IMVAL - Das Gesamtprojekt

Innovative Mineralschaum Verbund Applikationen für den Leichtbau

Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Otto Huber, Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut

1. Das Projektziel

Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung, Herstellung, Analyse und Charakterisierung sowie die Anwendung eines neuen Leichtbau-Verbundwerkstoffs. Der Verbundwerkstoff besteht aus geometrisch gut bestimmten kleinen und spezifisch sehr leichten Mineralschaumkugeln (Insertkörper), die in eine makroskopisch geometrisch bestimmte Form gebracht werden und über einen Gießprozess mit einem flüssigen Kunsttstoff oder Metall (Matrix) infiltriert werden. Die dadurch erreichte Schaffung vieler Grenzflächen und Hohlräume und die Möglichkeit, Krafteinleitungs- und Befestigungselemente zu integrieren, führt zu deutlich reduziertem Gewicht bei gleichzeitig definiert einstellbaren Verformungseigenschaften. Durch das niedrige spezifische Gewicht, dem gleichmäßigen und gut reproduzierbaren Schaumaufbau, den guten Formgebungsmöglichkeiten und das günstige Energieabsorptionsvermögen bietet dieser zellulare Verbundwerkstoff besondere Vorteile für den Leichtbau beispielsweise in der Fahrzeugtechnik. Insbesondere für Sandwichkonstruktionen kann der Verbundwerkstoff als Kernmaterial eingesetzt werden und liefern dadurch gute Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften.
Das günstige Energieabsorptionsvermögen von geschlossenporigen Schäumen verspricht darüber hinaus funktionell stark modulierbare Lösungen für Crashprobleme (z.B. energieabsorbierende Strukturbauteile für den Kopfaufprall auf die Motorhaube, Defo-Elemente im Schrägcrash oder Leichtbau-Versteifungselemente für den Seitencrash). Ein weiterer Vorteil besteht in den relativ niedrigen Werkstoffkosten, die aus der Verwendung von Recyclingprodukten (z.B. Flaschenglas oder Filterstaub von Kraftwerken) für die Insertkörper resultieren.

Innerhalb des Forschungsprojekts sollen die Mineralschaumgranulate optimiert und Herstellungstechnologien für den Verbundwerkstoff erarbeitet werden. Um das breite Anwendungsspektrum innerhalb des Leichtbaus zu erschließen, sind geeignete Werkstoffmodelle mit experimentell ermittelten Werkstoffparametern für die Computersimulation des Werkstoff- und Bauteilverhaltens bzgl. Verformungen und inneren Beanspruchungen mittels der Finite Elemente Methode (FEM) aufzustellen. Die Kenntnis der Materialeigenschaften inklusive des Schädigungsverhaltens, sowie die Verfügbarkeit von geeigneten Stoffgesetzen für FEM-Anwendungen im elastoplastischen Bereich sowie bei hohen Dehnraten wie sie bei Crashanwendungen auftreten, soll den Einsatz des neuen Verbundwerkstoffs in der Fahrzeugindustrie als auch in weiteren Branchen, in denen die Leichtbautechnologien eine tragende Rolle spielen, ermöglichen.
Darüber hinaus werden Konstruktionsrichtlinien für das werkstoff-, fertigungs- und prüfgerechte Konstruieren mit diesem Leichtbauwerkstoff erstellt. Diese sollen anhand konkreter Konstruktionsaufgaben aus dem Bereich von dünnwandigen Rahmen- und Schalenkonstruktionen erarbeitet werden.
Die Werkstoffparametrisierung wird mittels Mikrocomputertomographie (µCT) und 3d-Bildverarbeitung vorgenommen, um die gezielte Einstellung der Werkstoffparameter in Proben und im Bauteil zu überprüfen und somit eine Qualitässicherung für die Bauteilherstellung zu eröffnen.
Es ist der Entwicklungsprozess und die Fertigung von Formteilen aufzubauen um die gesamte Prozesskette von der Werkstoffherstellung bis hin zum fertigen Produkt abzudecken sowie die wirtschaftliche Herstellbarkeit für eine Serienfertigung nachzuweisen. Endziel dieses Forschungsvorhabens ist die Fertigung des Prototypen eines Leichtbau-Formteils das unter der gesamthaften Nutzung der beschriebenen Technologien entwickelt, hergestellt, bearbeitet, und unter Betriebsbedingungen getestet werden soll.

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2. Die Kooperation

Zur Erreichung dieser ehrgeizigen und komplexen Projektziele ist eine enge Vernetzung und ein intensiver Austausch des umfangreichen Wissens aller beteiligten Partner notwendig. So vereint der Verbund das industrielle KnowHow der Hersteller und -verarbeiter der eingesetzten Metall- und Kunststoff-Matrixwerkstoffe (BMW AG Werk Landshut, DST Dräxlmaier Systemtechnik GmbH, Grillo Werke AG, HZD Havelländische Zinkdruckguss GmbH & Co.KG, Quadrant EPP Nederland B.V., ZoE Zentrum of Exellance GmbH & Co.KG) und des Mineralschaumgranulat-Herstellers Dennert Poraver GmbH mit der Forschungskompetenz des Gießereiinstitutes der TU Bergakademie Freiberg mit dem Ziel der Entwicklung und Optimierung der Materialien und Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes. Die Engineering Kompetenz auf dem Gebiet der Konstruktion und nummerischen Simulation der beteiligten KMUs HÖRMANN Engineering GmbH und CAD-FEM GmbH stellt den Transfer der Forschungsergebnisse bzgl. Werkstoffcharakterisierung, Berechnung und Versuchstechnik der beiden Fachhochschulen Ingolstadt und Landshut und des Fraunhofer Institutes für Techno- und Wirtschaftsmathematik in die industrielle Praxis sicher. Die Umsetzung der Ergebnisse dieses Verbundprojektes in marktfähige Leichtbauprodukte ist das klare Ziel der beteiligten Verbundpartner. Durch die Zusammenführung verschiedener Kompetenzen wird ein Netzwerk geschaffen, das in der Lage ist, die gesamte Prozesskette für einen Werkstoff von der Herstellung über die Konstruktion, Berechnung und Versuch bis hin zur industriellen Anwendung abzubilden. Der Forschungsverbund hat seinen Ursprung im Leichtbau-Cluster, dem Kompetenznetzwerk für Leichtbautechnologien an der Fachhochschule Landshut. So verwundert es nicht, dass die Fachhochschule Landshut auch die Koordination dieses Verbundprojektes übernommen hat. Es handelt sich um eine internationale Kooperation, an der 13 Partner beteiligt sind.

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3. Die Perspektiven

Die Ausrichtung dieses Verbundprojektes bietet den beteiligten Forschungseinrichtungen noch innerhalb der Projektlaufzeit die Möglichkeit, ggf. auch durch die Aufnahme weiterer Partner in das Netzwerk die Untersuchungen bspw. auf zusätzliche Matrixmaterialien auszuweiten. Das Fraunhofer ITWM hat so beispielsweise die Gelegenheit, in enger Zusammenarbeit mit Partnerunternehmen zur Bildaufnahme die Abbildungsbedingungen für µCT-Aufnahmen von verschiedenen Werkstoffkombinationen zu optimieren.
Die Implementierung des von den Fachhochschulen Landshut und Ingolstadt zu entwickelnden Werkstoffmodells in kommerzielle FEM-Software durch die CAD-FEM GmbH stellt den Zugang projektfremder Unternehmen zu den erarbeiteten Ergebnissen sicher.
Nicht zuletzt zeigen konkrete Anfragen aus dem Automobil- und Schienenfahrzeugbau, dass für den Mineralschaumverbundwerkstoff in Form von energieabsorbierenden Bauteilen (sog. Crash-Absorbern) konkrete Verwendung besteht und so für alle beteiligten Projektpartner und assoziierte Unternehmen die Möglichkeit besteht, Ihre Projektergebnisse in Form von konkreten Produkten und Spezialwissen kommerziell zu verwerten.

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3. Die Perspektiven

Daten & Fakten

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5. Die Partner im Verbundprojekt

IMVAL - Teilprojekt der Hochschule Landshut

 "Charakterisierung, Modellierung und Anwendung zellularer Verbundwerkstoffe im elasto-plastischen Bereich"