Unikalna wiedza o lekkich konstrukcjach

Fraunhofer IWU koordynuje obecnie te działania. Przełomowe pomysły stają się innowacjami dopiero po przełożeniu na produkty. Mając to na uwadze, Fraunhofer IWU koncentruje się na projektowaniu lekkich konstrukcji, dostosowanych do materiałów i procesu produkcyjnego. Kluczowym podejściem jest „projektowanie lekkich konstrukcji”, co oznacza, że ​​materiały, projekt i procesy produkcyjne są optymalizowane holistycznie. Celem jest redukcja masy, oszczędzanie zasobów i udoskonalenie komponentów do zastosowań w sektorach takich jak inżynieria motoryzacyjna, inżynieria mechaniczna i budowa instalacji.

Przykład: „3D-FiberTrain” — szybki rozwój i szybsza produkcja frontów pociągów dużych prędkości bez kosztownych form

W ramach projektu 3D-FiberTrain, Fraunhofer IWU i Fraunhofer IMWS, wraz z partnerami branżowymi, zademonstrowały, jak połączenie wielkoskalowego druku 3D z nakładaniem taśm 3D umożliwia beznarzędziową produkcję złożonych, wysoce nośnych elementów pojazdów szynowych, wzmocnionych włóknami termoplastycznymi. Eliminacja narzędzi formujących, osiągnięcie wysokiego poziomu automatyzacji oraz wykorzystanie wielokrotnego użytku surowców na bazie tworzyw termoplastycznych obniżają koszty produkcji oraz emisję CO₂ – szczególnie w przypadku małych i średnich wolumenów produkcji.

W ciągu trzech lat konsorcjum wyprodukowało dwa wielkoskalowe demonstratory: przednią osłonę i część czołową pociągu dużych prędkości. Zastosowany poliwęglan wzmocniony włóknem szklanym został specjalnie dobrany i zmodyfikowany, aby spełnić niezwykle rygorystyczne wymagania dotyczące ochrony przeciwpożarowej pojazdów szynowych. Zintegrowany system zmniejszający palność stwarza szczególne wyzwania w druku 3D. Naukowcy rozwiązali je za pomocą symulacji procesów poprzedzających, które pozwalają przewidzieć odkształcenia lub rozwarstwienia indukowane termicznie, unikając w ten sposób kosztownych awarii druku. Ponadto specjalistyczne metody optymalizacji strukturalnej pomogły zredukować liczbę taśm wzmacniających do minimum mechanicznego, co wraz z eliminacją form jest kluczowym czynnikiem wydajności procesu. Przyszłe prace będą badać bezpośrednie przetwarzanie recyklatów w druku 3D na dużą skalę, aby przyspieszyć wykorzystanie termoplastycznych elementów szyn w gospodarce o obiegu zamkniętym. Projekt demonstruje potencjał wytwarzania addytywnego w zakresie drastycznego skrócenia czasu rozwoju w konstrukcji pojazdów szynowych, umożliwiając jednocześnie tworzenie zrównoważonych, lekkich konstrukcji nadających się do recyklingu.

Fraunhofer Research Field Lekka konstrukcja: silny sojusz 16 instytutów

Obszar Badawczy skupia wszechstronną wiedzę specjalistyczną w zakresie opracowywania i optymalizacji najnowocześniejszych procesów produkcyjnych lekkich konstrukcji, w tym hybrydowych elementów termoplastycznych, procesów RTM i RTM wysokociśnieniowych, zautomatyzowanego przetwarzania taśm i prepregów oraz innowacyjnych metod wykorzystania włókien pochodzących z recyklingu. Partnerzy i klienci mogą również liczyć na specjalistyczną wiedzę w zakresie technologii łączenia i obróbki powierzchni – takich jak klejenie, obróbka laserowa i funkcjonalne wykańczanie powierzchni – w celu realizacji wielofunkcyjnych i trwałych produktów.

Aby zweryfikować te rozwiązania, Dział Badań zapewnia rozbudowaną infrastrukturę testową i walidacyjną. Zakres kompetencji obejmuje badania nieniszczące o wysokiej rozdzielczości – takie jak wysokoenergetyczna tomografia komputerowa dużych podzespołów – oraz realistyczne stanowiska testowe dla całych pojazdów. Dodatkowa wiedza specjalistyczna obejmuje metody specjalistyczne, takie jak diagnostyka rentgenowska pod obciążeniem zderzeniowym, oraz kompleksowe metody testowania i oceny, dostosowane do nowatorskich materiałów, w tym materiałów biopochodnych i wzmacnianych włóknami naturalnymi.

Oprócz tych kluczowych kompetencji technologicznych, ośrodek badawczy Fraunhofer Research Field, zajmujący się lekkimi konstrukcjami, promuje gospodarkę o obiegu zamkniętym. Opracowuje rozwiązania w zakresie recyklingu kompozytów, ponownego wykorzystania materiałów oraz cyfrowych metod optymalizacji procesów recyklingu.

Kolejnym obszarem zainteresowania jest lekka konstrukcja pojazdów zasilanych akumulatorami. W tym obszarze partnerzy opracowują zintegrowane funkcjonalnie konstrukcje, nowe koncepcje akumulatorów oraz lekkie rozwiązania o obniżonej emisji CO₂, aby zwiększyć zarówno efektywność energetyczną, jak i zakres przyszłych rozwiązań w zakresie mobilności. Instytut Fraunhofer IWU jest pionierem w dziedzinie badań nad pianką metalową jako innowacyjnym rozwiązaniem dla lekkich, wytrzymałych obudów akumulatorów z zaawansowanym systemem zarządzania temperaturą.

Idealny dodatek: Fraunhofer IAP

Najnowszym członkiem obszaru badawczego w ciągu ostatniego roku jest Instytut Fraunhofera ds. Badań nad Polimerami Stosowanymi (IAP). Fraunhofer IAP koncentruje swoją działalność w zakresie lekkich konstrukcji na materiałach polimerowych i technologiach kompozytów włóknistych. Dostarcza on dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania w zakresie lekkich konstrukcji, obejmujące cały łańcuch wartości – od syntezy specjalistycznych polimerów, przez półprodukty i prototypy, po w pełni zindustrializowane procesy produkcyjne komponentów o wysokiej wydajności.

Ponadto promuje zrównoważony rozwój materiałów o obiegu zamkniętym, na przykład poprzez rozwój biopolimerów, włókien węglowych i systemów kompozytowych nadających się do recyklingu. W ten sposób IAP w szczególności zajmuje się scenariuszami końca cyklu życia i strategiami recyklingu lekkich konstrukcji.

Wreszcie instytut pracuje nad lekkimi rozwiązaniami do magazynowania wodoru i wysoce wydajnymi łopatami wirnika dla małych turbin wiatrowych, w których optymalizuje się jednocześnie konstrukcję, aerodynamikę i produkcję.

Instytuty Fraunhofera współpracują w dziedzinie badań nad lekkimi konstrukcjami

Instytut Ernsta Macha ds. Dynamiki Krótkoterminowej, EMI | Technologia chemiczna, ICT | Inżynieria produkcji i badania nad materiałami zaawansowanymi, IFAM | Odlewnictwo, technologia kompozytów i przetwórstwo, IGCV | Układy scalone, IIS | Technologia laserowa, ILT | Mikrostruktura materiałów i systemów, IMWS | Technologia produkcji, IPT | Technologia powierzchniowa i cienkowarstwowa, IST | Systemy energetyki wiatrowej, IWES | Mechanika materiałów, IWM | Obrabiarki i technologia formowania, IWU | Badania nieniszczące, IZFP | Trwałość konstrukcji i niezawodność systemów, LBF | Badania nad drewnem, WKI | Badania nad polimerami stosowanymi, IAP