Lehrstuhl und Institut für
Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen University

ECO-Design/Multimaterialsysteme


Wir entwickeln ressourceneffiziente Multi-Material Strukturen

Unsere Kompetenzen

 

Anforderungen erkennen. Entwicklung fokussieren.

Die Anforderungen definieren die externen Rahmenbedingungen bei der Entwicklung von Produkten. Sie bilden eine wesentliche Grundlage im Konstruktionsprozess. Im Gegensatz zum klassischen Anforderungsmanagement, bei dem das Sammeln und Dokumentieren der Anforderungen im Vordergrund steht, liegt in diesem Rahmen der Fokus auf der Aufbereitung der Anforderungen. Für die zielgerichtete Entwicklung von Multimaterial-Strukturen müssen die Anforderungen hinsichtlich struktureller, werkstofflicher und fertigungstechnischer Gesichtspunkte geclustert werden. Ziel ist es, bei jeder späteren Entscheidung dem richtigen Mitarbeiter zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Anforderungen vollständig zur Verfügung zu stellen.

 

Reaktionen identifizieren. Systematisch Strukturen gestalten.

Im Rahmen der Strukturauslegung von Multimaterial-Systemen muss ein besonderes Augenmerk auf die Reaktionen gelegt werden, die in der Struktur erzwungen, vermieden und durch diese geleitet werden müssen. Damit unmittelbar gekoppelt ist die Fragestellung, an welcher Stelle die jeweilige Reaktion stattfinden muss. Unter Berücksichtigung der Anforderungen und unterschiedlichen Lasten wird durch eine Teilung der Struktur eine Differentialbauweise initiiert, um die unterschiedlichen Vorteile vorhandener Werkstoffe zielgerichtet einzusetzen. Als wesentliches Werkzeug zur Strukturidentifikation einer anforderungsgerechten Grobstruktur dient das Contact&Channel-Modell. 
Die Grobstruktur wird mit Hilfe der belastungsgerechten Optimierung im zulässigen Bauraum lokal präzisiert. In Abhängigkeit von Werkstoff und Fertigungsverfahren folgt die Ausformung der Lokalstruktur.

 

 

 

Strukturen definieren. Schnittstellen erkennen.

Die Entwicklung einer mechanischen, lösbaren Verbindungstechnik ist ein bedeutender Forschungsinhalt im Bereich von Multimaterial-Strukturen. Die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe müssen bei der Schnittstellengestaltung berücksichtigt werden, um das volle Potential des Verbundes ausnutzen zu können. Hierbei werden sowohl interne als auch externe Schnittstellen betrachtet. 
Für die Gestaltung der Schnittstellen wird zunächst eine systematische Analyse der gewollten Übertragungsgrößen unter Anwendung der Leit-Stützstrukturen durchgeführt. Darauf aufbauend wird mittels Strukturoptimierungssoftware zur Parameter-, Form- und Topologieoptimierung eine für den Anwendungsfall optimale Lösung ermittelt.

 

Werkstoffe wählen. Potentiale nutzen.

Die Material- und Fertigungsauswahl stehen in einem engen Wechselspiel, weshalb nur eine kombinierte Betrachtung sinnvoll ist. In Abhängigkeit des Werkstoffes sind nur bestimmte Fertigungstechniken einsetzbar, andererseits wird die Werkstoffauswahl durch mögliche Fertigungsoperationen eingeschränkt. Mittels Multikriterienoptimierungen werden die teils widersprüchliche Anforderungen für jedes einzelne Strukturelement berücksichtigt und ein für die Randbedingungen optimaler Werkstoff ausgewählt. Dabei werden sowohl konventionelle Konstruktionswerkstoffe als auch neuartige und unkonventionelle Werkstoffe berücksichtigt. Bei der Materialauswahl müssen nicht nur die Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe, sondern auch die Restriktionen durch die Kombination betrachtet werden. 
Bei der Auswahl geeigneter Fertigungsverfahren ist neben dem zu bearbeitenden Werkstoff relevant welche Oberflächengüten und Toleranzen erzielt werden sollen. Außerdem können je nach Fertigungsverfahren nicht alle möglichen Konturen erzielt werden.

 

 

 

Festigkeitsnachweis erbringen. Bauteilversagen beeinflussen.

Dem Festigkeitsnachweis kommt besonders bei Multi-Material-Strukturen eine besondere Rolle zu. Aufgrund der nahezu unendlichen Anzahl an Materialkombinationen können derzeit keine allgemeingültigen Berechnungsvorschriften verwendet werden. Das mechanische Verhalten jedes einzelnen Verbundes wird daher zunächst modelliert, mittels numerischer Verfahren berechnet und anschließend prototypisch aufgebaut sowie experimentell überprüft. Dafür stehen der Forschungsgruppe ein umfangsreiches Versuchsequipment wie eine servohydraulische Prüfmaschine und verschiedene FEM-Programme zur Verfügung. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Modellbildung ein. Neben dem eigentlichen Festigkeitsnachweis muss das bei Multimaterialien hochkomplexe Bauteilversagen bei der Auslegung bekannt sein und berücksichtigt werden. Dafür entwickelt die Gruppe Versagenskriterien für vereinfachte und wirtschaftliche Festigkeitsnachweise. Dies gilt sowohl für statische als auch dynamische Belastungen.

 

Unser Ziel: Ressourceneffizient entwickelte, produzierte und genutzte Produkte

ECO-Design steht für ökologisch und ökonomisch nachhaltige 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.

Im Fokus stehen unterschiedliche Werkzeuge, die je nach Produkt und Entwicklungszeitpunkt entlang des Produktentstehungsprozesses eingesetzt werden können. Beginnend mit einer systematischen Anforderungsermittlung, über die Auswahl und Bewertung verschiedener Werkstoffe und Fertigungsverfahren, spielt ebenso das Thema Effizienz in der Nutzungsphase eine Rolle, die zum einen durch materialgerechte Leichtbauweisen, aber auch durch produktsprachliche Aspekte, die das Nutzerverhalten hinsichtlich Nachhaltigkeit beeinflussen können, gezielt beeinflussbar  ist.

 

 

 

 

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.)

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)

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)

Systematische FMEA für Industrieunternehmen

Methodische Erweiterung der klassischen FMEA zur Reduzierung des menschlichen Einflusses unter Anwendung von Leit-Stützstrukturen

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)




Das ikt als Ihr Partner

Finden Sie im von uns angebotenen Themenspektrum keine Entsprechung für Ihr Anliegen?
Bitte zögern Sie nicht, uns anzusprechen! Gerne vermitteln wir ein persönliches Gespräch.

Außerdem verfügt unser Institut über eine umfangreiche Ausstattung hinsichtlich Prüftechnik und Prototypen-Labor mit Einrichtungen zum 3D-Druck. Beachten Sie bitte auch unsere weiteren Forschungsgruppen