisch-wechselnde Torsionslast aufgebracht wird. Über die Spannvorrichtung lässt sich zudem ein definierter Axial- und Radialversatz einstellen. Die Untersuchung der Tragfähigkeit unter radialem oder axialem Versatz ist nicht Bestandteil dieser Untersuchung. Im Auswertungsbereich der DIC können lokale Dehnungsfelder erfasst und als Konturplot dargestellt werden. Die Erfassung von Kennwerten erfolgt über virtuelle Extensometer, welche tangential an der Bauteiloberfläche anliegen. Abb. 6 zeigt den Ausschnitt der DIC-Messung mit 6 Auswertesektionen, in welchen die Extensometer platziert wurden, in der Drauf- und Seitenansicht.

Über die Extensometer werden die Koordinaten in Faserlängsrichtung erfasst. Damit lassen sich beispielsweise Längsdehnungen auswerten. Weiterhin wird über das in die yz-Ebene projizierte Kreissegment ein Kreisfit errechnet, mit welchem der Bauteildurchmesser für jedes Segment erfasst werden kann. Ein Nachteil der Messung ist, dass lediglich ein Teilkreis von ~ 45° der Zylinderaußenfläche im Bildbereich der Kameras liegt. Über die Integration zusätzlicher Kameras (z. B. 4‑ oder 8‑Kamera-System) lässt sich die ausgewertete Mantelfläche erhöhen. Die Aufnahme der Bilder kann entweder zeitgetaktet oder über ein Trigger-Signal erfolgen.

Tab. 1 gibt einen Überblick über die im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführten Prüfungen.

Das Konzept der präsentierten Hybridmaterialarchitektur wird zunächst über die Messung der Torsionssteifigkeit validiert. Um einen messtechnischen Nachweis über die längenabhängigen Steifigkeiten zu erhalten werden drei verschiedene Bauteile mit einem Funktionsbereich von 180 bis 838 mm geprüft. Die Messergebnisse werden mit simulierten Kennwerten abgeglichen. Über einen Maximallastversuch soll die maximale Torsionstragfähigkeit ermittelt werden. Der Versuch liefert Erkenntnisse über den für das Bauteil dominierenden Versagensmechanismus und die Aussagefähigkeit von Finite-Elemente-Beulsimulationen. Anschließend wird ein Versuch zur Langzeitbelastung durchgeführt, in welchem ein statisches Drehmoment angelegt wird, um das materialspezifische Retardationsverhalten zu untersuchen. Über einen Torsionsschwellversuch wird das Bauteil hohen zyklisch-schwellenden Drehmomenten ausgesetzt. Im Fokus steht hier die Ermittlung von Materialcharakteristika, wie Steifigkeitsdegradation und Retardationsverhalten, unter zyklischen Beanspruchungen.

Zunächst wird die Torsionssteifigkeit für drei verschiedene Bauteillängen geprüft. Das 838 mm – Funktionsmuster verfügt dabei über eine zusätzliche dehnungsentkoppelte 0°-Lage zur Erhöhung der biegekritischen Drehzahl. Diese wurde als äußere Schicht auf den bestehenden 3‑Schicht-Aufbau aufgebracht. Der schematische Aufbau der Bauteile mit 0°-Versteifungsbereich wird in Abb. 7 dargestellt.

Fokus der Betrachtung ist jedoch der torsionstragende 3‑Schicht-Aufbau mit \(\gamma =\pm 45{^{\circ}}\). Abb. 8 zeigt die simulierten und gemessenen Torsionssteifigkeiten der Hybridmaterialarchitektur (FKV/E) gegenüber einem ±45-Torsionsrohr (FKV) mit vergleichbaren Material- und Geometrieeigenschaften, jedoch ohne Dehnungsentkopplungsschichten und Ausgleichsspalten. Es ist ersichtlich, dass sich die Torsionssteifigkeit über den konstruktiven Aufbau reduzieren lässt.

Die Steifigkeitsreduktion des Triebstrangs kann über die Funktionslänge l_f definiert eingestellt werden. Die gemessenen Steifigkeiten sind im Vergleich zu konventionellen FKV-Antriebswellen deutlich reduziert und liegen auf einem Niveau, welches üblicherweise nur über den Einsatz von elastischen oder hochelastischen, nichtschaltbaren Kupplungen erreicht wird. Als Referenz können gummielastische Kupplungen hoher Elastizität mit einem Nenndrehmoment von 1 kNm aus einschlägigen Tabellenwerken herangezogen werden, welche dynamische Torsionssteifigkeiten im Bereich von 7–8 kNm/rad aufweisen [23, 24]. Das Potenzial des Konzeptes in Bezug auf die Torsionselastizität und auf die Schwingungsentkopplungsfähigkeit ist damit im Grundsatz nachgewiesen. Das Verhalten auf Biegeschwingungen unter Rotationsbeanspruchung ist nicht Teil dieser Betrachtung, im Produktentwicklungsprozess jedoch unerlässlich. Das Stabilitätsverhalten wird nachfolgend simulativ und experimentell analysiert.

Grundsätzlich ist zwischen Festigkeitsversagen und Stabilitätsversagen zu differenzieren. Ein Festigkeitsversagen tritt auf, wenn Werkstofffestigkeiten lokal überschritten werden. Ein Stabilitätsversagen äußert sich über ein Beulen oder Knicken des Bauteils. Torsionsbelastete, dünnwandige Zylinder neigen unter hohen Torsionslasten zum Torsionsbeulen. Im Idealfall sollten Festigkeits- und Stabilitätsversagen gleichzeitig auftreten, um das Auslegungsoptimum zwischen konstruktiver und werkstofftechnischer Gestaltung zu treffen [4]. Im ersten Schritt der strukturmechanischen Untersuchung erfolgt die experimentelle Eigenschaftsabsicherung der numerischen Vorauslegung auf Grundlage von Funktionsprototypen. Die Auslegung des Bauteils gegen Stabilitätsversagen erfolgt über eine zweistufige Finite Elemente (FE) – Simulation in ANSYS Mechanical. Die erste Stufe umfasst eine drehwinkelgesteuerte Vorlast bis 25°, bei welcher kein Versagen erwartet wird. Die zweite Stufe wird über Reduktion der Schrittweite feiner aufgelöst und beinhaltet das Bauteilversagen (Stützstellensimulation). Durch die numerische Instabilität der hervorgerufenen großen Verformung wird der letzte numerisch lösbare Simulationsschritt der quasi-statischen Analyse als Versagenseintritt definiert. Simuliert wird ein Bauteil mit einem freien Funktionsbereich von 450 mm. Der Abgleich erfolgt über einen drehwinkelgesteuerten Maximallastversuch mit einer Vorgabegeschwindigkeit von 10°/min. Abb. 9 zeigt die Drehwinkel-Drehmoment-Verläufe für die FE-Simulation und die Bruchlastprüfung des untersuchten Funktionsmusters. Der Versagenseintritt durch Torsionsbeulen wird in der Simulation bei einem Drehwinkel von 26° und einem Drehmoment von 5227,4 Nm berechnet. Zudem sind drei diskrete Analyseergebnisse der Gesamtbauteilverformung bei einem Verdrehwinkel von 10°, 25° und 26° dargestellt. Die Vergrößerung der Verformung ist konstant auf Faktor 1,0 eingestellt. Auffällig ist, dass bis zu einem Auslastungsgrad von 98 % der maximal simulierten Schrittweite kein sichtbares Torsionsbeulen vorliegt, welches anschließend jedoch bei fortschreitendem Drehwinkel deutlich ersichtlich wird.

Im Versuch tritt das endgültige Bauteilversagen bei 5566 Nm und einem Winkel von 31,28° ein. Die Messung lässt sich in drei Bereiche einteilen. Diese werden über die Analyse des Versuchs mittels 3D-DIC ermittelt, um das Stabilitätsverhalten zu bewerten. Dabei wird der Durchmesser der 6 Sektionen ausgewertet. Die Ergebnisse der DIC-Analyse sind in Abb. 10 dargestellt. Die Durchmesseränderung \(\Updelta D(T)\) wird über das anliegende Drehmoment aufgetragen. Bereich I bildet dabei ein stabiles Bauteilverhalten mit \(\Updelta D(T)\) < 1 mm ab. Es ist jedoch festzustellen, dass eine messbare Bauteildeformation im Versuch (3 kNm) bereits vor dem simulierten Torsionsbeulen (5,1 kNm) auftritt. In Bereich II, ab einem Drehmoment von 4,6 kNm und einem Drehwinkel von 26°, beginnt ein progressives Anwachsen von \(\Updelta D(T)\). Fertigungs- und werkstoffbedingt liegen in physischen Bauteilen lokale Geometrieabweichungen vor, über welche bei hohen Lasten Instabilitäten induziert werden, noch bevor die Stabilitätsgrenze der idealen Bauteilgeometrie des FE-Modells erreicht wird. Bereich III kennzeichnet den Versagenseintritt. Die Fitting-basierte Durchmesseränderung \(\Updelta D(T)\) erreicht Werte über 4 mm. Eine valide Aussage über den absoluten Wert des Bauteildurchmessers über die Fitting-Funktion lässt sich ab hier nicht mehr treffen, da die Geometrie deutlich von einem kreisförmigen Querschnitt abweicht. In Bereich III schlägt das Bauteil durch.

Zusätzlich zur optischen Überwachung der Außenkontur wurde eine endoskopische Aufnahme des Bauteilinneren durchgeführt. Basierend auf den Erkenntnissen wird folgende Versagenshypothese formuliert. Das Bauteilversagen setzt stabilitätsbedingt durch die deutliche Beuldeformation ein, wodurch die Faserverbundbereiche in einen undefinierten Beanspruchungszustand versetzt werden. Dieser Beanspruchungszustand führt zu einer Initiierung von Zwischenfaserbrüchen der druckbeanspruchten Innenhelixwendel, welche für das Bauteilversagen verantwortlich sind. Für die Strukturauslegung kann aus der optischen Deformationsmessung des realen Versuchs der folgende Rückschluss gezogen werden. Für das vorliegende Bauteil mit einem Funktionsbereich von 450 mm wird die Struktur bei Bauteilbeanspruchungen von über 4,6 kNm in einen instabilen Zustand versetzt, welcher das Bauteilversagen einleitet.

In diesem Beitrag wird eine neuartige Hybridmaterialarchitektur aus Faserverbundkunststoffen mit Elastomerzwischenschichten (FKV/E) vorgestellt. In der Anwendung an Torsionsträgern ermöglicht das Materialkonzept eine Integration von elastischen Kupplungseigenschaften in den freien Wellenbereich einer Faserverbundantriebswelle. Im Fokus der Untersuchung stand die Untersuchung des torsionstragenden 3‑Schicht-Aufbaus aus Innenwicklung, Elastomerzwischenlage und Außenwicklung. Das Prinzip der elastomeren Dehnungsentkopplung und der Drehwinkelversatzkapazität über Elastomerzwischenlagen und einen helixförmigen Aufbau der FKV-Strukturen wurde simulativ und über Steifigkeitsmessungen an Funktionsprototypen für drei Bauteillängen nachgewiesen. Es zeigt sich, dass sich durch den Einsatz der Hybridmaterialarchitektur eine, im Vergleich zu konventionellen FKV-Laminataufbauten, signifikant höhere Verlagerungskapazität erreichen lässt. Die Torsionssteifigkeit der betrachteten Bauteile kann durch den Einsatz der FKV/E-Hybridmaterialarchitektur deutlich verringert werden. Eine Substitution klassischer nichtschaltbarer Kupplungen ist anwendungsspezifisch zu prüfen. Es ist jedoch zu erwarten, dass vor allem das Schwingungsdämpfungsverhalten aufgrund des geringeren Materialeinsatzes bedeutend geringer ausfällt als bei klassischen Elastomerkupplungen. In modernen Antriebssystemen mit veränderten motorischen Randbedingungen ist jedoch eine weitaus geringere Schwingungsenergie zu erwarten. Über die gesamtheitliche Betrachtung eines Referenzanwendungsfalls und eine strukturdynamische Analyse kann das Potenzial der hier dargestellten Anwendung vollständig bewertet werden.

Fokus dieses Beitrags lag auf der strukturmechanischen Untersuchung der torsionstragenden Schicht in Überlast- und Dauerlastzuständen. Über optische Deformationsmesstechnik konnten Stabilitätssimulationen der Antriebswelle unter hohen Torsionslasten mit realen Versuchsdaten abgeglichen werden. Es zeigte sich, dass ein Stabilitätsverhalten im Versuch optisch erfasst und über geometrische Parameter ausgewertet werden kann. Im Versuch wurde das Auftreten von Instabilitäten auf niedrigeren Lastniveaus nachgewiesen, als in den zugehörigen Bauteilsimulationen prognostiziert. Die maximal ertragbare Bauteilbeanspruchung bis zum Bruch lag jedoch über der maximal simulierten Last. Neben der hier untersuchten Stabilitätsbetrachtung ist eine numerische Analyse über etablierte Schadenskriterien (z. B. Puck) zu berücksichtigen, um ein Festigkeits- und Stabilitätsmaximum der Gesamtkonstruktion zu finden. Die Versagensanalyse im Versuch kann über akustische Messtechnik erweitert werden, um das Versagen von FKV-Bereichen akustisch zu detektieren und zeitsynchron einzuordnen. Eine Steigerung des Detailgrades der Geometrieanalysedaten der 3D-DIC kann über die Implementierung von zusätzlichen Kameras in das Messsystem erreicht werden. So lässt sich die gesamte Zylindermantelfläche erfassen und das Beulmuster detaillierter abbilden.

Von hoher Bedeutung für die weitere Bauteilentwicklung ist die Abstimmung der hier betrachteten Stabilitäts- und Festigkeitsuntersuchung mit der Auslegung auf strukturdynamische Effekte, wie höherfrequente Torsions- und Biegeschwingungen. Diese wurden im Rahmen dieses Beitrags nicht vorgestellt, sind aber im Produktentwicklungsprozess und in Hinblick auf die Steigerung des technologischen Reifegrades gleichermaßen von Bedeutung. In diesem Zusammenhang sind auch Lebensdauernachweise für dynamisch-schwellende Lastzustände zu führen. Mit den hier vorgestellten Methoden lassen sich wichtige Erkenntnisse über Risswachstumseffekte sammeln, die in die Bauteilentwicklung einfließen.

Die Technologie der FKV/E-Hybridmaterialarchitektur bietet durch eine Optimierung der Spannungsführung und die hier betrachtete Funktionsintegration ein erhebliches Potenzial im konstruktiven Leichtbau. Anwendungen finden sich im industriellen Bereich sowie im Bereich der Mobilität und des Transportwesens. Aufgrund von erhöhten Werkstoff- und Entwicklungskosten der Technologie werden insbesondere gewichtskritische Anwendungsfelder adressiert. Die Bereitschaft Mehrkosten für Leichtbauanwendungen in Kauf zu nehmen ist stark branchenabhängig [26]. Als konkrete Applikationen eigenen sich Torsionsfederbauteile und Antriebswellen unterschiedlicher Baugröße.

In Bezug auf den Produktentwicklungsprozess kann eine Kopplung von erweiterten Simulationswerkzeugen und optischen Messverfahren den Abgleich von simulierten und realen Effekten an Funktionsmusterbauteilen ermöglichen. Das in der DIC berechnete Netz der Bauteiloberfläche kann in zukünftigen Arbeiten mit dem Netz des FE-Modells gekoppelt werden. Weiterhin kann eine Erweiterung der FE-Modelle um Materialschädigungsparameter und Ansätze zur Schadensakkumulation erfolgen [17, 27]. Damit kann der Einfluss von Anpassungen an der Bauteilstruktur auf das Bauteilschädigungsverhalten bereits in der frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses bewertet werden (Digitaler Zwilling). Dies bietet Entwicklungsabteilungen einen erheblichen Mehrwert und steigert die Effizienz im Produktentwicklungsprozess.