BioStruX – Bionische Leichtbaustrukturen auf Basis verzweigter Bleche

Das Forschungsprojekt BioStruX trägt das Spaltprofilieren und das nachgelagerte Spaltprofilbiegen zur Herstellung bionisch orientierter Leichtbaustrukturen als eine neue Potenzialtechnologie des funktionsintegrierten Strukturleichtbaus vom Stadium der umfangreichen wissenschaftlichen Durchdringung im Hochschulumfeld in die Breite der industriellen Anwendung. Der grundlegende Leichtbaumechanismus besteht dabei in der Nutzung des Gestaltungselements der Verzweigung zur Erhöhung der Beulsteifigkeit profilartiger und flächiger Strukturen und dem Potenzial einhergehender Gewichtsreduktion sowie Funktionsintegration. Durch den Fertigungsprozess Spaltprofilieren wird entlang der Bandkante von Stahlblechen kontinuierlich eine Verzweigung mittels Umformen eingebracht.

Projektverantwortliche: Benedikt Depta M. Sc. | Christian Thoma M. Sc.
Laufzeit: April 2021 – März 2024
Förderlinie: BMWK
Homepage: www.ptu.tu-darmstadt.de/biostrux

Motivation

Kritische Versagensfälle etablierter Konstruktionsprinzipien von Blech- und Profilbauweisen stellen in vielen Fällen das Beulen und Knicken dar. Oftmals kann diesen nur durch Blechdickenzunahme und somit einer Gewichtszunahme technischer Baugruppen begegnet werden. In der konstruktiven sowie technologischen Vermeidung von Instabilitäten liegt ein wesentlicher Schlüssel für die Realisierung eines ressourcen- und kosteneffizienten Strukturleichtbaus.

Aus der Natur ist bekannt, dass Instabilitäten durch die Einbringung von Verzweigungen und das damit einhergehende erhöhte Flächenträgheitsmoment wirksam begegnet werden kann. Hierdurch können Blechdicken reduziert und ganzheitliche Leichtbaupotenziale umgesetzt werden. Die Fertigungstechnik steht bei der Herstellung verzweigter Strukturen auf Stahlbasis, insbesondere im Dünnblechbereich, allerdings vor signifikanten Herausforderungen. So ist die Herstellung integraler, aus dem Werkstoff geformter Verzweigungen – wie sie von kostenintensiv stranggepressten Aluminiumbauteilen bekannt sind – bei Dünnblechen aus Stahl nicht möglich. Dahingegen steht die industrielle Nutzung des Fertigungsprozesses Spaltprofilieren vor den Hürden der hohen Anlageninvestition sowie der geringen Flexibilität und Produktivität bei kleinen Stückzahlen.

[1] Werkzeug- und Maschinenkonzeptes der automatisierten Spaltprofilieranlage

Lösungsweg

Um der Problemstellung der Industrialisierung des Spaltprofilierens gerecht zu werden, wird eine einstufige, intelligent automatisierte Spaltprofilieranlage entwickelt. Diese Neuentwicklung bringt neben der Änderung der Prozessführung auch eine Umgestaltung der Werkzeugwalzen und des Gerüstaufbaus zur Gewährleistung der erforderlichen Freiheitsgrade mit sich. Diese Anpassungen haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozesscharakteristika, weshalb nicht direkt von einer Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus dem kontinuierlichen Betrieb ausgegangen werden kann. Es gilt, neben einer ganzheitlichen Neukonstruktion des Werkzeugsystems die Prozesssensitivitäten numerisch und experimentell zu untersuchen.

Zum kinematischen Spaltprofilbiegen liegen bisher deutlich weniger wissenschaftliche Erkenntnisse vor. Somit ist beim Spaltprofilbiegen vor der Prozessentwicklung die hinreichende Erarbeitung technologischer Grundlagen erforderlich. Die Maschinenregelung und das KI-Konzept erfordern gleichermaßen eine vollständige Neuentwicklung, da die vorhandene kontinuierliche Spaltprofilieranlage lediglich auf die Steuerung der Blechvorschubgeschwindigkeit und fachpersonal-basiertes Rüsten und Justieren beschränkt ist. Abbildung 1 zeigt das erarbeitete Werkzeug- und Maschinenkonzept für die intelligent automatisierte Spaltprofilieranlage.

Danksagung

Das Verbundvorhaben BioStruX – Bionische Leichtbaustrukturen auf Basis verzweigter Bleche (Förderkennzeichen: 03LB2011A) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Technologietransferprogramms Leichtbau gefördert. Das PtU dankt dem Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH und den Verbundpartnern, die im Forschungsprojekt BioStruX mitwirken.

Ferner bedanken wir uns bei allen Industriepartner, die das Forschungsprojekt BioStruX als assoziierte Partner begleiten.

Gefördert durch

Projektträger

Projektpartner

Industriepartner