Mechanik und Fügen von Leichtbauwerkstoffen

Im Fokus dieses Forschungsschwerpunkts stehen das mechanische Verhalten neuartiger Leichtbauwerkstoffe und komplexer Leichtbaustrukturen, ihre Herstellung mittels hoch entwickelter Fügeverfahren und ihre Betriebssicherheit. Besondere Bedeutung kommt dabei Strukturen aus Multimaterialkomponenten zu, die neue Lösungen zum Einsparen von Gewicht versprechen. Anwendungsgebiete sind Flugzeug- und Fahrzeugkarosserien sowie Strukturkomponenten für Schiffe und Züge. Besonders im Luftfahrtbereich zeichnet sich aktuell eine deutliche Zunahme von Metall-CFK-Strukturen ab, wodurch sich aktuell ein hoher Bedarf an Fügeverfahren zur Verbindung von metallischen und CFK-Strukturelementen ergibt. In den kommenden Jahren soll gezeigt werden, dass sich verschiedene neuartige Fügetechnologien dazu einsetzen lassen, leichte Strukturen aus mehreren Werkstoffen zu fertigen, z. B. aus Magnesium, Aluminium, hochfestem Stahl und verstärkten Kunststoffen. Traditionell konzentrieren sich die Forschungsarbeiten in diesem Programmschwerpunkt auf das Fügen artgleicher und artungleicher metallischer Leichtbauwerkstoffe mit modernen Fügetechnologien, insbesondere das Laserschweißen und das Rührreibschweißen (FSW). Beide Technologien werden im Rahmen der programmatischen Forschung ständig weiterentwickelt und im Hinblick auf Technologietransfer in die Industrie sehr erfolgreich betrieben.

In Zusammenarbeit mit Instituten innerhalb des Helmholtz-Programms „Funktionale Werkstoffe“ sowie mit externen Partnern aus Wissenschaft und Industrie sollen unter diesem Gesichtspunkt künftig verstärkt auch Metall-Polymer-Verbindungen untersucht werden. Hierfür wird seit 2010 eigens eine Helmholz-Hochschul-Nachwuchsgruppe „Advanced Polymer-Metal Hybrid Structures“ in Zusammenarbeit mit der TU Hamburg-Harburg aufgebaut. Um die mechanischen Eigenschaften hoch belasteter Leichtbaustrukturen präzise vorhersagen zu können, ist es unerlässlich, Grundlagenforschung in Bezug auf Verformung, Schädigung und Bruch von Leichtbauwerkstoffen und sowie von gefügten Strukturen zu betreiben. Nicht zuletzt müssen allen Abläufen bei Konstruktion, Bau und Betrieb von solchen Leichtbaustrukturen Methoden zur Bewertung der Zuverlässigkeit zugrunde gelegt werden, die ein möglichst geringes Maß an Konservativität aufweisen. Eine zu konservative Auslegung und daraus resultierende verkürzte Inspektionsintervalle bedeuten unnötiges Gewicht sowie vermeidbare Kosten.

Unser langfristiges Ziel ist die Entwicklung von Berechnungswerkzeugen zur möglichst präzisen Vorhersage der Verteilung der mechanischen Eigenschaften in gefügten Strukturen über die Prozesssimulation sowie der Tragfähigkeit und Lebensdauer von gefügten Leichtbaustrukturen über die Struktursimulation. Hierzu ist die Entwicklung fortgeschrittener Werkstoffmodelle und effizienter Simulationsverfahren für die Berechnung von Ausgangszustand sowie Verformung, Schädigung und Bruch unter Last auf mehreren Skalen - von der lokalen Mikrostruktur über die Fügezone bis zur komplexen Komponente - erforderlich.

Die Überprüfung des Zusammenspiels neuer Methoden ist angesichts der steten Weiterentwicklung ein ambitionierter Anspruch, den wir an uns selbst haben. Um sowohl die Forschung im internationalen Wettbewerb als auch die Demonstration der Fähigkeiten der entwickelten Methoden an wohl definierten Problemstellungen erfolgreich verfolgen zu können, wurde dieser in die drei Unterthemen

Grundlagen von Verformung, Schädigung und Bruch
Prozesssimulation
Füge- und lokale Modifikationstechnologien

gegliedert und um die Forschungsplattform

Light-weight Materials Assessment, Computing and Engineering Centre (ACE)

zum Zweck einer koordinierten Umsetzung ergänzt. Die Forschungsplattform ACE nimmt ausgereifte Methodenkompetenzen aus den grundlagenorientierten Bereichen auf und stellt in Verbindung mit einer dem Stand der Technik entsprechenden Infrastruktur, finanziert über eine Ausbauinvestitionsmaßnahme, die Grundlage für interdisziplinäre Projekte mit strategischer Bedeutung und hohem Innovationspotenzial bereit. Solche Projekte haben stets das Ziel, gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie das existierende Methodenspektrum möglichst effektiv und effizient zu nutzen und als Ergebnis eine beschleunigte Forschung sowie mittelfristig verkürzte Innovationszyklen zu ermöglichen.