Forschungshighlights des Fraunhofer IWU, Institutsteil Dresden

Fertigung jenseits der Grenzen heutiger Verfahren – Generative Fertigung

3D-Druck nennt es der Laie, der Experte spricht von generativer oder additiver Fertigung. Denn genau genommen wird hier nichts gedruckt, sondern schichtweise aus verschiedenen Materialien aufgebaut. Dies kann beispielsweise geschehen, indem Kunst­stoffe aufgeschmolzen und flüssig aus einer Düse gedrückt werden, bevor sie wieder erstarren. Mit generativen Verfahren lassen sich auch komplexe und sehr große Metallkomponenten fertigen, die in der Industrie Verwendung finden. Dass dies funktioniert, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU nachgewiesen.

Die Forscher setzten hierbei auf das Laserstrahlschmelzen und gingen so neue Wege in der Entwicklung und Fertigung innovativer Bauteile. Diese werden direkt auf Basis von Computermodellen beispielsweise aus Edelstahl-, Aluminium-, Titan- oder Kobalt-Chrom-Pulver aufgebaut. Ein Laser schmilzt dieses Pulver sukzessive vollständig auf. Erstarrt es wieder, ergibt dieses ein nahezu 100 Prozent dichtes Gefüge. Weil die Bauteile schicht­weise und ohne Werkzeuge entstehen, bietet das Verfahren eine nahezu unbegrenzte Konstruktions- und Gestaltungsfreiheit und ermöglicht beliebig komplexe Strukturen aus Metall.

Dazu gehören etwa Werkzeuge, die in Umformpressen eingesetzt werden, um Bleche für den Karosseriebau zu formen. Die Ingenieure des Fraunhofer IWU haben auf diesem Gebiet besondere Kompetenzen. Mithilfe des Laserstrahlschmelzens entwickelten sie Werkzeugeinsätze mit neuen Funktionen. So fertigten sie Komponenten mit filigranen Kanälen, durch die Kühlmittel strömen kann. Damit lassen sich die Werkzeuge wesentlich schneller als bisher auf die richtige Betriebstemperatur für den nächsten Pressvorgang bringen. Auf diese Weise können mehr Teile in kürzerer Zeit produziert, die Qualität der Werkstücke verbessert und Ressourcen eingespart werden. Dass die generativ gefertigten Formen und Werkstücke absolut robust sind und sich stark beanspruchen lassen, haben die IWU-Wissenschaftler unter Bedingungen nachgewiesen, wie sie in der Serienfertigung vorliegen.

Smarte Fassade mit Energiespareffekt – Projekthaus smart³

Fast 40 Prozent beträgt der Anteil von Gebäuden am gesamten Energieverbrauch in Deutschland. Das Heizen, Kühlen und Lüften von Wohnhäusern, Büroimmobilien und öffentlichen Bauten ist kostenintensiv. Energieverschwender sind vor allem Gebäude mit großflächigen Glasfassaden. Im Rahmen der BMBF-Zwanzig20- Innovationsinitiative »smart³« entwickeln Forscher des Fraunhofer IWU gemeinsam mit dem Fachgebiet Textil- und Flächen-Design der Weißensee Kunsthochschule Berlin Fassadenkomponenten, die autark auf Sonneneinstrahlung und die dadurch entstehende Wärme reagieren und so den Energieverbrauch senken.

Um das Fassadenelement zu steuern, wird ausschließlich die Wärmeenergie der Sonne genutzt. Der Demonstrator »Solar Curtain«, der auf dem Entwurf einer Designstudentin basiert, besteht aus einer Matrix von 72 einzelnen textilen Bauteilen, die wie Blüten aussehen. In die textilen Module integriert sind Formgedächtnisaktoren. Dabei handelt es sich um dünne, 80 Millimeter lange Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung, die sich an ihre Ausgangsform erinnern, wenn sie erhitzt werden. Er­wärmt sich die Fassade durch die auftreffenden Sonnenstrahlen, werden diese Drähte aktiviert. Sie ziehen sich zusammen und öffnen dadurch geräuschlos die textilen Komponenten. Die offene Fläche des Fassadenelements schließt sich, das Sonnenlicht kann nicht in den Raum eindringen. Verschwindet die Sonne hinter den Wolken, schließen sich die Elemente und die Fassade ist wieder transparent. Der Effekt beruht auf einer besonderen Gitteranordnung im Werkstoff. Verbiegt man den Draht und erwärmt ihn, »erinnert« er sich an die ursprüngliche Gestalt, die er vor dem Verbiegen hatte, und nimmt sie wieder ein.

Man kann sich das Fassadenelement als Membran vorstellen, die sich den tages- und jahreszeitlichen Witterungsbedingungen anpasst und für jeden Sonnenstand die optimale Verschattung bietet.

Der für großflächige Verglasungen konzipierte Sonnenschutz lässt sich problemlos nachinstallieren und bietet vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Sowohl Muster, Geometrie, Farbe als auch Reaktionstemperatur der einzelnen Blütenmodule lassen sich anpassen, einzelne Bereiche können individuell verschattet werden. Dank des modularen Aufbaus kann »Solar Curtain« auch an gekrümmte Glasflächen angepasst werden. Das Design ist damit unabhängig von der Gebäudeform.

Künstliche Hüftgelenke präzise anpassen – Medizintechnik

Pro Jahr benötigen mehr als 200 000 Menschen in Deutschland eine Hüftprothese. Bislang verlassen sich die Ärzte auf das Maß­band und ihr geschultes Auge, um die künstlichen Hüftgelenke an die Beinlänge ihrer Patienten anzupassen. Die Folge dieses wenig präzisen Verfahrens: Nach einer Hüftoperation kann das betroffene Bein um bis zu zwei Zentimeter kürzer oder länger sein als zuvor. Treten dann Probleme mit der Wirbelsäule auf, helfen nur noch Schuheinlagen, um diese Differenz auszugleichen.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU haben gemeinsam mit ihren Projektpartnern, der Klinik für Orthopädie, Unfallchirugie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, der Westsächsischen Hochschule Zwickau und ihrem Forschungs-und Transferzentrum e. V., der AQ Implants GmbH sowie der MSB-Orthopädie-Technik GmbH, eine Lösung für dieses Problem entwickelt: ein genaues Messverfahren in Verbindung mit einem einstellbaren Implantat.

Das Prinzip der Messmethode: Der Arzt befestigt ein Kunststoff­kästchen, in dem sich zwei LEDs befinden, auf dem Schienbein des liegenden Patienten. Nun fasst er das überstreckte Bein an der Ferse und bewegt es nach oben. Die Lichtpunkte durchlaufen aufgrund der Bewegung eine Kreisbahn, die eine etwa eineinhalb Meter seitlich vom Patienten stehende Kamera aufnimmt. Das ist ähnlich wie bei einem Zirkel: Das Hüftgelenk, in dem das Bein »aufgehängt« ist, wäre die Nadel, die LEDs entsprächen dem Bleistift. Ändert sich der Abstand, da das Bein länger oder kürzer wird, ändert sich auch die Kreisbahn, die die LEDs ziehen.

Diese Messung führt der Mediziner einmal direkt vor der Operation durch und ein zweites Mal, nachdem er das Implantat probeweise eingesetzt hat – das Kästchen verbleibt während der Operation am Bein. Eine Software vergleicht die beiden Kreisbahnen und stellt so fest, ob das Bein ebenso lang ist wie vor dem Eingriff. Falls erforderlich, passt der Arzt die künstliche Hüfte an. Klinische Tests des Messsystems laufen derzeit.

Ein smarter Antrieb repariert sich selbst – Adaptronik

Kugelgewindetriebe sind die am häufigsten genutzten Antriebssysteme in Werkzeugmaschinen. Eine Spindel wird über einen Motor oder über Getriebe und Riementriebe angesteuert. Zwischen Spindel und Mutter bewegen sich in Laufrillen Kugeln, die beim Drehen der Spindel entlang der Achse wandern. Im Rückführ-kanal der Spindelmutter werden die Kugeln wieder zurückbefördert und schließen damit den Bewegungskreislauf. So werden Drehbewegungen in geradlinige Bewegungen umgewandelt. Der Vorteil eines Kugelgewindetriebs liegt in seinem hohen Wirkungs-grad und seiner Energieeffizienz. Ist er einmal defekt, kann die Reparatur schnell mehrere zehntausend Euro kosten. Vor allem wenn er im laufenden Betrieb ausfällt, können im ungünstigsten Fall weitere Maschinenkomponenten beschädigt werden.

Eine weitere Herausforderung: Um den Antrieb möglichst präzise positionieren zu können, wird eine hohe mechanische Vorspan­nung eingestellt, d. h. das Spiel zwischen Spindel und Mutter wird auf wenige Mikrometer reduziert. Dies führt zu gesteigerter Reibung, Materialermüdung und schließlich Verschleiß. Dadurch vergrößert sich das Spiel zwischen Mutter und Spindel erneut, und die Vorspannung und damit die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine sinken dauerhaft ab. Der Kugelgewindetrieb muss entweder getauscht oder, soweit möglich, neu vorgespannt werden.

Den Forschern des Fraunhofer IWU ist es gemeinsam mit Industrie-partnern im vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt »LastPass« gelungen, Formgedächtnisaktoren in einen Kugelgewindetrieb zu integrieren. Dieser »smarte Antrieb« variiert seine Vorspannung »intelligent« selbst, indem er zur Aktivierung der eingesetzten Aktorik die zwischen den Wälzkontakten entstehende Wärme nutzt. Um die Vorspannung zu variieren, wurde ein ringförmiges Aktorelement zwischen die zwei Teilmuttern integriert. Durch die Reibungswärme dehnen sich die Formgedächtnisaktoren bis zu einem voreingestellten Grad aus und erhöhen damit die Vorspannkraft dauerhaft. Diese Dehnung bleibt nach einer einmaligen Aktivierung erhalten und bedarf keiner weiteren Energiezufuhr. In ersten Versuchen konnte die Vorspannung um durchschnittlich bis zu 60 Prozent erhöht werden. Die Forscher denken bereits weiter: In einem nächsten Schritt soll das System im Sinne von Industrie 4.0 über Sensorik überwacht werden.

Fügen dicker Bleche – Fügetechnologien

Im Boxsport bedeutet ein Clinch eine feste Umklammerung des Gegners, aus der dieser sich kaum lösen kann. Eine sehr feste Verbindung ist auch in der Fügetechnik gemeint, wenn vom Clinchen die Rede ist. Dabei verbindet man Bleche ohne einen Zusatzwerkstoff, also ohne diese beispielsweise zu verschweißen, zu nieten oder zu verschrauben – dies bringt einen wirtschaftlichen Vorteil.

Das Clinchen zählt zu den Umformverfahren, da die Verbindung durch Umformung der Bleche entsteht. Das Werkzeug, das sie zusammenfügt, besteht aus einer Matrize und einem Stempel. Dieser formt die zu verbindenden Werkstoffe in die Matrize, die so gestaltet ist, dass eine druckknopfähnliche Form entsteht. So bilden die Bleche einen Hinterschnitt aus, der sie zusammenhält. Häufig wird die auch als »Durchsetzungsfügen« bekannte Methode in der Automobilfertigung angewendet, um Karosseriebauteile zu fügen. Hier verbindet es Werkstoffe, die durch Punktschweißen nicht gefügt werden können. Aber auch in der Geräte- und Elektroindustrie hat es sich etabliert. Dort werden vor allem dünne Bleche mit einer Einzelblechdicke bis zu zwei Millimetern eingesetzt. Lange fehlten aber Konzepte, damit auch dickblech­verarbeitende Industriezweige wie der Schienen-, Schiffs-, Nutzfahrzeug- oder Stahlbau von der effizienten Fügetechnologie profitieren können.

Genau daran forschen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU. Mithilfe von Computersimulationen entwickeln sie Werkzeuge, mit denen sich beim Clinchen Einzelblechdicken von durchschnittlich fast einem Zentimeter fügen lassen. Dass sich das Verfahren in der industriellen Fertigung anwenden lässt, demonstrierten die Ingenieure in einem Projekt mit dem Roll-treppen-Hersteller Schindler. Für diesen clinchten sie versteifende Streben an die Ober- und Untergurte eines Fahrtreppenfachwerks.

Neben der guten Automatisierbarkeit des Prozesses und der hohen Fügegeschwindigkeit überzeugt gegenüber dem Schweißen vor allem, dass die thermisch bedingten Deformationen am Werkstück vermieden werden und sich Vorarbeit und Zusatz-material einsparen lassen.

Per Simulation zu mehr Ruhe auf der Schiene – Technische Akustik

Umgebungslärm hat entscheidenden Einfluss auf Gesundheit und Lebensqualität. Dabei spielt vor allem in Städten Verkehrslärm eine gewichtige Rolle. Daher steigen die akustischen Anforderungen an Straßen-, Schienen- und Wasserfahrzeuge kontinuierlich. Eine wesentliche Schallquelle bei Schienenfahrzeugen ist die Antriebseinheit, die aus dem elektrischen Antrieb und dem Getriebe besteht. Die Geräuschemissionen dieser Komponenten besitzen einen charakteristischen Klang mit bestimmten, deutlich wahrnehmbaren Frequenzen, die stark belästigend wirken.

In einem Projekt des Fraunhofer IWU haben Wissenschaftler eine simulationsbasierte Methode zur akustischen Optimierung von Getriebeelementen entwickelt. Evaluiert wurde sie anhand einer einstufigen single stage spur gearbox eines Schienenfahrzeugs. Dabei wurde ein dynamisches Simulationsmodell genutzt, um akustisch kritische Drehzahlen und Lasten zu ermitteln. Auf diesem Weg fanden die Wissenschaftler zwei Ansätze, die parallel angewendet eine akustische Optimierung ermöglichen: die Verbesserung der Mikrogeometrie der einzelnen Getriebebauteile und eine strukturelle Überarbeitung des Getriebegehäuses.