Forschungsprojekte

Förderungen

MATFEM war in den letzten Jahren als Partner oder Auftragnehmer in mehreren Projekten beteiligt, die von der Europäischen Union und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden. In diesen Projekten arbeiten Universitäten, Forschungsinstitute und die Industrie zusammen.

MATFEM möchte auf diesem Wege neueste Forschungserkenntnisse in die selbst entwickelten Materialmodelle einfließen lassen.

Forschungsprojekt LaserLeichter

Gefördert vom BMBF

Dieses Projekt zur Entwicklung von laserbasierten Fügetechnologien für artungleiche Leichtbaukonstruktionen läuft vom 01.03.2015 bis zum 28.02.2018

Problemstellung   Unabhängig vom Antriebskonzept fällt der Reduktion des Fahrzeuggewichts eine Schlüsselrolle zu, wenn es um das energieeffiziente Auto der Zukunft geht. Gleichzeitig müssen Leichtbaukonstruktionen aber auch den stetig wachsenden Anforderungen an die Unfallsicherheit und die Recyclingfähigkeit gerecht werden. Durch den Mischbau unter Verwendung verschiedener Leichtbaumaterialien lässt sich das Gewicht von Fahrzeugen deutlich reduzieren ohne Kompromisse im Bereich der Sicherheit für Insassen und andere Verkehrsteilnehmer einzugehen. Voraussetzung für den Einsatz solcher Materialkombinationen sind effiziente Technologien für das Fügen artungleicher Materialien.

Projektziel   An dieser Stelle setzt das Projekt LaserLeichter an, indem es innovative und großserientaugliche Fügetechnologien für artungleiche Metall-Metall- und Metall-Kunststoff-Verbindungen erforscht. Zusammen mit der benötigten Anlagen- und Prüftechnik sollen diese mit Blick auf den späteren Einsatz in der Serienfertigung erarbeitet werden.

Vorgehensweise   Der Laser stellt in der Fertigung ein sehr flexibles Werkzeug dar, das durch seine berührungslose, verschleißfreie Wirkungsweise und das hohe Automatisierungspotenzial vielfältig eingesetzt wird. Im Rahmen des Projektes LaserLeichter werden Technologien zum Laserschweißen von Stahl Aluminium-Verbindungen und innovative Fügetechnologien für Metall-Kunststoff-Verbünde erforscht. Schon im Laufe des Projektes werden die Technologien an anspruchsvollen Demonstratoren aus dem Bereich des Automobilbaus, wie zum Beispiel einem Karosserieelement, einer Sitzstruktur und einer Batterie für Elektrofahrzeuge erprobt.

Für den erfolgreichen Einsatz der neuen Technologien in der Fertigung stellen neben den Fügetechnologien robuste, großserientaugliche Bearbeitungsanlagen und Konzepte für die zerstörungsfreie Prüfung der Verbindungen eine wesentliche Voraussetzung dar.

Durch die interdisziplinäre Zusammensetzung des LaserLeichter-Verbunds kann die Entwicklung solcher Werkzeuge im Projekt parallel zur Prozessentwicklung stattfinden. Neben der experimentellen Erprobung fällt der Auslegung und Optimierung mit computerbasierten Modellen eine immer größere Bedeutung zu.

Der dritte Arbeitsschwerpunkt des Projektes ist daher die Erarbeitung von Computermodellen der neuartigen Mischverbindungen, die zum Beispiel für virtuelle Crashtests eingesetzt werden können. Solche Modelle erlauben später eine Optimierung der Bauteilauslegung am Computer und können die Produktentwicklungszyklen deutlich verkürzen.

Ergebniserwartungen   Durch die Zusammenarbeit von Forschungsinstituten und Industrieunternehmen aus unterschiedlichen Branchen wird der Verbund LaserLeichter so innovative Technologien für Mobilitätslösungen von morgen bereitstellen und helfen den Standort Deutschland als Vorreiter für moderne Technologie und einen verantwortungsbewussten Umgang mit den Ressourcen der Erde zu sichern.

Teilaufgabe von MATFEM   MATFEM möchte im Rahmen des Projektes artungleiche Verbindungen mittels FEM im Detail simulieren (Mesomodelle). Experimente und virtuelle Versuche auf Basis der Mesomodelle dienen dann zur Herleitung von Makromodellen, welche es erlauben sollen die Steifigkeit und das Versagensverhalten der artungleichen Verbindungen in guter Näherung in einer Crashsimulation unter industriellen Rahmenbedingungen zu simulieren. Als Grundlage für die Werkstoffbeschreibung dient das von MATFEM entwickelte Materialmodell MF GenYld+CrachFEM.

Das Verbundprojekt LaserLeichter wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Förderinitiative „Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau“ gefördert. Die Projektbetreuung erfolgt durch VDI Technologiezentrum GmbH.

Forschungsprojekt UltraCaulk

Gefördert vom BMBF

Dieses Projekt über Ultraschallunterstütztes Umformen und Verstemmen läuft vom 01.08.14 bis zum 31.07.17

Problemstellung   Eine modulare Produktgestaltung erfordert flexible und kostengünstige Umform- und Fügetechnologien am Ende der Prozesskette. Verstemmprozesse, die dem Fügen durch Umformen zuzuordnen sind, erfüllen diese Anforderungen und werden heute bereits zum Aufbau verschiedenster Produkte im Millionenstückzahlbereich erfolgreich eingesetzt. Die Einsatzmöglichkeiten von Verstemmprozessen werden jedoch durch die für die Umformung benötigten hohen Prozesskräfte und die erforderliche gute Umformbarkeit des zu bearbeitenden Werkstoffes begrenzt. Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Limitierungen zu überwinden, besteht im Einsatz einer Ultraschallüberlagerung.

Projektziel   Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuartigen hybriden Fertigungsverfahrens zum ultraschallunterstützten Umformen und Verstemmen von Bauteilen aus Werkstoffen, die sich bislang schlecht oder nicht umformen lassen. Hierbei stehen vor allem hochfeste Stahlwerkstoffe sowie Aluminium-Gusswerkstoffe im Mittelpunkt. Neben der Erweiterung des Werkstoffspektrums sollen auch die Prozesskräfte und damit die Bauteilbelastung während des Fügens durch Umformen mittels Ultraschallüberlagerung gesenkt werden. Die Vorteile der Ultraschallüberlagerung bei Verstemm- und Umformprozessen ermöglichen es, bisherige Grenzen der umformenden Fertigungsverfahren zu überwinden, Prozessketten effektiver zu gestalten und neue Produkte mit verbesserten Funktionen herzustellen. Weiterhin sind signifikante Kosteneinsparungen durch Materialeinsparung sowie den Ersatz bisher eingesetzter kostenintensiver Formgebungs- und Fügeverfahren wie z.B.: Fräsen oder Laserschweißen möglich.

Vorgehensweise   Im Projekt werden die werkstofftechnischen Zusammenhänge untersucht und daraus Werkstoffmodelle für die numerische Simulation des ultraschallunterstützten Umformprozesses abgeleitet. Weiterführend wird ein Simulationsmodell zur Bauteilauslegung und Prozessoptimierung sowie die prozessspezifische System- und Messtechnik entwickelt. Neben der Verfahrensentwicklung an vereinfachten Probekörpern werden sowohl das neuartige Fertigungsverfahren als auch die entwickelte Systemtechnik an Demonstrator-Bauteilen aus dem Automobilbereich erprobt und bewertet.

Ergebniserwartungen   Im Erfolgsfall ist zu erwarten, dass sich ein sehr breites Anwendungsfeld für ultraschallunterstützte Umform- und Verstemmprozesse ergibt. Dies bezieht sich sicherlich nicht nur auf die Märkte der in diesem Projekt beteiligten Endanwender, sondern wird auf viele weitere Sparten übergreifen. Neben den Endanwendern werden die beteiligten Maschinenbau- und Systemtechnik-Lieferanten ihre Märkte ausdehnen oder neue Märkte erschließen. Die verfahrenstechnischen Grundlagen des neuen hybriden Fertigungsverfahrens werden im Rahmen von Workshops sowie auf Kongressen präsentiert.

Teilaufgabe von MATFEM   MATFEM möchte im Rahmen des Projektes ein Materialmodell zur Abbildung der Plastizität von Metallen unter Überlagerung von Ultraschall entwickeln und in das User-Materialmodell MF GenYld+CrachFEM integrieren. Weitere Aktivitäten liegen in der verbesserten Modlelierung der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeugen bei Ultraschalleinwirkung.

Weitere Informationen gibt es unter www.ultracaulk.de.

Das Verbundprojekt UltraCaulk wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert. Die Projektbetreuung erfolgt durch den Projektträger Karlsruhe – Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT).

Abgeschlossene Projekte

Von 2006 bis 2010 war MATFEM im EU-geförderten Projekt NADIA als Partner beteiligt. In diesem Projekt wurden Methoden zur CAE-basierten Auslegung von Bauteilen aus Leichtmetall­gusslegierungen im Automobilbau entwickelt. Dabei sollte das Bauteil durchgängig von der Gieß- und Erstarrungssimulation über die Wärmebehandlungssimulation bis hin zur Bauteilbelastung mit CAE-Methoden abgebildet und iterativ optimiert werden.

Neben der Weiterentwicklung und Verknüpfung von Simulationsmethoden wurden hier Modelle zur Vorhersage des makroskopischen Materialverhaltens aus dem lokalen Gefüge der Gusswerkstoffe erarbeitet.

Nadia Project

MATFEM war in diesem Projekt in zwei Work Packages vertreten: MATFEM entwickelte Materialmodelle und Simulationstechniken zur Modellierung von Gussbauteilen in der Fahrzeugstruktur bei Crash-Beanspruchung und zur Modellierung von Gussbauteilen im Verbrennungsmotor bei thermomechanischer Ermüdung. Dabei wurden jeweils die lokalen Materialeigenschaften aus dem Fertigungsprozess berücksichtigt.

Weiterführende Informationen:

  • NADIA Project
    New automotive components designed for and manufactured by intelligent processing of light alloys – offizielle Homepage