Forschungscampus OHLF: TechnoHyb

Problemstellung
Die Trends der Elektrifizierung, Digitalisierung und Automatisierung führen zu einer Zunahme an Funktionen in Produktsystemen und damit zu einer Forderung nach neuartigen Konstruktionsprinzipien sowie Fertigungskonzepten. Heutige Produkte weisen immer mehr Funktionalitäten auf. Die Integration von zusätzlichen Funktionen bietet dabei die Möglichkeit zur Reduzierung des Gewichts sowie der Montageumfänge. Im Gegenzug stellt die Forderung nach einer sortenreinen Trennung und dem vollständigen Recycling am Lebensende einen Kontrast zu diesen Forderungen dar, der grundlegende Auswirkungen auf die Produktarchitektur von Produkten hat. Es gilt somit in diesem Spannungsfeld Lösungen zu entwickeln, die beiden Themenfeldern gerecht werden. Um die Potentiale der Nachhaltigkeit möglichst vollständig umzusetzen, müssen über das Thema Recycling hinaus die weiteren Möglichkeiten im Bereich der Lebensdauerverlängerung und Verringerung der Umweltwirkungen berücksichtigt werden.
Projektziele und Vorgehen
Ziel des Verbundprojekts TechnoHyb war die Untersuchung unterschiedlicher Ansätze für Funktionsintegration sowie die Auswirkungen auf die Zirkularitätseigenschaften. Zur Erreichung der Projektziele wurden unterschiedliche Anwendungsfälle mit jeweils spezifischem Fokus untersucht. Am Beispiel einer Fahrzeugheckklappe stand die Funktionsintegration im Vordergrund, mit dem Ziel, sowohl technische als auch wirtschaftliche Verbesserungen zu erzielen. Bei der Flugwindkraftanlage richteten sich die Arbeiten auf die Verlängerung der Lebensdauer der CFK-intensiven Bauweise. Die flexible Ladesäule wurde insbesondere im Hinblick auf Recyclingfähigkeit und Wiederverwendbarkeit betrachtet. Darüber hinaus wurde die Kombination von Flugwindkraftanlage und flexibler Ladesäule zum Konzept einer autarken mobilen Ladeinfrastruktur (AML) weiterentwickelt. Parallel dazu erfolgten Untersuchungen zu nachhaltigen Fertigungsansätzen für Prototypen und Kleinserien, die den Einsatz additiv gefertigter Kunststoffwerkzeuge einbeziehen. Alle im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurden schließlich in einer Methode gebündelt, die eine systematische Entwicklung funktionsintegrierter Lösungen ermöglicht.
Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts konnten zahlreiche Ergebnisse für nachhaltige funktionsintegrierte Lösungen erzielt werden. Am Beispiel einer Heckklappe wurde gezeigt, wie sich Konzepte zur Funktionsintegration in großserientaugliche Karosseriestrukturen überführen lassen. Hierzu wurden unterschiedliche Konstruktionsprinzipien analysiert, ausgewählte Lösungen konstruktiv umgesetzt und die notwendigen Prozess- und Werkzeugtechnologien erarbeitet. Die Wirksamkeit dieser Ansätze konnte anhand von Probekörpern erfolgreich validiert werden. Für die Flugwindkraftanlage wurden wesentliche Beiträge zur Verbesserung von Funktionalität und Lebensdauer erreicht. So wurde ein Sensornetzwerk in ein neu gefertigtes Flügelsegment integriert, wodurch neue Möglichkeiten zur Zustandsüberwachung realisiert wurden. Verschleißkritische Komponenten wie der Vorflügel konnten durch alternative Materialien und Geometrien optimiert und zugleich recyclinggerechter gestaltet werden. Darüber hinaus zeigte sich, dass der Einsatz von FKV-Metall-Verbunden bei der Seilanbindung die Lebensdauer unter lokalen Belastungen deutlich erhöht. Auch im Bereich der Ladesäulen wurden konkrete Lösungsansätze für mehr Nachhaltigkeit entwickelt. Die vollständige Analyse bestehender Systeme ermöglichte detaillierte Erkenntnisse zu Materialverteilung, Demontage und Umweltwirkungen. Darauf aufbauend wurden Maßnahmen zur Verbesserung der Zirkularität in drei Schritten erarbeitet. Zunächst wurden Ansätze unter Beibehaltung der aktuellen Bauweise untersucht, wie die Vereinheitlichung von Materialien und Verbindungselementen oder die Wiederverwendung einzelner Komponenten. Im zweiten Schritt erfolgte der Einsatz alternativer Materialien. Ein Beispiel ist die Substitution von Stahl durch Kunststoffrezyklate, die die technischen Eigenschaften verbessern und gleichzeitig zirkulär nutzbar sind. Als Beispiel für eine tiefgreifendere Änderung der Produktarchitektur entstand ein Konzept für eine modulare Ladesäule, die sowohl flexibel konfigurierbar ist als auch die Weiterverwendung von Batterien als stationäre Speicher ermöglicht. Der enorme Nutzen eines solchen 2nd Use der Ladesäule konnte anhand der Auswirkungen auf die Umweltwirkungen nachgewiesen werden. Die Kombination der untersuchten Technologien Flugwindkraftanlage und flexible Ladesäule zeigt das hohe Potenzial einer autarken mobilen Ladeinfrastruktur (AML), die aus der Kombination beider Technologien entsteht. Vergleiche mit konventionellen Windkraftanlagen verdeutlichten, dass sich erneuerbare Energie damit deutlich ressourcenschonender erzeugen lässt. Ergänzend wurden verschiedene Szenarien für den praktischen Einsatz einer AML entwickelt und ihre Umsetzbarkeit bewertet. Damit wurde ein entscheidender Beitrag für eine flächendeckende, nachhaltige Nutzung der Elektromobilität geleistet. Im Bereich der additiven Fertigung von Werkzeugen konnte die Eignung verschiedener Kunststoffe in Abhängigkeit von Prozessparametern nachgewiesen werden. Die hergestellten Testwerkzeuge bestätigten die Tauglichkeit ausgewählter Werkstoffe. Darüber hinaus wurde die Wiederverwendung der Materialien durch Regranulieren für erneute Fertigungsprozesse ermöglicht. Schließlich wurden für die systematische Funktionsintegration Methoden und Hilfsmittel erarbeitet, die die Entwicklung multifunktionaler Lösungen deutlich strukturieren und beschleunigen. Mit der Definition von Entwicklungsebenen, einem Produktmodell zur Abbildung komplexer Materialstrukturen sowie einem Katalog bestehender Lösungen liegt nun ein ergebnisorientiertes Werkzeugset vor, das die zielgerichtete Identifikation und Umsetzung geeigneter Integrationsansätze unterstützt.
Anwendungspotenzial
Die im Projekt TechnoHyb entwickelten Methoden, Konstruktionsprinzipien und Gestaltungsrichtlinien zur nachhaltigen Integration von Funktionen werden in der Praxis anhand von ausgewählten Demonstratoren validiert. Die Grundlage hierzu bilden die zuvor durchgeführten Untersuchungen anhand von Probekörpern, in welchen die Fragestellungen bezüglich Funktionsintegration sowie Recyclingfähigkeit realisiert werden. Das Vorgehen erlaubt zum einen die Absicherung der fertigungstechnischen Umsetzbarkeit der Konstruktionsprinzipien/Funktionsintegration. Zum anderen können ausgehend von den gesammelten Erkenntnissen und durch die modularisierte Betrachtung auf Gesamtproduktebene Aussagen bzgl. Übertragbarkeit auf weitere Produkte oder Branchen erfolgen. Somit können die Ergebnisse des Projekts sowohl einen wichtigen Beitrag zur Realisierung der nachhaltigen Funktionsintegrationen bzw. Verbesserung der Nachhaltigkeit im Allgemeinen, als auch in Bezug auf konkrete Anwendungsfälle bzw. Bauteile leisten. Parallel zu den dargelegten Projekttätigkeiten werden durch die gemeinsame Anwendung der Flugwindkraftanlage und der mobilen Ladesäule wichtige Anforderungen ermittelt sowie eine Anschlussfähigkeit des Projekts gewährleistet. Die Projektergebnisse werden auf nationalen und internationalen Tagungen der Öffentlichkeit vorgestellt.

• Dr. Ing. h.c. F. Porsche Aktiengesellschaft
• EnerKite GmbH
• FIT-Umwelttechnik GmbH Gesellschaft für Forschung Innovation und Technologietransfer
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• INVENT Innovative Verbundwerkstoffe Realisation und Vermarktung neuer Technologien GmbH
• MINORE GmbH
• Technische Universität Braunschweig
• VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT