MultiMaK2

Problemstellung
Leichtbau ist eines der zentralen Themen für die Automobilindustrie, so dass ein Großserieneinsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) intensiver verfolgt wird. Unter wirtschaftlichen und ökologischen Randbedingungen ist vor allen Dingen die Multi-Material-Bauweise interessant, bei der metallische Werkstoffe mit FKV kombiniert werden. Allerdings stellen diese Mischbauweisen für lasttragende Strukturen in der Großserie ein Novum im Automobilbau dar und erfordern weitreichendes Wissen bezüglich FKV, deren Fügetechnologien und deren Fertigungstechnik. Dieses Wissen ist in der Automobilbranche nicht im benötigten Umfang vorhanden oder nicht so weit aufbereitet, dass es auf die spezifischen Problemstellungen anwendbar ist. Zudem sind Leichtbaumaßnahmen mit aufwändiger Werkstoffproduktion und komplexen Fertigungsprozessen verbunden. Damit gehen häufig erhöhte Um-weltlasten einher, die in der Nutzungsphase durch Minderverbrauch kompensiert werden sollen. Die für eine Ökobilanz (LCA) notwendige Datenbasis ist jedoch für innovative Werkstoffe noch sehr lückenhaft. So liegen kaum valide Sachbilanzdaten für die Produktions- und Recyclingprozesse vor. Eine Analyse und Bewertung der potentiellen Umweltwirkungen hybrider FKV-Strukturen und der Vergleiche mit alternativen Werkstoffen sind daher zurzeit nicht möglich. Es existieren Ansätze zum Austausch von Daten zwischen den verfügbaren Softwarelösungen zur Umweltbewertung und zur Integration der Ergebnisse in Konstruktionssoftware. Diese Lösungen sind jedoch weder ausgereift noch auf das hochgradig arbeitsteilige Vorgehen in der Automobilindustrie zugeschnitten. In der Regel findet nur eine retrospektive Ökobilanzierung des fertigen Produktes statt, während sich eine Berücksichtigung von ökologischen Zielgrößen bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung mangels Entscheidungsunterstützung durch geeignete Softwaretools schwierig gestaltet.

Projektziele
Die im Rahmen von MultiMaK2 entwickelten Softwaretools zur Entscheidungsunterstützung ermitteln, zugeschnitten auf den use-case, die zu bewertenden Bauteileigenschaften (u.a. Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Kosten und Ökobilanz) auf Basis von analytischen und empirischen Modellen bereits auf Konzeptebene in einer frühen Phase der Produktentstehung und ermöglichen dadurch einen durch Kennzahlen abgesicherten Vergleich verschiedener Bauteilkonzepte. Unter Berücksichtigung der technologischen Entwicklungen der Parallelprojekte sowie den lebenszyklusorientierten Auswirkungen in verschiedenen Nutzungsszenarien werden zudem Gestaltungsregeln für Produkte und Prozesse abgeleitet.

Vorgehensweise
Um diese Ziele zu erreichen, beginnt das Konsortium mit der Analyse der unternehmensspezifischen Entwicklungsprozesse. Ergebnis ist eine Reihe von typischen Entscheidungssituationen, die durch die prototypischen Softwaretools unterstützt werden sollen. Im Zuge der Entwicklung von Bauteilkonzepten wird eine Reihe von Bauteilen identifiziert, die sich grundsätzlich für den Einsatz der Multi-Material-Bauweise eignen. Aus der Vielzahl der identifizierten Bauteile wird eine Auswahl getroffen, die im Anschluss konzipiert, gestaltet und mit Hilfe von Finite-Elemente Software ausgelegt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Tätigkeit ist, dass bereits frühzeitig die Abhängigkeiten zwischen der Gestaltung, den verfügbaren Fertigungsprozessen und den sich daraus ergebenden Energie- und Ressourcenbedarf in der Produktion berücksichtigt werden, um eine Umweltbewertung (LCA) bereits bei der Konzeptauswahl einfließen zu lassen. Um diese Umweltbewertung durchführen zu können, erfolgt die Erfassung und Modellierung der LCA-relevanten Daten, dieses umfasst unter anderem die Recherche verfügbarer Daten für die Rohstoffvorkette, aber auch die Modellierung von Fahrzeug Nutzungsszenarien zur Prognose des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs in der Nutzungsphase und parametrische Maschinenmodelle, die eine Abschätzung des Energie- und Ressourcenverbrauchs in Abhängigkeit einiger Bauteilparameter ermöglichen. Begleitend erfolgt die Material-Charakterisierung, die die Ermittlung physikalischer Materialkennwerte für die Auslegung der Bauteilkonzepte umfasst. Aufbauend auf der Modellierung der LCA-relevanten Daten und den repräsentativen use-cases erfolgt die prototypische Entwicklung von Softwaretools zur Entscheidungsunterstützung in der Designphase. Die Arbeiten dieser Arbeitspakete münden in einem geschlossenen Gesamtkonzept, dem Life Cycle Design & Engineering Lab und im Handbuch Multi-Material-Bauweise.

Anwendungspotenzial
Die Ergebnisse aus MultiMaK2 werden bis 2022 in die Serienentwicklung der Partner übertragen bzw. als kommerzielle Softwarelösung vertrieben. Die entwickelten Methoden und Werkzeuge werden im Rahmen eines geschlossenen Gesamtkonzepts, dem Life Cycle Design & Engineering Lab in der Open Hybrid LabFactory verankert und eine signifikante Performanceverbesserung der Bauteilkonzepte bei gleichem oder reduziertem Gewicht gegenüber konventionellen Bauweisen ermöglichen. Zudem wer-den einige der Partner die Ergebnisse des Projekts auf diversen Fachtagungen, wie beispielsweise der Faszination Leichtbau 2016 und 2018 in Wolfsburg präsentieren. Die Institute der Technischen Universität Braunschweig werden die Ergebnisse ferner in der universitären Lehre verbreiten.

Campusbeitrag
Die Toolkette und Datenbasis steht Entwicklern im Life Cycle Design & Engineering in der Open Hybrid LabFactory zur kontinuierlichen Bewertung und Optimierung von Produkt- und Prozessentwicklung zur Verfügung.

• IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
• ifu Institut für Umweltinformatik Hamburg GmbH
• INVENT Innovative Verbundwerkstoffe Realisation und Vermarktung neuer Technologien GmbH
• iPoint-systems GmbH
• Technische Universität Braunschweig
• VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT