Lehrstuhl und Institut für
Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen University

ECO-Design/Multi-Material Systeme


Wir entwickeln ressourceneffiziente Multi-Material Systeme

Unsere Kompetenzen

 

Unser Ziel: Ressourceneffizient entwickelte, produzierte und genutzte Produkte.

ECO-Design steht für ökologisch, ökonomisch und funktional nachhaltig konstruierte Produkte - von der Entwicklung, über die Produktion bis hin zur Nutzung und Entsorgung. Wirtschaftliche Interessen gepaart mit knapper werdenden Rohstoffressourcen und steigenden Umweltbelastungen erhöhen die Notwendigkeit systematischer Ansätze und Methoden für die nachhaltige Produktentwicklung. Die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und praktisch anwendbaren Prozessen ist hier der besondere Fokus. So führt eine  funktional effiziente Umsetzung, d.h. funktionsintegriert, lastpfad- und materialgerecht, zu einem optimalem Materialeinsatz und leichten Strukturen. Das beschriebene Spannungsfeld zwischen „Kosten“, „Lastgerecht“ und „Nachhaltigkeit“ wird daher mit besonderem Fokus auf systematisch entwickelten Multimaterialsystemen gelöst.

 

Unsere Herangehensweise: Das richtige Werkzeug zum richtigen Zeitpunkt einsetzen

Bauteile effizient entwickeln, bedeutet ein methodisches Vorgehen zu definieren, welches unter Berücksichtigung von In- und Output, sowie Leistung zu Kosten in der verfügbaren Zeit, ein den Anforderungen entsprechendes Ergebnis liefert. Häufig stellt hierbei das Spannungsfeld zwischen Kosten, Leichtbaugrad und ökologischer Nachhaltigkeit die größte Herausforderung dar. Um sich dieser Herausforderung zu stellen, schaffen wir für Ihren konkreten Anwendungsfall einen produktspezifischen Entwicklungsprozess und liefern konkrete Teil- oder Gesamtlösungen hierfür. Das Zusammenspiel verschiedener Werkzeuge (Topologieoptimierung, LCA, FEA, etc.) und Richtlinien (werkstoff-, montage-, kostengerecht, etc.) stimmen wir hierfür aufeinander ab, um effizient konstruierte und nutzbare Bauteile zu entwickeln.

 

 

 

Design for Sustainability

Mit Hilfe von Ecodesignstrategien verfolgen wir das Ziel, die Umweltauswirkungen von Produkten unter Berücksichtigung funktionaler und ökonomischer Aspekte zu verbessern. Eine ganzheitliche Lebenszyklusanalyse (LCA) hilft dabei zunächst, die umweltrelevanten Produktlebenszyklusphasen zu identifizieren. Basierend darauf erfolgen anschließend Maßnahmen, wie eine methodische Materialauswahl (z.B. nach Ashby), eine verbesserte Konstruktion zur Optimierung des Energie- und Ressourcenverbrauchs oder die Entwicklung einer passenden End-of-Life bzw. Multi-Life-Strategie. Auch die Gestaltung der Produktarchitektur birgt große ökonomische und ökologische Potentiale, z.B. durch Anwendung von Modularisierungs- und Upgradestrategien.
Ebenso spielt das Thema Effizienz in der Nutzungsphase eine Rolle. Dies kann durch materialgerechte Leichtbauweisen, aber auch durch produktsprachliche Aspekte, die das Nutzerverhalten hinsichtlich Nachhaltigkeit beeinflussen können, gezielt gesteuert werden.

 

Design for Loadcase

Das richtige Material, in der richtigen Form, an der richtigen Stelle. Dieser Anspruch an Konstruktionen hat sich in den vergangenen Jahren hinsichtlich Leichtbau, Kosten und Nachhaltigkeit immer stärker etabliert. Wir wenden systematisch Optimierungsansätze (Form-, Parameter-, Topologieoptimierung) und Materialauswahlverfahren für unterschiedliche Lastfälle an, um die ideale Materialverteilung zu ermitteln unter Beachtung von Restriktionen hinsichtlich Fertigung, Bauweise (integral vs. differential) und der Integration von Übernahmeteilen. So kann z.B. selbst der lokale Einsatz höherwertiger Werkstoffe, wie hochfester Stähle oder Faserverbundstrukturen, zu einer signifikanten Kostensenkung führen. Durch die Auswahl der richtigen Werkzeuge und die Berücksichtigung von Wechselwirkungen innerhalb des Konstruktionsprozesses,  entwickeln wir Bauteile und eine geeignete Produktarchitektur inkl. der Verbindungstechnik für ihren Anwendungsfall. Hierbei greifen wir auf etablierte, softwaregestützte Verfahren zur Materialauswahl (Vorgehen nach Ashby) und Gestaltgebung (FEM, Topologieoptimierung) zurück. Ein Forschungsschwerpunkt liegt hierbei auf der lastpfadgerechten Auslegung von Composites und Multi-Material-Strukturen über additive sowie integrierende Herstellverfahren. 

 

 

 

Design for Cost

Im Entwicklungsprozess werden ca. 70% der Produktkosten (z.B. nach Ehrlenspiel) festgelegt. Marktpreis und Betriebskosten eines Produktes sind, neben funktionalen und emotionalen Gesichtspunkten, maßgeblich für den Markterfolg verantwortlich. Durch einen kostenoptimierten Produktentstehungsprozess lässt sich dieser Zielkonflikt beschreiben und anwenderspezifisch lösen. Mit dem Ziel, ein technisch und ökologisch optimales Produkt erfolgreich am Markt platzieren zu können, ist „Design for Cost“ ein essentieller Aspekt innerhalb des Produktentstehungsprozesses.
Durch Wahl der Bauweise lassen sich sowohl Fertigungskosten, als auch Montagezeiten und Nachhaltigkeit beeinflussen. So kann bspw. ein Wechsel von einer Differential- zu einer Integralbauweise den Fertigungsaufwand minimieren. Durch die reduzierte Teilezahl lassen sich darüber hinaus Sekundäreffekte hinsichtlich der Lagergemeinkosten erzielen.
Einzelkosten lassen sich durch Einsatz optimalen Werkstoff an der richtigen Stelle positiv beeinflussen. Eine Zuordnung  der Kosten zu den Funktionen ermöglicht die funktionsbezogene Kostenoptimierung des Produktes. Eine solche Analyse kann bspw. durch die Anwendung einer METUS-Raute (vgl. www. id-consult.com) erfolgen.

 

Veröffentlichungen

Contribution to a book/Contribution to a conference proceedings
Beger, A.-L. ; Merkord, F. ; Löwer, M. ; Schäfer, M. ; Jacobs, G. ; Moser, F. J. ; Trautz, M. ; Reimer, J. ; Wormit, A. ; Usadel, B. ; Kämpfer, C. ; Seiler, T. B. ; Hollert, H.
The potential of naturally grown bent bamboo strucutures: quantifying the effect of thermal bending on their tensile strength
M2D2017: Progress in Mechanics and Materials in Design. Eds.: J.F. Silva Gomes, Shaker A. Meguid
7th International Conference on Mechanics and Materials in Design, M2D2017, Albufeira, Portugal, 11 Jun 2017 - 15 Jun 2017
297-298 (2017) 

Contribution to a book/Contribution to a conference proceedings
Schmidt, J. ; Jacobs, G. ; Alpmann, H. ; Heuser, H.
Methodological development of an optimized product emergence process for fiber reinforced polymers
M2D2017: Progress in Mechanics and Materials in Design / Eds.: J.F. Silva Gomes, Shaker A. Meguid
7th International Conference on Mechanics and Materials in Design, M2D2017, Albufeira, Portugal, 11 Jun 2017 - 15 Jun 2017
487-488 (2017)

Contribution to a conference proceedings
Schmidt, J.; Heuer, B.; Beger, A.-L.; Montano, Z.; Hoffmann, H.; Feldhusen, J.; Cadwell, D.
Methodical Design Process for structural FRP systems.
International Conference on Automotive Composites, ICAutoC 2016, 2016-09-21 - 2016-09-23, Lisboa, Portugal 

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Moser, F. (Corresponding author); Trautz, M. (Corresponding author); Beger, A.-L.; Löwer, M.; Feldhusen, J.; Wormit, A.; Prell, J.; Reimer, J.; Usadel, B.; Kämpfer, C.; Seiler, T.-B.; Hollert, H.
Bio-based structural building components grown into near net shape
Structures and Architecture; Beyond their Limits /Edited by Paulo J. da Sousa Cruz
3rd International Conference on Structure and Architecture, ICSA 2016, Guimaraes, Portugal, 27 Jul 2016 - 29 Jul 2016

Dissertation /PhD Thesis
Dallmeier, S.; Feldhusen, J. (Thesis advisor); Schröder, K.-U. (Thesis advisor)
Sensitivitätsanalyse des Vorspannkraftverlustes von einschnittigen Schraubenverbindungen für kohlenstoffverstärkte Kunststoffe
Schriftenreihe Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik Band 22, XI, 123 Seiten (2016) 

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Ngahane Nana, L. G.; Montano, Z.; Schmidt, J.; Feldhusen, J.
Comparison of Optimization Techniques for the Design of Multi-Material Structures under Multi Objective Functions
Proceedings of TMCE, 2016, May 9-13, 2016, Aix-en-Provence, France /edited by I. Horváth, J.P. Pernot, Z. Rusák
Eleventh International Symposium on Tools and Methods of Competitive Engineering, TMCE2016, Aix-en-Provence, France, 9 May 2016 - 13 May 2016 

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Ngahane Nana, L. G.; Katzwinkel, T.; Schmidt, J.; Feldhusen, J.
Anwendung aktueller Optimierungsmethoden auf Mehrzieloptimierung von Multi-Material Strukturen
Produktentwicklung zur Qualitätssicherung: Tagungsband; 13. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2015; am 8. und 9. Oktober in Clausthal 2015; [KT 2015] /hrsg. von Klaus Brökel; Jörg Feldhusen; Karl-Heinz Grote; Norbert Müller; Rieg Frank; Ralph Stelzer
13. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2015, KT 2015, Clausthal, Germany, 8 Oct 2015 - 9 Oct 2015 

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Löwer, M.; Beger, A.-L.; Feldhusen, J.; Wormit, A.; Prell, J.; Usadel, B.; Seiler, T.-B.; Kämpfer, C.; Hollert, H.; Moser, F.; Trautz, M.
Substituting Conventional Materials and Manufacturing for Sustainable, near net Shape Grown Components
Design for life: the 20th International Conference on Engineering Design (ICED 15); 27th - 30th July 2015, Politecnico di Milano, Italy /organised by Politecnico di Milano, Politecnico di Torino and the Design Society. Ed. by Christian Weber; Stephan Husung; Gaetano Cascini; Marco Cantamessa; Dorian Marjanovic; Monica Bordegoni. - Vol. 1

Contribution to a conference proceedings
Schmidt, J.; Beger, A.-L.; Montano, Z.; Ngahane Nana, L. G.; Feldhusen, J.; Cadwell, D. (Corresponding author)
User-related methodical development of cost optimised CFRP interior components for derivatives of luxury cars
20th International Conference on Composite Materials, Copenhagen, 19-24th July 2015 /ICCM; conference general chair: Professor Ole Thybo Thomsen, Aalborg University, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering 

Contribution to a conference proceedings
Beger, A.-L. (Corresponding author); Löwer, M.; Feldhusen, J.; Prell, J. (Corresponding author); Wormit, A.; Usadel, B.; Kämpfer, C. (Corresponding author); Seiler, T.-B.; Hollert, H.; Moser, F. (Corresponding author); Trautz, M.
Tailored natural components: functional geometry and topology optimization of technical grown plants
11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation, WCSMO-11, 07.07.2015-12.07.2015, Sydney, Australia 

Contribution to a conference proceedings
Feldhusen, J.; Montano, Z.; Dallmeier, S.; Schmidt, J.; Beger, A.-L.; Raza, I.; Ngahane Nana, L.G.
State of the Art: Adaptive Structures, Highly Integrated Structures
18th International Conference on Composite Structures, ICCS18, 15.06.2015-18.06.2015, Lisbon, Portugal /Antonio J. M. Ferreira

Contribution to a conference proceedings
Ngahane Nana, L. G.; Fieder, T.; Beger, A.-L.; Feldhusen, J.
Application of a Multi-Objective Optimization Approach on Sandwich Structures
11th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation, WCSMO-11, 07.06.2015-12.06.2015, Sydney, Australia 

Contribution to a conference proceedings/Abstract
Ngahane Nana, L. G.; Fieder, T.; Dallmeier, S.; Schmidt, J.; Beger, A.-L.; Montano, Z.; Feldhusen, J.
Systematic search for optimums using a methodical approach coupled with genetic algorithm
Book of abstracts /Antonio J.M. Ferreira, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
18th International Conference on Composite Structures, ICCS18, Lisbon, Portugal, 15 Jun 2015 - 18 Jun 2015 

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Löwer, M. (Corresponding author); Beger, A.-L.; Raza, I.; Feldhusen, J.; Wormit, A.; Prell, J.; Usadel, B.; Seiler, T.-B.; Kämpfer, C.; Hollert, H.; Trautz, M.
Growing Near Net Shape Components from Renewable Materials
22nd CIRP Conference on Life Cycle Engineering 2015: Sydney, Australia, 7 - 9 April 2015 /ed.: Sami Kara
Procedia CIRP 29, 609-614 (2015)

Dissertation /PhD Thesis
Günther, B.; Feldhusen, J. (Thesis advisor); Corves, B. (Thesis advisor)
Funktionale Erweiterung von Investitionsgütern im Nachrüstmarkt
Schriftenreihe Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik 20, IX, 136 S.: graph. Darst. (2015)

Contribution to a conference proceedings
Kämpfer, C. (Corresponding author); Seiler, T.-B.; Beger, A.-L.; Feldhusen, J.; Löwer, M.; Moser, F.; Prell, J.; Trautz, M.; Usadel, B.; Wormit, A.; Hollert, H.
Life cycle assessment as a decision support tool guiding the development of bio-based products
4th Young Environmental Scientist Meeting 14 - 19 March 2015, Petnica, Science Center, Serbia

Contribution to a conference proceedings
Ngahane Nana, L. G. (Author); Fieder, T. (Author); Dallmeier, S. (Author); Günther, B. (Author); Feldhusen, J. (Author)
Systematische Identifikation einer anforderungsoptimalen Sandwichkonfiguration mit Hilfe einer Multikriterienoptimierung (MKO)
Methoden in der Produktentwicklung: Kopplung von Strategien und Werkzeugen im Produktentwicklungsprozess; Tagungsband; 12. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2014 am 16. und 17.10.2014 in Bayreuth /Klaus Brökel; Jörg Feldhusen; Karl-Heinrich Grote; Frank Rieg; Ralph Stelzer (Hrsg.) 313-322 (2014)

Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Hoffmann, S.; Barej, M.; Günther, B.; Trautz, M.; Corves, B.; Feldhusen, J.
Demands on an Adapted Design Process for Foldable Structures
Origami6: Proceedings of the sixth International Meeting on Origami Science, Mathematics, and Education /Koryo Miura, Toshikazu Kawasaki, Tomohiro Tachi, Ryuhei Uehara, Robert J. Lang, Patsy Wang-Iverson (Editors). - II. Technology, art, education
Sixth International Meeting on Origami Science, Mathematics, and Education, 6OSME, Tokyo, Japan, 10 Aug 2014 - 13 Aug 2014, 489-499 (2015)

Contribution to a conference proceedings/Abstract
Hoffmann, S. (Author); Günther, B. (Author); Barej, M. (Author); Trautz, M. (Author); Feldhusen, J. (Author); Corves, B. (Author)
Comparison of Design Processes in Architecture and Mechanical Engineering
The 6th International Meeting on Origami in Science, Mathematics and Education; Programm and Abstracts held at The University of Tokyo August 10-13, 2014 /Edited by Toshikazu Kawasaki, Ryuhei Uehara, Tomohiro Tachi and Jun Maekawa Published by The 6OSME Program Committee and The 6OSME Organizing Committee 132 pp., (2014) 

Journal Article
Warkotsch, C. A. (Author); Dallmeier, S. (Author); Günther, B. (Author); Ngahane Nana, L. G. (Author); Feldhusen, J. (Author)
Sandwich joints with a gap in the core: A systematic examination of the stress distribution
Composite structures 110 (April), 231-248 (2014)

Journal Article
Dallmeier, S. (Author)
Experimentelle Untersuchung von Sandwich-Nietverbindern
Aachener Konstruktionstechnik /Mitteilungen 2013, 5-6 (2013)

Contribution to a conference proceedings
Feldhusen, J. (Author); Ngahane Nana, L. G. (Author); Dallmeier, S. (Author); Günther, B. (Author); Fieder, T. (Author)
Multi-Disciplinary Design Optimization of Sandwich Constructions
International Conference on Composite Materials 2013: (ICCM-19); Montreal, Quebec, Canada, 28 July - 2 August 2013 /[organized by Canadian Association for Composite Structures and Materials (CACSMA)]. Ed.: Suong Van Hoa 7058-7059 (2013) 

Contribution to a conference proceedings/Abstract
Feldhusen, J. (Author); Warkotsch, C. A. (Author); Günther, B. (Author); Dallmeier, S. (Author); Ngahane Nana, L. G. (Author)
Experimental validation of sandwich material with gaps in the core
ICCS 16: 16th International Conference on Composite Structures; Porto, Portugal, June 28 - 30, 2011 /U.Porto, FEUP, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto; ... Ed. by A. J. M. Ferreira Nr. 338, 2 S. (2011) 

Contribution to a conference proceedings/Abstract
Dallmeier, S. (Author); Günther, B. (Author); Ngahane Nana, L. G. (Author); Feldhusen, J. (Author)
Sandwich joints with a gap in the core? Which factors influence the stress concentrations significantly?
Book of abstracts: ICCS17; 17th International Conference on Composite Structures; 17-21 June 2013, Porto /A. M. M. Ferreira (ed.) Abstract No. 3206, 76 (2013)

Contribution to a conference proceedings/Abstract
Günther, B. (Author); Dallmeier, S. (Author); Ngahane Nana, L. G. (Author); Feldhusen, J. (Author)
Comparison of Different Sandwich Design Approaches Based on Parameter Studies
Book of abstracts: ICCS17; 17th International Conference on Composite Structures; 17-21 June 2013, Porto /A. M. M. Ferreira (ed.) Abstract No. 3764, 83 (2013)

 

 

 

 

 

 

 

Ihre Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Anna-Lena Beger
Gruppenleiterin
+49 241 80 27340
beger@ikt.rwth-aachen.de

Jonathan Schmidt, M. Sc. RWTH
+49 241 80 27587
j.schmidt@ikt.rwth-aachen.de

Malte Schäfer, M. Sc. RWTH
+49 241 80 27345
schaefer@ikt.rwth-aachen.de

Sebastian Stein, M.Sc. RWTH
+49 241 80 27587
stein@ikt.rwth-aachen.de




Unsere Projekte

Konstruktionsrichtlinie für CFK-gerechtes Automobildesign

Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien für materialgerechte Auslegung und Konstruktion von CFK-Bauteilen im Automobilbereich
(In Zusammenarbeit mit Bentley Motors Ltd.).
Laufend seit 2014

Calabash Plastics

Nutzung von Kalebassen (Frucht des Flaschenkürbis) als natürliches Substitut für Kunststoffe. Ermittlung von Werkstoffeigenschaften und Untersuchungen  von Wechselwirkungen zwischen mechanischen Eigenschaften und der  Zellbeschaffenheit des natürlichen Werkstoffs.
(Gefördert durch den BMBF, Neue Produkte für die Bioökonomie)
Laufend seit 2016.

Technical Product Harvesting (TEPHA)

Nutzung geeigneter Biomasse für die Erzeugung technischer Produkte. Der Fokus liegt auf organischen Werkstoffen, die in ihrem natürlichen Wachstum beeinflusst und so definiert in benötigte Halbzeuge oder nutzbare Bauteile der Architektur oder für maschinenbauliche Anwendungen überführt werden.
(Boostfund. Gefördert durch die Exzellenzinitiative der Bundes und der Länder)
Abgeschlossen: 2014-2016

Systematische FMEA für Industrieunternehmen

Methodische Erweiterung der klassischen FMEA zur Reduzierung des menschlichen Einflusses unter Anwendung von Leit-Stützstrukturen
(In ZUsammenarbeit mit Bosch-Siemens Hausgeräte/BSH)
Abgeschlossen. 2013-2014

Entwicklung einer Verbindungstechnik für Sandwichwerkstoffe

Systematische Entwicklung leistungsfähiger mechanischer Verbindungstechniken für Sandwichelemente. Anforderungen: kostengünstig, schnell montierbar, gute Kraftleitung ohne Schädigung der Sandwiches.
(gefördert durch die DFG)
Abgeschlossen. 2003-2005




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