Od 2025 roku Fraunhofer IWU kieruje obszarem badawczym dotyczących lekkiej konstrukcji. To połączenie łączy kompetencje 16 instytutów Fraunhofera, tworząc w ten sposób silną, interdyscyplinarną platformę wzdłuż całego łańcucha wartości lekkiej konstrukcji – od rozwoju materiałów po zwalidowane zastosowanie w produkcie. Celem jest dostarczenie firmom zintegrowanych usług badawczo-rozwojowych „z jednej ręki” oraz efektywne wprowadzanie innowacji do zastosowań przemysłowych.
Fraunhofer IWU koordynuje teraz te działania. Przełomowe pomysły stają się innowacjami dopiero wtedy, gdy koncepcje można przekształcić w produkty: kierując się tą myślą, Fraunhofer IWU koncentruje się na lekkiej konstrukcji dostosowanej do materiałów i procesów produkcyjnych. Centralnym podejściem jest tzw. „systemowa lekka konstrukcja”, w której materiały, konstrukcja i procesy produkcyjne są optymalizowane w sposób całościowy.
Celem jest redukcja wagi, oszczędność zasobów oraz jednoczesne zwiększenie wydajności komponentów do zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym i budowlanym. Przykład »3D-FiberTrain«: szybkie opracowanie przedniej maski pociągu ICE i szybsza produkcja bez kosztownych form.
W projekcie 3D-FiberTrain instytuty Fraunhofer IWU i Fraunhofer IMWS wspólnie z partnerami przemysłowymi pokazały, jak dzięki połączeniu dużego formatu druku 3D i technologii układania taśmy 3D można bez użycia narzędzi wytwarzać złożone i wysoko obciążone elementy kompozytowe z termoplastów do pojazdów szynowych. Rezygnacja z narzędzi formujących, wysoki stopień automatyzacji oraz wykorzystanie materiałów wyjściowych na bazie termoplastów, które można ponownie używać, obniżają koszty produkcji oraz ślad węglowy. Dotyczy to szczególnie produkcji małych i średnich serii.
W ciągu trzech lat konsorcjum zrealizowało dwa dużej wielkości demonstratory: przedni zderzak oraz nos lokomotywy pociągu dużych prędkości. Użyty wzmocniony włóknem szklanym poliwęglan został starannie dobrany i zmodyfikowany, aby spełniał ekstremalnie wysokie, specyficzne dla pojazdów szynowych wymagania dotyczące ochrony przeciwpożarowej. Zintegrowana ochrona przed ogniem stawia szczególne wyzwania w zakresie przetwarzania w druku 3D.
Badania te zostały podjęte przez naukowców za pomocą wstępnych symulacji procesów, które mogą przewidywać na przykład odkształcenia elementów spowodowane temperaturą lub delaminacje, co pozwala uniknąć kosztownych błędów druku. Ponadto specjalne metody optymalizacji strukturalnej umożliwiły redukcję liczby stosowanych taśm wzmacniających do mechanicznie niezbędnego minimum – obok rezygnacji z narzędzi formujących, jest to kluczowy czynnik wpływający na opłacalność procesu. W dalszych pracach planowane jest zbadanie bezpośredniego przetwarzania rezyklatów w dużym formacie druku 3D, aby dalej rozwijać obieg komponentów kolejowych z termoplastów. Projekt ten pokazuje potencjał wytwarzania addytywnego do drastycznego skrócenia czasów rozwoju w budowie pojazdów szynowych, a jednocześnie do realizacji zrównoważonych, nadających się do recyklingu struktur lekkich.
Fraunhofer Obszar Badań nad Lekkimi Konstrukcjami: Silny Sojusz 16 Instytutów
Obszar badań łączy wszechstronne kompetencje w zakresie rozwoju i optymalizacji nowoczesnych procesów produkcyjnych dla struktur lekkich, w tym hybrydowych komponentów termoplastycznych, procesów RTM i wysokociśnieniowego RTM, zautomatyzowanego przetwarzania taśm i prepregów oraz innowacyjnych podejść do wykorzystania materiałów włóknistych z recyklingu. Uzupełnia to wiedza w zakresie technologii łączenia i powierzchni, na przykład w technice klejenia, obróbce laserowej oraz funkcjonalnym wykończeniu powierzchni, aby zrealizować produkty wielofunkcyjne i trwałe.
Aby zabezpieczyć opracowane rozwiązania, obszar badawczy zapewnia rozbudowaną infrastrukturę testową i walidacyjną. Obejmuje to od wysokorozdzielczej kontroli nieniszczącej, na przykład za pomocą tomografii komputerowej o wysokiej energii dla dużych elementów, po realistyczne stanowiska testowe dla kompletnych pojazdów. Uzupełniają to specjalistyczne metody, takie jak diagnostyka rentgenowska w przypadku obciążeń w czasie zderzeń, oraz kompleksowe metody testowania i oceny nowatorskich materiałów, w tym materiałów opartych na biomasie i wzmocnionych włóknami naturalnymi.
Obok tych technologicznych kompetencji kluczowych, pole badawcze Fraunhofer zajmuje się gospodarką o obiegu zamkniętym i rozwija rozwiązania dotyczące recyklingu kompozytów, ponownego wykorzystania materiałów oraz cyfrowych podejść do optymalizacji procesów recyklingowych.
Kolejnym ważnym obszarem jest budownictwo lekkie dla pojazdów zasilanych bateriami. Opracowywane są tutaj struktury zintegrowane funkcjonalnie, nowe koncepcje baterii oraz rozwiązania lekkie o obniżonej emisji CO₂, które zwiększają zarówno efektywność energetyczną, jak i zasięg przyszłych rozwiązań mobilności.
Fraunhofer IWU jest liderem w badaniach nad metalową pianką jako innowacyjnym rozwiązaniem dla lekkich i wytrzymałych obudów baterii z optymalnym zarządzaniem termicznym.
Perfekcyjne uzupełnienie: Fraunhofer IAP
Najmłodszym członkiem w dziedzinie badań jest od roku Instytut Fraunhofera ds. Zastosowań Polimerów IAP. Instytut Fraunhofera IAP koncentruje swoje działania w zakresie lekkich konstrukcji szczególnie na materiałach opartych na polimerach oraz technologiach kompozytowych. Opracowuje dostosowane do potrzeb rozwiązania w zakresie lekkich konstrukcji, począwszy od syntezy specjalnych polimerów, przez półprodukty i prototypy, aż po procesy produkcyjne odpowiednie do przemysłu dla komponentów o wysokiej wydajności.
Również zrównoważony rozwój materiałów cyrkularnych, na przykład poprzez rozwój biopochodnych polimerów i włókien węglowych oraz materiałów kompozytowych dostosowanych do recyklingu, jest wspierany przez Fraunhofer IAP. W tym kontekście IAP celowo zajmuje się scenariuszami końca życia i strategiami ponownego wykorzystania struktur lekkich.
Nie mniej ważne, instytut pracuje nad rozwiązaniami w zakresie lekkich konstrukcji dla magazynów wodoru oraz wysokoefektywnych łopat wirników dla małych turbin wiatrowych, gdzie konstrukcja, aerodynamika i produkcja są optymalizowane wspólnie.
W dziedzinie badań nad konstrukcjami lekkimi współpracujące instytuty Fraunhofera
Dynamika krótkoterminowa, Instytut Ernsta Macha, EMI | Technologia chemiczna, ICT | Technika wytwarzania i zastosowane badania materiałowe, IFAM | Technika odlewnicza, kompozytowa i przetwórcza, IGCV | Układy scalone, IIS | Technika laserowa, ILT | Mikrostruktura materiałów i systemów, IMWS | Technologia produkcji, IPT | Technika powłok i powierzchni, IST | Systemy energii wiatrowej, IWES | Mechanika materiałów, IWM | Maszyny narzędziowe i technika formowania, IWU | Nieniszczące metody badań, IZFP | Wytrzymałość eksploatacyjna i niezawodność systemów, LBF | Badania nad drewnem, WKI | Zastosowane badania polimerów, IAP
Kontakt:
