Leistungsfähig, sicher, ressourceneffizient: RPTU erhält 6,5 Mio. Euro, um neue Hochleistungskomponenten zu entwickeln

Produktionsanlagen, Windräder, Flugzeuge: Sie verbindet, dass die Komponenten, aus denen sie aufgebaut sind, unter extrem hohen Belastungen stehen. Zugleich sollen Bauteile möglichst leicht sein, um leistungsfähig und ressourceneffizient arbeiten zu können. Mittels Verfahren der additiven Fertigung wollen Forschende der RPTU gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover neuartige Hochleistungskomponenten aus hybriden porösen (kurz: HyPo-)Werkstoffen entwickeln, die diese und weitere Anforderungen erfüllen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den Sonderforschungsbereich HyPo für vier Jahre mit rund 12,65 Millionen Euro. Die Hälfte der Mittel fließt an die federführende RPTU.

HyPo-Komponenten bestehen aus einer Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, weisen eine lokal variierende Dichte, etwa in Form von Poren, auf und sind dadurch sehr anpassungsfähig. Die Variabilität in der Dichte ermöglicht zum Beispiel eine erhebliche Gewichtsreduzierung in Bereichen, die gering beansprucht sind. Damit sind Komponenten bei dynamischen Belastungen weniger träge und arbeiten schneller, was Potenzial zur Effizienz- und Leistungssteigerung eröffnet. Ebenso ist es möglich, die Materialeigenschaften so einzustellen, dass stark belastete Bereiche eine besonders hohe Festigkeit erhalten.

Das Forschungsteam im neuen Sonderforschungsbereich (SFB) wird neuartige Verfahren der additiven Fertigung (3D-Druck) nutzen, um multifunktionale HyPo-Komponenten zu entwickeln, die neben Porosität und einem speziellen Werkstoffgemisch noch einen weiteren Vorteil mitbringen: Integrierte Sensorik, die – über messbare Zustandsveränderungen des Materials – Aufschluss über Zuverlässigkeit der Bauteile liefert. Die Kombination dieser drei Funktion in einer Komponente ist bislang einmalig. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von metallischen HyPo-Bauteilen, denen eine besonders große technische Bedeutung zukommt.

„Für diese Forschungsaufgabe bringen wir die notwendigen Infrastrukturen und Kompetenzen mit“, sagt Professor Dr. Werner R. Thiel, Vizepräsident für Forschung an der RPTU in Kaiserslautern. „Im universitären Profilbereich Advanced Materials Engineering, gefördert über Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pfalz, konnten wir bereits die komplexen Zusammenhänge von Werkstoff, Fertigungsprozess, resultierender Mikrostruktur und den hierdurch bestimmten Anwendungseigenschaften umfassend untersuchen. Einer Förderung des Wirtschaftsministeriums verdanken wir es zudem, dass in Kaiserslautern ein Anwendungszentrum für Additive Fertigung entstanden ist – beste Voraussetzungen für den Sonderforschungsforschungsbereich HyPo. Wir freuen uns, dass die DFG mit der Förderzusage nun den Startschuss gegeben hat, um die Grundlagen zur Fertigung von Hochleistungskomponenten zu erarbeiten. Auch im Sinne der wissenschaftlichen Nachwuchsförderung bietet das Vorhaben beste Bedingungen: Gut ein Drittel der Beteiligten werden Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler sein, die sich in einem derartigen koordinierten Forschungsprogramm in Leitungspositionen qualifizieren können.“

Schicht für Schicht zum Hochleistungsbauteil
Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation an der RPTU, ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs, den er gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover auf den Weg gebracht hat. Als weitere Partner sind Forschende des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern, des Leibniz-Informationszentrums Technik und Naturwissenschaften (TIB) in Hannover und der Technischen Universität Darmstadt eingebunden. „In diesem koordinierten Programm zur additiven Fertigung können wir die Sicht verschiedener Partner und Fachdisziplinen zusammenbringen“, freut sich der Ingenieur. „Zugleich decken wir die gesamte Prozesskette von der Werkstoffauslegung und Produktentwicklung bis hin zur Fertigung und Qualitätskontrolle ab. Als Demonstrator wird ein Fräszentrum dienen, eine vielseitige Produktionsmaschine, an der wir stark belastete Bauteile sukzessive gegen die von uns entwickelten und gefertigten Hochleistungskomponenten austauschen. So können wir feststellen, ob und um welchen Faktor die Arbeitsvorgänge schneller werden, der Energiebedarf sinkt und vieles mehr.“ Anwendung könnten die Hochleistungskomponenten beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Flugzeugen oder Windkraftanlagen finden, wo dynamische Belastungen von Bauteilen kontinuierlich gegeben sind und es auf schnelle Bewegungen ankommt.

Für die Herstellung der HyPo-Komponenten werden die Forschenden additive Fertigungsverfahren nutzen, die eine große Designfreiheit bieten. Das Material wird dabei Schicht für Schicht aufgetragen. „Die Kolleginnen und Kollegen in Hannover haben ein additives Verfahren entwickelt, mit dem sich metallische Schäume herstellen lassen“, erklärt Professor Aurich. Aufgrund der Poren lassen sich Dichte und damit Festigkeit und Gewicht des Werkstoffs variieren. „In Kaiserslautern wollen wir mit einem anderen additiven Verfahren den Schaumkern mit einer Metallschicht umhüllen, um die Komponenten nach außen zu schließen. Hierbei werden wir mit Schichten aus verschiedenen Stahllegierungen arbeiten, um so an jeder Stelle das für die individuelle Belastung optimale Material einsetzen zu können.“  

Die integrierte Sensorik bringen die Komponenten ebenso direkt mit. „Die Belastung im Arbeitseinsatz verändert die Materialstrukturen“, ergänzt der Ingenieur. Diese Änderungen sind messbar. Somit warnt uns das Bauteil vor, wenn es einen kritischen Zustand erreicht. Das erhöht Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen.“

Kompetenz entlang der gesamten Prozesskette
Der SFB trägt den Zusatz „Transregio“, weil die RPTU das Vorhaben mit einer weiteren Hochschule, der Leibniz Universität Hannover (LUH), beantragt hat und umsetzen wird. Co-Sprecher des Vorhabens ist Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, der das Institut für Werkstoffkunde an der LUH verantwortet.
Das Forschungsteam in Kaiserslautern vernetzt Kompetenzen in den Bereichen Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie Informatik, um die gesamte Prozesskette abzudecken.

Die beteiligten Arbeitsgruppen und Projektleitenden im Überblick:
•    Abteilung Strömungs- und Materialsimulation, Fraunhofer ITWM:
Prof. Dr.-Ing. Sarah Staub
•    Arbeitsgruppe Werkstoffprüfung, RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Kerscher
•    Lehrstuhl für Computational Physics in Engineering; RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Kristin de Payrebrune
•    Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation, RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich; Dr.-Ing. Benjamin Kirsch
•    Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Tribologie, RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Oliver Koch, Jun. Prof. Dr.-Ing. Manuel Oehler, Jun. Prof. Dr.-Ing. Stefan Thielen
•    Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik, RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Jörg Seewig
•    Lehrstuhl für Technische Mechanik, RPTU:
Jun. Prof. Dr.-Ing. Lisa Scheunemann
•    Lehrstuhl für Werkstoffkunde, RPTU:
Prof. Dr.-Ing. Tilmann Beck; Dr.-Ing. Bastian Blinn
•    Machine Learning Group, RPTU:
Prof. Dr. Marius Kloft, Jun. Prof. Dr. Sophie Fellenz

Ein Großteil der Forschenden, die im SFB arbeiten werden, hat bzw. findet seinen Arbeitsort im neuen Forschungsgebäude LPME (Laboratory for Ultra-Precision and Micro Engineering) an der RPTU in Kaiserslautern.

Über Sonderforschungsbereiche der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Sonderforschungsbereiche sind langfristige, auf die Dauer von bis zu zwölf Jahren angelegte Forschungseinrichtungen der Hochschulen, in denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen eines fächerübergreifenden Forschungsprogramms zusammenarbeiten.
Sie ermöglichen die Bearbeitung innovativer, anspruchsvoller, aufwendiger und langfristig konzipierter Forschungsvorhaben durch Koordination und Konzentration von Personen und Ressourcen in den antragstellenden Hochschulen. Damit dienen sie der institutionellen Schwerpunkt- und Strukturbildung.

Der SFB/Transregio (TRR) wird von zwei oder drei Hochschulen gemeinsam beantragt und getragen. Er ermöglicht eine enge Kooperation zwischen diesen Hochschulen und den dort Forschenden einschließlich einer gemeinsamen Nutzung der Ressourcen. Die Beiträge der antragstellenden Hochschulpartner sind für das gemeinsame Forschungsziel essentiell, komplementär und synergetisch.

Mehr unter:
www.dfg.de/foerderung/programme/koordinierte_programme/sfb/

Fragen beantwortet:
Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich
Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation / RPTU in Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2618
E-Mail: jan.aurich[at]rptu.de