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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Das Hauptanliegen des Exzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen (MERGE)“ ist die Verschmelzung von großserientauglichen Basistechnologien zur ressourceneffizienten Herstellung von Bauteilen und Systemen hoher Leistungsund Funktionsdichte. Zukünftige Technologie- und Produktentwicklungen werden mehr denn je an der Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz sowie an der Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit unter Beachtung eines wirkungsvollen Klima- und Umweltschutzes gemessen. Daher ist die Erforschung von neuen Technologiekombinationen, die besondere Potenziale hinsichtlich Nachhaltigkeit und Breitenwirkung besitzen, von hohem wissenschaftlichem und wirtschaftlichem Interesse.
Lothar Kroll

10. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
Bei stetig steigender Mobilitätsdichte und Ressourcenknappheit erfordert der Umweltschutz neue Leichtbauansätze für massen- und energieeffiziente Produkte. Leichtbau ist daher die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Insbesondere dort, wo Komponenten und Systeme bewegt werden, steht der Gedanke der Gewichtsreduktion im Fokus, um Rohstoffe und Energie einzusparen. Bereits heute kommen unterschiedliche Leichtbauwerkstoffe und Konstruktionsprinzipien vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Transportwesen sowie im Maschinen- und Anlagenbau zur Anwendung. Allen Prinzipien ist gemein, dass die werkstoffimmanenten Vorteile gezielt den spezifischen Belastungen und Funktionsanforderungen dediziert werden. Solche Last- und Funktionsdedizierten Leichtbaustrukturen stellen eine neue Generation von leichten Bauteilen und Systemen dar, die aufgrund der speziellen Werkstoffkonstruktionen und -architektur unikale Produkteigenschaften aufweisen.
Lothar Kroll

11. Anhang

Zusammenfassung
Die institutionelle Konzentration der Forschungspartner in MERGE hat zu einer Prioritätensetzung der TU Chemnitz vor allem in den Kernkompetenzen „Ressourceneffiziente Produktion und Leichtbau“ und „Materialien und Intelligente Systeme“ geführt. Die Prioritätensetzung ist ein wichtiger Bestandteil der strategischen Planung der Universität und als solcher Teil der Hochschulentwicklungsplanung. Gemeinsam mit den universitätsnahen Forschungsinstitutionen am Standort: Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Fraunhofer Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS sowie den An-Instituten STFI und CETEX werden strategische Maßnahmen in der langfristigen Forschungsausrichtung zur Stärkung der Kernkompetenzen der TU Chemnitz abgestimmt und verfolgt. Der Exzellenzcluster MERGE ist seit 2013 eine Zentrale Einrichtung der Technischen Universität und bündelt alle koordinierten Forschungsaktivitäten mit dem Fokus auf fortschrittliche Leichtbautechnologien.
Lothar Kroll

12. Abkürzungsverzeichnis

Ohne Zusammenfassung
Lothar Kroll

13. Fakten und Zahlen

Ohne Zusammenfassung
Lothar Kroll

2. Hybride Bauweisen und Technologien

Zusammenfassung
Bei überlagerten mechanischen Belastungen und zusätzlichen Anforderungen hinsichtlich nicht-mechanischer Funktionen bieten „maßgeschneiderte“ Konstruktionen im Multi-Material-Design (MMD) das größte Leichtbaupotenzial. Bereits heute bestehen daher viele Systeme und Baugruppen aus mehreren Werkstoffen, die im Zusammenspiel ihre besten Eigenschaften zum Tragen bringen. Analog dem „Lehrmeister der Natur“ werden dabei sowohl der werkstoff- und gestaltbezogene Entstehungsprozess als auch die Bauweise selbst auf den jeweiligen Anwendungsfall adaptiert. Eine besondere Rolle spielen hier Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV), denn ihre variable, stark richtungsabhängige Eigenschaftscharakteristik kann zum einen konform zum Kraftfluss ausgeführt und zum anderen an zusätzliche Funktionen angepasst werden.
Lothar Kroll

3. Halbzeug- und Preformtechnologien

Zusammenfassung
Ressourcen- und Kosteneffizienz verlangen adaptierte und verknüpfte großserientaugliche Verfahren (sog. Merge-Technologien), die es zu entwickeln gilt. Die Verarbeitung von Fasern zu technischen textilen Preformen erlaubt es, diese Verstärkungskomponenten an die belastungsgerechten Einsatzbedingungen der Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde maßgeschneidert anzupassen. Neben der optimalen Auslegung der Preformen entsprechend der statischen, dynamischen und hochdynamischen Belastungen, können auch nicht-mechanische Funktionselemente in den Verbund integriert werden. Der Forschungsschwerpunkt liegt daher auf Serienprozessen zur Herstellung von uni- und multiaxialen thermoplastischen Halbzeugen sowie Preformen mit direkter (Vor)-Imprägnierung oder auch von bionisch inspirierten Verstärkungsstrukturen sowie deren Weiterverarbeitung zu hochfesten, hochsteifen hybriden Werkstoffverbunden.
Lothar Kroll

4. Metallintensive Hybridtechnologien

Zusammenfassung
Das Eigenschaftsspektrum hybrider Bauteile mit Metallkomponenten ist gegenüber dem von monolithischen Metallstrukturen deutlich erweitert. Das erlaubt es, Leichtbauanwendungen für komplexe Belastungen in Großserie zu erschließen. Aufgabenschwerpunkte liegen in der Erforschung von Hybridprozessen zur Fusion von Kunststoff-, Textil- und Elektronikkomponenten. Ziel ist die Entwicklung seriennaher Prozessketten. Die Formgebung und Funktionalisierung der Bauteile erfolgt dabei durch Technologieverschmelzung und nicht durch isolierte Fügeprozesse in sich optimierter Baugruppen. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt zum einen in der Fixierung des in Hinblick auf die Funktionalität optimalen Zeitpunkts der Herstellung des Werkstoffverbundes und zum anderen in der In-situ-Formgebung der in ihrem mechanischen Werkstoffverhalten stark unterschiedlichen Komponenten. Dabei werden Technologien zur Halbzeugintegration mit nachfolgender Formgebung, aber auch zur hybriden Herstellung und Formgebung in einem Prozess erforscht.
Lothar Kroll

5. Textil- und kunststoffbasierte Technologien

Zusammenfassung
Für die geforderte Ressourceneffizienz rücken Leichtbaukonstruktionen mit Textilverstärkung immer stärker in den Fokus unterschiedlicher Branchen. Die globale Auswirkung der Masseneinsparung infolge der Textilverbundbauweise hängt im Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau allerdings mit der Bereitstellung stückzahlintensiver Herstellungstechnologien zusammen. Der Leichtbau mit endlosfaserverstärkten Kunststoffen nimmt dabei eine zentrale Stellung ein, da sich die Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) durch sehr hohe richtungsgebundene spezifische mechanische Eigenschaften auszeichnen und ein hohes Potenzial zur Funktionsintegration bieten. Zudem kann bei textilverstärkten Kunststoffen aufgrund der vielfältigen textilen Flächenbildungstechniken die Verstärkung optimal an die vorherrschenden Belastungen angepasst werden. Klassische textilverstärkte Verbundbauteile werden bevorzugt in duroplastbasierten Prozessen hergestellt, die den Nachteil langer Zykluszeiten und geringer Automatisierungsgrade aufweisen.
Lothar Kroll

7. Oberflächen- und Grenzflächentechnologien

Zusammenfassung
Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffgruppen in funktionsoptimierter Hybridbauweise erfordert ein definiertes Grenzflächendesign, das im Einklang mit den Anforderungen des gesamten Bauteils steht. Neben den Wechselmechanismen der Grenzflächenanbindung von Kunststoff-, Textil- und Metallsystemen stellt die Integration von Aktoren und Sensoren in Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) eine Herausforderung dar. Zur Verbesserung der Anbindung zwischen den Einzelkomponenten wurden neben verschiedenen Vorbehandlungsmethoden der Metallsubstrate Zwillingsmonomere als Haftvermittlersysteme erforscht. Im Hinblick auf Energie- und Ressourceneffizienz soll die Verbindung der Hybridkomponenten allein durch die Nutzung der im Werkzeug vorhandenen Prozesswärme erfolgen.
Lothar Kroll

6. Mikro- und Nanosystemintegration in Leichtbaustrukturen

Zusammenfassung
Die Funktionalisierung von Hybridstrukturen in Leichtbauanwendungen erlaubt nicht nur, die Masse noch weiter zu reduzieren, sondern auch neue Wege in der konstruktiven und technologischen Ausführung von intelligenten Leichtbauanwendungen zu beschreiten. Durch die Integration von Sensoren, Aktoren und Mikroelektronik lässt sich so die Funktionsdichte hybrider Leichtbaustrukturen deutlich erhöhen, was auch eine substanzielle Leistungssteigerung zur Folge hat. Diese Funktionsvielfalt erfordert die Entwicklung robuster Verfahren zur textilen und kunststofftechnischen Einbettung aktiver sowie passiver Elektronikkomponenten. Dabei wird das Ziel verfolgt, die wesentlichen aktorischen und sensorischen Effekte bei der Bauteilherstellung zu realisieren und gleichzeitig in einem massenproduktionstauglichen Prozess darzustellen. Dafür wird eine Kombination aus Insitu- und In-line-Verfahren genutzt, die beispielsweise das Spritzgießverfahren mit funktionalisierten Kunststoffschichten für elektrische Kontaktierung und das Massendruckverfahrenvereinigt.
Lothar Kroll

9. Internationalisierung

Zusammenfassung
Im Wachstumsmarkt „Leichtbau“ nimmt Deutschland eine weltweit führende Position ein. Die zunehmende Ressourcenknappheit und die wachsende Nachfrage nach ressourcenschonenden Produkten und Technologien werden allerdings dem internationalen Wettbewerb in Zukunft zusätzlich Dynamik verleihen. Darüber hinaus wird dieser Wettbewerb durch die Verbrauchs- und Emissionsvorgaben der Europäischen Kommission forciert, die direkten Einfluss auf die Schlüsseltechnologien besitzen. Diese sind in den industriepolitischen Rahmen des Koalitionsvertrags und der neuen Hightech-Strategie der Bundesregierung eingebettet. Laut diesen Koalitionsvertrag ist die Leichtbautechnologie als Querschnittsbereich für eine strategische Innovationspolitik von besonderer Bedeutung.
Lothar Kroll

8. Modellierung, integrative Simulation und Optimierung

Zusammenfassung
Gemäß der Leitidee einer Bivalenten Ressourceneffizienz (BRE) verfolgt der MERGECluster die Erschließung besonders hoher Einspar- und Innovationspotenziale. Bei effizienter Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen während des Fertigungsprozesses werden demnach Hybridprozesse und -bauteile erforscht, die sich bei mobilen Anwendungen auch während der Nutzungsphase durch hohe Energieeffizienz auszeichnen. Vor diesem Hintergrund widmet sich dieses Kapitel der konkreten Umsetzung dieser Zielstellung, indem es eine bivalente Optimierung des Herstellungsprozesses beim Spritzgießen und der resultierenden mechanischen Eigenschaften der gefertigten Bauteile anstrebt. Dabei interessieren die Wahl der Prozessparameter wie beispielsweise Einspritzpunkt, Einspritzdruck und Einspritzdauer, sodass in möglichst kurzer Zeit unter wenig Energieaufwand Bauteile mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht gefertigt werden können. Als Demonstratoren dieser Optimierungskette dienen der sog. Chemnitzer Haken, eine Platte mit Einleger sowie ein Kettenglied.
Lothar Kroll

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