Leichtbau gilt als eine Schlüsseltechnologie, um Ressourcen effizienter einzusetzen und hochwertige Produkte fertigen zu können. Im Bild: Carbonfaser wird zum Beispiel für Fahrzeugkomponenten eingesetzt. Wir berechnen die effektivsten Materialeigenschaften.

Leichtbau und Dämmstoffe

In diesem Schwerpunkt stehen funktionsgerechtes Design von faser- und
partikelverstärkten Leichtbauteilen und Dämmstoffen im Fokus.

 

Leichtbau

Im Leichtbau – sowohl im Automobil- als auch im Consumer-Bereich (z. B. Bohrmaschinengehäuse) – ersetzen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr Metalle als Werkstoff. Die Vorhersage der Festigkeit und des Schädigungsverhaltens dieser Bauteile ist aufgrund der Richtungsabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens kompliziert, weshalb aufwendige Mehrskalensimulationen für präzise Vorhersagen notwendig sind. Hierbei stellt vor allem der hohe Bedarf an Rechenzeit und Speicher ein Problem dar.

Zur Reduktion dieses hohen Aufwands entwickeln wir Methoden, um basierend auf sogenannten Konfigurationskräften makroskopische Indikatoren zu definieren, mit denen die Mikrostruktur im Bauteil adaptiv nur an den notwendigen Stellen berücksichtigt wird.

Dämmstoffe

Wärmedämmmaterialien sind hochporöse Faser- oder Schaumstrukturen, die einerseits eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollen, andererseits aber auch dauerhaft stabil sein müssen. Die optimale Auswahl der Materialstruktur erfordert somit die Ermittlung der verschiedenen Materialeigenschaften und die quantitative Bewertung der widerstreitenden Kriterien. Das Teilgebiet der Mathematik, was sich mit der Bestimmung von effektiven Materialeigenschaften befasst, ist die Homogenisierungstheorie. Die effektiven Materialeigenschaften werden dabei von den Lösungen bestimmter Zell-Probleme abgeleitet, die auf repräsentative Elementarvolumen (REV) gestellt werden.

Uns ist es gelungen, einen effizienten Algorithmus zu entwickeln und zu analysieren, der es erlaubt, die effektive thermische Leitfähigkeit insbesondere für hochporöse Isolationsmaterialien zu bestimmen. Bei diesen Materialien handelt es sich zum Beispiel um Metall-/Kunststoffschäume oder Glas-/Steinwolle, die in modernen Wärmetauschern bzw. zur Isolation verwendet werden.

Beispielprojekte

 

Optimierung von Türen mittels Simulation

Die Ansprüche an Türen hinsichtlich Design und Funktionalität betreffen ganz unterschiedliche Aspekte. In verschiedenen Projekten mit dem Türenhersteller Biffar schaffen wir Lösungen durch Simulation.

 

Eigenspannungen in Aluminium-Silizium-Gusslegierungen

Im Projekt werden Al-Si-Gusslegierungen untersucht, die z.B. für Zylinderköpfe und Kurbelgehäuse verwendet werden.

 

Adaptive Approximationsverfahren zur Multiskalensimulation von Kompositen

Im Leichtbau ersetzen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr Metalle als Werkstoff. Die Vorhersage der Festigkeit und des Schädigungsverhaltens dieser Bauteile ist kompliziert, weshalb aufwendige Mehrskalensimulationen für präzise Vorhersagen notwendig sind.

 

Strukturoptimierung in Mechanik und Akustik

Die Berechnung der akustischen Eigenschaften – ausgehend von der Mikrostruktur – eröffnet neue Möglichkeiten der Materialoptimierung.

 

Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile

Im Projekt wurden möglichst einfach zu handhabende Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile konstruiert und optimiert.

 

Optimierung von Wärmedämmstoffen

Wärmedämmmaterialien sind hochporöse Faser- oder Schaumstrukturen. Im Fokus unserer Forschung und Entwicklung steht die Mehrskalenmodellierung und -simulation.

 

Simulation mechanischer Textileigenschaften

Bei der Arbeit in diesem Bereich stehen Simulationsmethoden im Fokus, die eine effiziente Vorhersage des Verhaltens von gewebten und gestrickten Textilien zulassen.

 

Simulation Faserplatten

Im Projekt entwickeln wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern Grundlagen zur Herstellung und zur Festigkeitsberechnung von leichten MDF-Platten.