Die Brückenbauer von MAI Carbon

Im Leitprojekt MAI Design arbeiten Forscher an einer durchgängigen Simulationskette - vom Bauteil bis zur Fertigungsmaschine
Dr. Roland Hinterhölzl beim Kick-off des Leit-Projektes MAI Design (PresseBox) (Augsburg, ) Wenn Ingenieure oder Designer ein neues Produkt entwerfen, greifen sie zuerst zum Computer. Designer entwerfen Form und Funktionalität, Berechnungsingenieure legen das Bauteil für den Belastungsfall aus. Prozessingenieure schalten sich ein, um während der vielen Modellversuche und Simulationen, dem Prototypenbau und Tests schon die Fertigung zu planen. Dort geht es um Geschwindigkeit, Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit. Lässt sich das Bauteil nicht wie gewünscht fertigen, gibt der Prozessingenieur die Aufgabe an den Designer und Entwickler zurück. Jeder Schritt bei der Produktentstehung entspricht einer eigenen Disziplin, mit eigenen Verfahren, Wissensstand und Computerprogrammen. Fachleute sprechen gern von einer Prozesskette, man könnte dazu auch Insel-Hopping sagen. Denn noch allzu oft sind diese Stationen der Produktentstehung - die Inseln - voneinander isoliert.

"Wir wollen zwischen diesen Inseln Brücken bauen", sagt Roland Hinterhölzl, Gruppenleiter Simulation am Lehrstuhl für Carbon Composites der Technischen Universität München. Hinterhölzl leitet das Projekt MAI Design im Spitzencluster MAI Carbon. Mit 18 Projektpartnern will Hinterhölzl sicher stellen, dass für jede Entwicklungsstufe eines Carbonbauteils die richtigen Simulations- und Softwaretools zur Verfügung stehen. Das Ziel: Die Forscher und Entwickler wollen die Konstruktion und Fertigung weitest gehend automatisieren, Prozesszeiten deutlich senken, Ausschuss verringern und insgesamt Herstellkosten reduzieren.

Junge Technik erfordert viel Grundlagenarbeit

Das geht schon in anderen Branchen, wie etwa dem klassischen Automobil- und Maschinenbau, weitgehend durch Simulation. Doch der Leichtbau mit Carbonfasern ist eine junge Technik. Forscher und Entwickler stehen in vielen Bereichen noch am Anfang. So verstehen sie das Material Carbon schon relativ gut; das Prozesswissen, wie etwa ein Carbonbauteil möglichst effektiv zu fertigen ist, weist hingegen noch Lücken auf. Mitunter müssen deswegen viele Herstellschritte noch von Arbeitern per Hand erledigt werden. Setzt sich Carbon wie erwartet weltweit in vielen Branchen durch, so müssen bei hohen Stückzahlen automatisierbare Prozesse her.

In MAI Design wollen die Forscher daher eine einheitliche Simulationsplattform errichten, die alle Aspekte der Produktentstehung abdeckt. "Dafür brauchen wir diese große Bandbreite an Partnern mit äußerst unterschiedlichen Kompetenzen", erklärt Hinterhölzl. Ein Drittel kommt aus dem wissenschaftlichen, zwei Drittel aus dem industriellen Bereich in der MAI-Region. Da MAI Design die gesamte Produktentstehung abdeckt, hat es zentrale Bedeutung für den Spitzencluster. Es fungiert als Leitprojekt. "Aufgabenspanne und Themenvielfalt sind enorm", sagt Hinterhölzl. "Und das macht Spaß", erklärt der Forschungsmanager, der nach neun Jahren Industrieerfahrung an den Lehrstuhl für Carbon Composites kam. Wer Hinterhölzl erlebt, ist beeindruckt, wie souverän der 42-Jährige das 5,2 Millionen Euro schwere Projekt vorantreibt. Wie er die anderthalb Dutzend Partner und Interessen bündelt und auf ein Ziel einschwört. Die Industrieerfahrung hat ihm sicherlich zu diplomatischem Geschick verholfen. "Heute sehe ich mich als Bindeglied zwischen Wissenschaft und Industrie", erklärt Hinterhölzl.

Mehrwert Spitzencluster: Netzwerk und Vertrauen

Das Team von MAI Design habe sich gefunden. "Die Arbeitsgruppenleiter gehen sehr engagiert voran. Da sehe ich viel Eigeninitiative", sagt Hinterhölzl. Zwischen seinen Sätzen lässt der Forscher durchblitzen: Hier herrscht eine fruchtbare Arbeitsatmosphäre. Und Hinterhölzl macht auch keinen Hehl daraus, dass er über den Spitzencluster längst hinaus denkt: "Der größte Nutzen des Spitzenclusters ist zweifellos die Netzwerkbildung." Wobei er nicht unverbindliche Kontakte meint, sondern das durch produktive Zusammenarbeit geschaffene gegenseitige Vertrauen der Carbon-Player in der MAI-Region.

Die Materialmodellierung von Carbon ist schon relativ weit fortgeschritten. Das Material besteht aus zwei Komponenten (Faser und Harz), und die Forscher müssen immer herausarbeiten, in welchen Fällen sie Carbon als homogenes Material betrachten können oder noch tiefer in die mikroskopische Feinstruktur eintauchen müssen. Das gilt insbesondere bei Belastungssimulationen und Versagenstests: Wann und wo entsteht unter Belastung der erste Riss, und wie breitet der sich aus? "Wir vergleichen dann die Simulation mit experimentellen Tests", erklärt Hinterhölzl. Mit speziellen Kameras können die Forscher beispielsweise nachvollziehen, wie ein Material reißt. Das ist nicht unbedingt einfach, da Carbonbauteile meist aus mehrlagigen Gewebeschichten bestehen. Anhand von Grauabstufungen im Kamerabild können die Wissenschaftler allerdings herausfinden, wo das Gewebe genau nachgibt und reißt. "Damit können wir dann unsere Modelle anpassen".

Prozesse verstehen anstatt Bauchgefühl

Doch lässt sich ein Cabonteil überhaupt so gut fertigen, wie sich das der Designer und der Konstrukteur wünschen? Carbon hat gegenüber Metallen, etwa Blechen, den Nachteil, dass es sich kaum nachbearbeiten lässt. Dem Blech, das beim Umformen aus der Presse springt, lässt sich bei Bedarf noch die Form anpassen. Das Carbonteil ist nach dem Aushärten fix. Ein einfaches Carbonprofil in C- oder L-Form kann sich nach dem Aushärten um einige Winkelgrad verbiegen. Das lässt sich nachträglich kaum korrigieren.

Die Simulation spielt daher den gesamten Herstellprozess durch. Das Carbongewebe wird zugeschnitten und in die virtuelle Werkzeugform gelegt. Dann wird es im sogenannten RTM-Prozess bei 180 Grad Celsius mit Harz durchtränkt - alles zunächst natürlich in Bits und Bytes. Im Computermodell können die Forscher genau nachvollziehen, wie beim Aushärten und Abkühlen auf Raumtemperatur das Material schrumpft.

Wissen weitertragen

Die Ingenieure kompensieren das bislang durch die Werkzeuggeometrie, in der das Carbonteil entsteht. "Das sind pure Erfahrungswerte", erklärt Hinterhölzl. Die Prozesssimulation soll diesen Aushärte- und Abkühlvorgang des Materials komplett erfassen, um die Maßhaltigkeit der Bauteile sicher zu stellen und Ausschuss zu vermeiden.

Da werden viele Erkenntnisse und Ergebnisse zutage gebracht. "Der Vorteil des Spitzenclusters ist nun, dass wir die Infos gut in die Breite tragen können", sagt Hinterhölzl. Dazu planen die Forscher, das neu geschaffene Knowhow auf der Austauschplattform des Partnerprojekts MAI 2.0 der Scientific Community und der Wirtschaft verfügbar zu machen. Anleitungen und Best Practices werden gesammelt, Workshops anberaumt und zu Summer Schools geladen. Der erste 3-Tage-Workshop im vergangenen Juni zog bereits 50 Interessierte an.

Stichwort Carbon:

Ein Faserverbundwerkstoff wird durch die Kombination von zwei Komponenten hergestellt, sodass ein komplett neues Material entsteht. Im Fall von Carbon sind das Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix. Durch das Zusammenspiel der Komponenten hat das Verbundmaterial bessere Eigenschaften als die einzelnen Bestandteile - etwa Zugfestigkeit oder Biegesteifigkeit. Durch sein geringes Gewicht hat Carbon sein größtes Potenzial in Leichtbauanwendungen wie z.B. im Flugzeugbau, in Autos und Windkraftanlagen.

Kontakt

MAI Carbon Cluster Management GmbH
Am Technologiezentrum 5
D-86159 Augsburg
Rita Fritsch
MAI Carbon
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