Forschungscampus OHLF: LCT

Problemstellung
Hybride Strukturen haben hohe Anforderungen an Auslegung, Konstruktion und Fertigung. Vor LCT war wenig untersucht, ob ihre Funktionsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer unter variierenden Umweltbedingungen erhalten bleibt. Reparaturstrategien wurden meist ohne Bezug zur Bauteilkonzeption betrachtet. Eine durchgängige Lebenszyklusbetrachtung von der Fertigung bis zum End-of-Life fand kaum Anwendung. Zudem erfordern hybride Werkstoffe angepasste Prüf- und Monitoringverfahren, da unterschiedliche Schädigungsmechanismen wie Korrosion, Quellung oder Grenzflächenentfestigung gleichzeitig auftreten. Condition-Monitoring-Systeme mit eingebetteten Sensoren bieten hier großes Potenzial, wurden aber vor LCT kaum systematisch auf Hybridstrukturen übertragen. Für thermoplastische Hybridstrukturen fehlten darüber hinaus praxistaugliche Reparaturmethoden in einer Werkstattumgebung. Schließlich waren Multiskalen-Modelle sowie integrierte Ansätze von Life Cycle Assessment (LCA) und Life Cycle Costing (LCC) vor LCT noch wenig verbreitet, obwohl sie zentrale Voraussetzungen für ein fundiertes Life Cycle Engineering hybrider Strukturen darstellen.

Projektziele
Ziel des Projekts war die Entwicklung von Methoden und Befähigung von Technologien zur Auslegung und Gestaltung von Bauteilen in Multimaterialbauweise mit einer integrierten, ganzheitlichen Betrachtung technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Zielgrößen über den gesamten Bauteillebenszyklus hinweg („Life Cycle Engineering“). Der Schwerpunkt lag in der Bauteilnutzungsphase sowie der Reparatur zur Verlängerung des Lebensendes. Durch den Einsatz geeigneter Methoden wurde demonstriert, wie eine ganzheitliche Bewertung und Verbesserung – auch unter Berücksichtigung veränderlicher Randbedingungen – umgesetzt werden kann.

Vorgehensweise
Im Projekt LCT wurden zwei Fahrzeugbauteile als Demonstratoren ausgewählt, die sich in Anforderungen und Materialkombinationen deutlich unterschieden: ein Holz-Stahl-Verbund (hybrider Türaufprallträger) sowie ein Stahl-faserverstärkter Kunststoffverbund (hybrides Hutprofil als vereinfachter Stoßfängerquerträger). Zur Bewertung von Schädigungsmechanismen und Lebensdauer unter Alterungseinflüssen kamen zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren, unter anderem Structural Health Monitoring mittels faseroptischen Sensoren, zum Einsatz. Schadens- und Versagensmuster konnten dabei den jeweiligen Fertigungsparametern zugeordnet und deren Einfluss auf Nutzung und Haltbarkeit charakterisiert werden. Für typische Schadensbilder wurden praxisgerechte Reparaturmethoden entwickelt, in einer Werkstattumgebung erprobt und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Restlebensdauer überprüft. Begleitend erfolgten ökologische und ökonomische Bewertungen mittels szenariobasiertem LCA und LCC. Ergänzend wurden Multiskalen-Modelle zur Abbildung von Fertigung, Nutzung, Reparatur und Aufbereitung entwickelt und projektspezifisch verknüpft.

Wesentliche Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde eine Methodik zur lebenszyklusübergreifenden Auslegung von Technologien entwickelt, die ökonomische, ökologische und funktionale Kriterien berücksichtigte. Sie war exemplarisch auf hybride Strukturen im Fahrzeugbau ausgerichtet, wurde im Projektverlauf erprobt und validiert. Durch die kontinuierliche Einbindung von erhobenen Daten konnte die Modellgüte sukzessive gesteigert werden. Die entwickelten Inhalte lassen sich in sechs Teilresultate gliedern: Erstens wurde ein Konzept zur fertigungsbegleitenden Datenerfassung und -auswertung erarbeitet, das Aussagen über die Lebenszyklusperformance ermöglichte. Zweitens entstand ein Versuchsansatz zur Abbildung der Nutzungsphase mittels geeigneter Alterungs- und Schädigungstests sowie begleitender Prüfverfahren. Drittens wurde die Reparaturfähigkeit geschädigter Komponenten hinsichtlich Funktionalität, Ökologie und Ökonomie auf Couponprobenbasis untersucht und bewertet. Viertens wurde ein Multiskalenmodell ausgearbeitet, das den Bauteillebenszyklus inklusive relevanter Randbedingungen abbildete und die Einbindung realer Versuchsdaten zuließ. Fünftens erfolgte eine umfassende LCA und LCC der Demonstratorbauteile unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und variierenden Randbedingungen. Schließlich resultierte aus diesen Arbeiten ein Leitfaden, der die Anwendung der Methodik für verschiedene Technologieauslegungen dokumentiert.

Anwendungspotenzial
Auf Basis der Projektergebnisse lassen sich vielfältige Anwendungspotenziale für Unternehmen identifizieren, die insbesondere in der Automobilindustrie, aber auch in anderen Industriezweigen von hoher Relevanz sind. Im Zentrum stehen Methoden und Technologien, die eine lebenszyklusgerechte Gestaltung hybrider Strukturen ermöglichen und dabei ökologische, ökonomische und technische Anforderungen gleichermaßen berücksichtigen. Für Unternehmen eröffnen sich hierdurch Chancen, ihre Entwicklungsprozesse systematisch an Prinzipien der Kreislaufwirtschaft auszurichten, regulatorische Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig Wettbewerbsvorteile durch ressourceneffiziente und nachhaltige Produkte zu erzielen. Von besonderem Interesse ist die Kombination aus materialseitigen Innovationen – etwa der Einsatz holzbasierter Hybridmaterialien – mit digitalen Methoden zur Lebenszyklusanalyse (LCA) und Lebenszykluskostenrechnung (LCC). Damit lassen sich Produkte bereits in der frühen Entwicklungsphase hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Zielgrößen bewerten und optimieren. Dies unterstützt nicht nur die Entscheidungsfindung in der Produktentwicklung, sondern kann auch als Instrument zur strategischen Positionierung in Märkten genutzt werden, die zunehmend von Nachhaltigkeitskriterien geprägt sind. Für Unternehmen ergeben sich konkrete Potenziale in der Prozess- und Qualitätssicherung. Die im Projekt entwickelten Verfahren zur Material- und Bauteilprüfung, kombiniert mit Condition-Monitoring-Systemen, ermöglichen es, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Bauteilen besser vorherzusagen und damit Produktions- wie auch Gewährleistungsrisiken zu reduzieren. Besonders für neuartige Materialkombinationen und Fügeverfahren, bei denen Erfahrungswerte fehlen, sind diese Methoden von hoher praktischer Relevanz. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt in der strategischen Nutzung der entwickelten Bewertungswerkzeuge. Das webbasierte LCA/LCC-Tool erlaubt Unternehmen eine niedrigschwellige und datenbasierte Analyse der Nachhaltigkeit ihrer Produkte und Prozesse. Dies erleichtert die Integration von Life Cycle Engineering in die industrielle Praxis und ermöglicht eine transparente Kommunikation ökologischer und ökonomischer Vorteile gegenüber Kunden, Investoren und Regulierungsbehörden. Vor dem Hintergrund steigender CO2-Bepreisung und zunehmender Regularien im Bereich Nachhaltigkeit gewinnen solche Instrumente für Unternehmen weiter an Bedeutung.
Auch für Universitäten und Forschungseinrichtungen bestehen breite Anschlussmöglichkeiten. Die Projektergebnisse können unmittelbar in Lehre und Ausbildung einfließen und bieten Studierenden praxisnahe Einblicke in aktuelle Fragestellungen des hybriden Leichtbaus, der Kreislaufwirtschaft und des Life Cycle Engineering. Zudem schaffen die entwickelten Methoden und Demonstratoren eine Basis für weiterführende Forschung. Durch die enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern ergeben sich darüber hinaus Perspektiven für gemeinsame Folgeprojekte und eine verstärkte internationale Vernetzung.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• INVENT Innovative Verbundwerkstoffe Realisation und Vermarktung neuer Technologien GmbH
• iPoint-systems GmbH
• ProCon X-Ray GmbH
• Technische Universität Braunschweig
• thyssenKrupp Steel Europe AG
• VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT