Lbf jahresbericht 2014

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ISSN 1864-0958

www.lbf.fraunhofer.de Jahresbericht Annual report 2014

V I B R A T I O N T E C H N O L O G Y, L I G H T W E I G H T C O N S T R U C T I O N , R E L I A B I L I T Y, P O LY M E R T E C H N O L O G Y

Dr. Hartmut Baumgart (Vorsitzender)

Adam Opel AG, Rüsselsheim

Dr.-Ing. Gerold Bremer

Volkswagen AG, Wolfsburg

Dr.-Ing. Mathias Glasmacher

Diehl Stiftung & Co. KG, Nürnberg

Dr. Arbogast M. Grunau

Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach

Dr.-Ing. Frank Höller

Carl Zeiss AG, Oberkochen

Dr.-Ing. Ferdinand Hollmann

Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bonn

Dr. Stefan Kienzle

Daimler AG, Ulm

Dr. Patrick Kim

Bayerische Motorenwerke AG, München

Dr.-Ing. Peter Klose

Klose Engineering GbR, Hardthausen

Dr. Ulrike Mattig

Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Wiesbaden

Dr.-Ing. Andreas Müller

Dr. h.c. F. Porsche AG, Weissach

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Technische Universität Darmstadt, Darmstadt

Hermann Riehl

Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn

Dr.-Ing. Oliver Schlicht

Audi AG, Ingolstadt

Edgar Westermair


Dr. Hans-Joachim Wieland, FOSTA Forschungsvereinigung

Stahlanwendung e. V., Düsseldorf

Die Institutsleitung des Fraunhofer LBF dankt den Kuratoren im Namen aller Mitarbeiterinnen und

Mitarbeiter für ihr Engagement sowie für die fruchtbare und konstruktive Zusammenarbeit!

Das Kuratorium setzt sich aus Vertretern der Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlichen Hand zusammen. Die Mitglieder stehen dem Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft und der Institutsleitung beratend zur Seite.

Kuratorium.Board of Trustees.

Vielen Dank für Ihr Vertrauen!Thank you for your trust!

Wir danken allen Kunden und Partnern, die uns für den Jahresbericht 2014 ihr Logo zur Verfügung gestellt haben und allen, die in Projekten mit uns kooperiert haben.

4 FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 2014

Inhalt

EINBL ICKE

6 Vorwort der Institutsleitung.

10 ProfilFraunhoferLBF.

FORSCHUNG MIT SYSTEM!

14 MitLeidenschaftamMarkt.

16 Leistungsfelder.

24 Geschäftsfelder.

26 Forschungsbereiche.

34 DasLBFManagementteam.

LE ISTUNG MIT SYSTEM

Schwingungstechnik

38 AktiveKupplungzurSchwingungsminderung inSchiffsantrieben.

40 MehrFahrkomfortfürLandmaschinen.

42 SchwingungenundLasteninelektrischen Antriebssträngen.

44 ErprobungsfahrzeugfüraktiveLärm- undVibrationsminderung.

46 ReduzierungderLärmausbreitunginLüftungskanälen.

48 AktiveSchwingungskontrollebeiWindkraftanlagen.

Leichtbau

52 TechnologieentwicklungenfürzukünftigeFlugzeugflügel.

54 QuerlenkerausFaserverbundenmitintegrierten Funktionen.

56 OptimierteProzesskettefürComposite-Sicherheitsbauteile.

58 EffizienteBetriebsmessungendankgenerativ gefertigterHilfsmittel.

60 Festigkeitsverhaltenmehrachsigbelasteter Komponenten.

Zuverlässigkeit

64 BetriebsfestigkeiteinerMaterialumschlagmaschine.

66 BedarfsgerechteInstandhaltungvonGüterwagen.

68 SmartesSensornetzwerkzurÜberwachunggroßerBauwerke.

70 PrüfungenvonHV-Batterien.

72 ElektromobilitätaufdemrichtigenWeg.

74 MultiaxialesElastomerlagermodellfürdynamische Mehrkörpersimulationen.

76 MehradrigeKabelinderVerlegesimulation.

78 BeherrschungvonUnsicherheitinaktiven lasttragendenSystemen.

Polymertechnik

82 Umweltfreundliche,kratzfesteLacke.

84 SchnelleBestimmungdesPhasenverhaltensvon Polymermischungen.

86 EmissionsreduzierteKunststoffcompounds.

88 Schwingfestigkeitsversucheund MaterialcharakterisierunganElastomeren.

NEUE PERSPEKTIVEN

92 PortfolioElastomerwerkstoffeund Elastomerbauteile.

94 MehrRuheanDeck–Prognosewerkzeugfür akustischeEigenschaftenvonSchiffen.

96 EAP-SpacerfüraktiveFenster–vollintegriert undkostengünstig.

97 SpartKosten:MiniaturParallelroboterinLeichtbauweise.

98 MechanischeModelleleichterstellt: unserWerkzeugkoffer.

99 KunststoffemitintegriertenFunktionalitätenundVerrippungen.

100 VariabelverklebenfüreinenbetriebsfestenLeichtbau.

101 IntegrativeSimulationalsWerkzeugzurAuslegunghochbelasteterKunststoffbauteile.

102 Strukturintensität–Wasstecktdahinter?

103 DieassoziiertenFachgebiete.

104 Labor-undPrüfeinrichtungen.

NETZWERKE

110 DieFraunhofer-Gesellschaft.

111 Fraunhofer-VerbundMATERIALS.

112 AusgründungenundBeteiligungendesFraunhoferLBF.

113 Rhein-MainAdaptronike.V.

114 AllianzenundNetzwerke.

116 FraunhoferLBF–ZahlenundFakten.

118 Impressum.

FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 2014 5

Index

INS IGHTS

8 Directospreface.

12 ProfileFraunhoferLBF.

SYSTEMATIC RESEARCH!

15 Passionatelyinthemarket.

16 Services.

24 BusinessAreas.

26 ResearchDivisions.

34 LBFManagementTeam.

SYSTEMATIC SERVICES

VibrationTechnology

38 Activecouplingforvibrationcontrolin shippropulsionsystems.

40 Improveddrivingcomfortforagriculturalmachines.

42 Vibrationsandloadsinelectricpowertrains.

44 Automotivetestvehicleforactivenoiseand vibrationcontrol.

46 Reductionofnoisepropagationinventilationducts.

48 Activevibrationreductionatwindenergyplants.

LightweightConstruction

52 Technologydevelopmentforfutureaircraftwings.

54 Lightweightcontrolarmoffiber-reinforcedcompositesintegratesseveralfunctions.

56 Optimizedprocesschainforcompositesafety-parts.

58 Efficientoperationalmeasurementsthankstoadditive manufacturedtools.

60 Fatiguelifeassessmentofstructuralcomponents undermultiaxialcyclicloading.

Reliability

64 StructuralDurabilityofamaterialhandler.

66 Needs-basedmaintenanceoffreightcars.

68 Smartsensornetworkformonitoringlargestructures.

70 TestsonHVbatteries.

72 Electromobilityontherighttrack.

74 Multi-axialelastomericbearingmodelfor dynamicmulti-bodysimulations.

76 Layingsimulationformulti-corecables.

78 Controlofuncertaintyinactiveload-bearingsystems.

PolymerTechnology

82 Eco-friendlyscratchresistantcoatings.

84 Rapiddeterminationofphasebehavior ofpolymermixtures.

86 Lowemissionplasticmaterials.

88 Cyclicfatiguetestingandmaterialcharacterization ofelastomers.

NEW PROSPECTS

92 Portfolioelastomericmaterialsandelastomeric components.

94 Moresilenceondeck–Softwaretooltopredict thevibro-acousticbehaviorofvessels.

96 EAP-spacerforactivewindows–fullyintegrated, low-costsolution.

97 Savesoncost:miniatureparallelrobotinLightweightConstruction.

98 Mechanicalmodelseasilyimplemented: withourToolbox.

99 Plasticswithintegratedfunctionalitiesandribbing formassproduction.

100 VariablebondingforreliableLightweightConstruction.

101 Integrativesimulationasadesigntoolforhighlystressedreinforcedplasticcomponents.

102 Structuralintensity–Whatisbehind?

103 AssociatedDepartments.

104 Laboratoryequipmentandtestingfacilities– theentireworldoftestingtechnology.

NETWORKS

110 TheFraunhoferGesellschaft.

111 TheFraunhoferMaterialsGroup.

112 FraunhoferLBFspin-offs.

113 Rhein-MainAdaptronike.V.

114 Alliancesandnetworks.

116 FraunhoferLBF–factsandfigures.

118 Imprint.


E I N B L I C K E


SehrverehrteDamenundHerren,

liebeKundenundPartnerdesFraunhoferLBF,

wirhabenunserenKursauchimletztenJahrgehalten.Unser

Zielbleibtes,hervorragendeIndustrieforschungzubetreiben

undwichtige,nachhaltigeBeiträgefürwirtschaftlicheund

gesellschaftlicheMehrwertezuleisten.Hierfürhaltenwireinen

stetigenDialogmitunserenPartnernundarbeitenmitIhnen

partnerschaftlichzusammen.WirhinterfragenunsereFuE-

AngeboteundpassendiesedenzukünftigenBedarfenunserer

Kundenan.Undwirstrebendanach,durchneueForschungser-

gebnisseImpulsefürerfolgreicheProduktinnovationenzugeben.

In2014habenwirunserFuE-Angebotinunserenzentralen

LeistungsfeldernderSchwingungstechnik,demLeichtbau,der

ZuverlässigkeitundderPolymertechnikgestärktundweiter-

entwickelt.IndiesenLeistungsfeldernarbeitenunsereTeams

derForschungsbereicheAdaptronik,Betriebsfestigkeitund

Kunststofftechnikimmerengerverzahntzusammenundbieten

einübergreifendes,marktorientiertesFuE-Angebotsportfolio.

DamitunterstützenwirunserePartnerbeiihrenProduktent-

wicklungendurchumfassendewissenschaftlich-technische

Beratung,ganzheitlicheProblemlösungenauseinerHandsowie

fokussierteForschungs-undEntwicklungsleistungenentlang

eineszentralenTeilsderWertschöpfungskette.

WirfreuenunsdabeiüberzunehmendestrategischePartner-

schaftenundversprechenIhnenauchweiterhinvertrauensvolle,

intensiveundmutigeZusammenarbeit.

Was ist im letzten Jahr geschehen?

In2014habenwirmehreregroßeKooperationsforschungs-

projekteabgeschlossenundarbeitennunmitunserenIndustrie-

partnerninbilateralenEntwicklungsprojektenamTransfer

derProjektergebnisseinkommerzielleLösungen.Beispiele

liegeninderKompaktierungsehrenergieeffizienteraktiver

SchwingungsisolationssystemevonMotoren,diezuletztin

Fahrversuchengetestetwurden,oderinderAbleitungeffizient

nutzbarernumerischerWerkzeugezurSchwingungsanalyse,

dieinKürzekommerziellangebotenwerden.Durchkontinuier-

licheInvestitioneninmodernePrüftechnik,aucheigenent-

wickelteSpeziallösungen,konntenwirdieVerfügbarkeitunserer

AnlagenstabilisierenundzudemimBereichderZuverlässigkeit

unsereAngeboteabrunden,beispielsweisedurchdiemultiaxiale

SchwingprüfungvonBatterien,diehochpräziseBetriebsfestig-

keitsuntersuchungvonmechanischenKleinbauteilenoderdie

vibroakustischeAnalysevonElastomerlagern.UnserProjekt-

geschäftiminternationalenBereichwurdebesondersim

asiatisch-pazifischenRaumweiterausgebaut.Hierentstehen

neuePartnerschaftenbesondersmitdeutschenUnternehmen,

dieihrGeschäftvorOrtausbauenwollenunddieExpertise

desFraunhoferLBFzurAbrundungdeseigenenPortfolios

benötigen.

AuchdasletzteJahrkonntenwirerneutsehrerfolgreich

abschließen.UnserWirtschaftsertraglagbei55,1%und

dafürgiltIhnen,unserenProjektpartnernundKunden,wie

allenMitarbeiterinnenundMitarbeiterndesLBF-Teamsmein

ausdrücklicherDank.

Zu diesem Jahresbericht

AufdennächstenSeitenskizzierenwirinteressanteAuszüge

unsererProjektarbeitinderSchwingungstechnik,dem

LeichtbausowiederZuverlässigkeitundPolymertechnik.Da

diesimmernurexemplarischgeschehenkann,hoffeich,dass

SieIhrespezifischentechnologischenHerausforderungenin

unserenKompetenzenmöglichstenggespiegeltfinden.

SprechenSieunsbittean!DasgesamteTeamdesLBFfreut

sichaufdieZusammenarbeitmitIhnen!

Prof.Dr.-Ing.TobiasMelz

Forschung mit System! Forschung mit System!


availableinthenearfuture.Byinvestingcontinuouslyin

advancedtestingtechnology,includingspecialsolutionsdeve-

lopedin-house,wehavebeenabletostabilizetheavailabilityof

oursystemsandadditionallytoroundofftheservicesweoffer

intheareaofeliability,forexamplemulti-axialvibrationtesting

ofbatteries,highlyaccurateStructuralDurabilityofmechanical

smallpartsorvibro-acousticanalysisofelastomericbearings.

Wehaveexpandedourprojectbusinessintheinternational

arena,especiallyintheAsia-Pacificregion.

Here,newpartnershipsarebeingcreatedparticularlywith

Germancompanieswhowanttogrowtheirbusinesslocally

andwhorequiretheexpertiseoftheFraunhoferLBFtocomple-

menttheirownportfolio.

Wehadaverysuccessfulresultagainlastyear.Oureconomic

returnwasaround55.1%andforthisIoweyou,ourproject

partnersandcustomers,aswellasalltheemployeesintheLBF

team,myheartfeltthanks.

About this annual report

Onthefollowingpages,weprovideinterestingabstracts

fromourprojectworkinVibrationTechnology,Lightweight

Construction,ReliabilityandPolymerTechnology.Aswecan

onlyeverdothisbyusingexamples,Ihopeyouwillfindyour

specifictechnologicalchallengesmirroredascloselyaspossible

inourskillsandexpertise.

Feelfreetocontactus!ThewholeLBFteamlooksforwardto

workingwithyou.

Prof.Dr.-Ing.TobiasMelz

I N S I G H T S

LadiesandGentlemen,

ClientsandPartnersoftheFraunhoferLBF,

Wemanagedtosticktoourcourseagainlastyear.Itremains

ourgoaltocarryoutexcellentindustrialresearchandtomake

importantenduringcontributionstovaluecreationboth

commerciallyandsocially.Todothis,wemaintainaconstant

dialoguewithourpartnersandworkcollaborativelywithyou.

WescrutinizeourR&Dservicesandadaptthemtoourcusto-

mers’futurerequirements.Wealsostrivetoprovideincentives

forsuccessfulproductinnovationswithnewresearchresults.

In2014,westrengthenedandfurtherdevelopedourrange

ofR&DservicesinourkeyperformancefieldsofVibration

Technology,LightweightConstruction,ReliabilityandPolymer

Technology.Ourteamsfromtheresearchareasofadaptronics,

StructuralDurabilityandplasticstechnologyworkmoreand

morecloselytogetherintheseperformancefields,andoffera

rangeofinterdepartmental,market-orientedR&Dservices.

Asaresult,wesupportourpartnerswiththeirproduct

developmentsbyprovidingextensivescientificandtechnical

advice,integratedsolutionsfromasinglesourceandfocused

researchanddevelopmentservicesalongakeyportionofthe

valuecreationchain.

Weareverypleasedabouttheincreasingnumberofstrategic

partnershipsandwepromisetocontinuethisboldandintensive

collaborationwhichisbasedonmutualtrust.

What happened last year?

In2014,wecompletedseveralcooperativeresearchprojects

andarenowworkingwithourindustrialpartnersinbilateral

developmentprojectsontranslatingtheprojectresultsinto

commercialsolutions.

Examplesarethecompactionofhighlyenergy-efficient,active

vibrationisolationsystemsofengines,whichwererecently

trialedinroadtests,orthederivationofefficientnumerical

toolsusefulforvibrationanalysis,whichwillbecommercially


DasFraunhoferLBFinZahlen.Fraunhofer LBF in numbers.

Betriebshaushalt | Operational budget [T €] 2014

AufwandBetriebshaushalt 29203

Erträge Betrieb | Income of operation

BearbeitungvonAufträgen aus der Industrie

13684

BearbeitungvonForschungs-aufgabenfürWirtschaftsverbände

2240

BearbeitungvonForschungsaufgabenfürdieEU 1247

BearbeitungvonForschungsauf-gabenfürBund/Länder

5200

InstitutionelleFörderungdesBMBFundderLänderzumBetriebshaushalt

3135

AnschubfinanzierungLandHessen 2009

InterneProgramme 1004

sowiesonstigeErträge 684

Summe | total 29203

Investitionen | Investments

ausderinstitutionellenFörderungdesBMBFundderLänder

1370

ausVertragsforschungsvorhaben 321

ausSondermittelnLandHessenfinanzierteInvestitionen

47

Summe | total 1738

Personal 2014warenamInstitutinsgesamt452Mitarbeiterbeschäftigt(inkl.Hiwis,Azubis,Praktikanten,DiplomandenundLeiharbeitnehmer).Zusätzlichwaren59MitarbeiterandenassoziertenLehrstühlenderTUDarmstadttätig.

Personnel In2014theinstitutehad452employees(includingresearchassistants,apprentices,trainees,graduatestudentsandborrowedworkers).Inaddition59personswereemployedbytheTechnicalUniversityDarmstadt(allnumbersrefertopersons).

Bet

rieb

shau

shal

t

Industrie | industry

Verbände| associations

Bund/Länder|federal andstategovernments

EU| EuropeanUnion

Sonstige | miscellaneous

Int.Programme| internalprograms

Anschubfinanzierung|start-upfunding

Inst.Förderung| institutionalfunding

2009 2010 2011 2012 2013 20140 Mio.

2 Mio.

4 Mio.

6 Mio.

8 Mio.

10 Mio.

12 Mio.

14 Mio.

16 Mio.

18 Mio.

20 Mio.

22 Mio.

24 Mio.

26 Mio.

28 Mio.

30 Mio.

F I N A N Z I E R U N G S M I X B E T R I E B S H A U S H A L T

F I N A N C I N G M I X O F O P E R A T I O N A L B U D G E T

Status:25.02.2015


Forschung mit System!

Mehrals500Mitarbeiter,ExpertenundFachkräfteunter-

schiedlicherDisziplinen,bringenamFraunhoferLBFund

denassoziiertenFachgebietenMakromolekulareChemie

sowieSystemzuverlässigkeitundMaschinenakustikander

TUDarmstadtgemeinschaftlichihrKnow-howindieinter-

disziplinäreProjektarbeitundunsereFuE-Dienstleistungenein.

ImMittelpunktstehtdasBestreben,hervorragendeErgebnisse

mitgrößtmöglichemNutzenfürKundenundProjektpartner

zuerzielen.AlseinesdertraditionsreichstenInstituteder

Fraunhofer-GesellschaftkanndasFraunhoferLBFauffastacht

JahrzehnteKooperationserfahrungsetzen,mitOEMundmit

Zulieferunternehmen,mitUnternehmenderGroßindustrieund

KMU,mitPartnernausderWirtschaftundausderWissenchaft.

NichtzuletzthieraufbegründetsichdasguteSystem-und

WertschöpfungsverständnisderLBF-Wissenschaftler.

HierfürerbringtdasTeamdesFraunhoferLBFLeistungenent-

langdergesamtenWertschöpfungskette,vomWerkstoffund

dessenVerarbeitungüberdieRealisierungdesfertigenBauteils

unddeskomplexenSystemsbishinzurQualifizierungimHin-

blickaufSicherheitundZuverlässigkeit.Diesgeschiehtinden

LeistungsfeldernSchwingungstechnik, Leichtbau, Zuverläs-

sigkeit und PolymertechnikundbeinhaltetLösungenvom

ProduktdesignbiszurNachweisführung–maßgeschneidertfür

deneinzelnenKunden.SpeziellimLeistungsfeldPolymertechnik

kanndasInstitutmitderPolymersyntheseundumfassender

Materialcharakterisierungbereitsineinerbesondersfrühen

StufederWertschöpfungunterstützen.

Partner im Entwicklungsprozess

Überseincharakteristisches,weitgespanntesKompetenz-und

LeistungsportfolioerreichtdasFraunhoferLBFeineVielzahl

unterschiedlicherMärkte.DieKundendesInstitutsstammen

vorallemausdemAutomobil-undNutzfahrzeugbausowieaus

derChemischenIndustrie,aberauchausdemMaschinen-und

Anlagenbau,derLuftfahrtundVerteidigung,derSchienen-

verkehrstechnik,demSchiffbau,derEnergietechnik,dem

Bauwesen,derElektronikundElektrotechniksowieweiteren

Branchen.DieWissenschaftlerundTechnikerdesInstituts

verstehensichalsaktiveBegleiterimInnovationsprozessihrer

Kunden,alsImpulsgeberundProzessbeschleuniger.Siewirken

alsverlässlichePartnerbeiderProduktentwicklungmit,analy-

sierenkomplexeProblemstellungen,erarbeiten,bewertenund

realisierenmaßgeschneiderteLösungenfürsicherheitsrelevante

maschinenbaulicheSysteme,schwingungsanfälligeLeichtbau-

strukturenundkomplexeelektromechanischeSysteme.Sie

unterstützenstrukturierteProduktentstehungsprozesse,unter

anderemnachdem„V-Modell“.

NebenderBewertungundoptimiertenAuslegungpassiver

mechanischerStrukturenwerdenauchaktive,mechatronisch-

adaptronischeSystemlösungenerarbeitetundprototypisch

umgesetzt.BegleitendentwickeltdasFraunhoferLBF

dieentsprechendennumerischensowieexperimentellen

EntwicklungsmethodenundPrüftechnikenvorausschauend

weiter.DasInstitutschlägtdamiteinestarkeBrückezwischen

WissenschaftundindustriellerAnwendung–regional,national

und international.

DieoperativeArbeitwirddabeidurchkontinuierlicheAnalysen

zurKundenzufriedenheitderkritischenPrüfungunterzogen.

DasManagementsystemdesFraunhoferLBFistnachDINISO

EN9001:2000zertifiziert,dasPrüflabornachdenAnforderun-

genderDINISO-IEC17025akkreditiert.AufdieserBasiserfreut

sichdasInstituteineraußerordentlichhohenKundentreue,über

Jahrzehntehinweg.Diesezuhaltenundweiterauszubauen,ist

ZielunsererArbeit.

Zukunft gestalten!

InengerZusammenarbeitmitdenassoziiertenFachgebietenan

derTUDarmstadtgreiftdasFraunhoferLBFzukunftsorientierte

ForschungsthemenaufundentwickeltsieimVerbundmit

seinenKundengezieltzuProdukt-undProzessinnovationen

weiter.EsentstehenLösungen,durchdieneueTrends

mitgeprägtwerden.DabeinutztdasInstitutseinestarken

Kernkompetenzensystematischundbereichsübergreifend:

DienumerischeundexperimentelleBetriebsfestigkeit,

P R O F I L


dieSystemzuverlässigkeit,dieAdaptronikunddieKunststoff-

technikwurdeninsbesondereimletztenJahrzehntmithoher

InnovationskraftundgroßerDynamiksowohlinderTiefeals

auchinderBreiteausgebaut.DasInstitutfasstseinenZukunfts-

planineinregelmäßigaktualisiertesStrategiedokumentund

lässtdiesesdurchexterneGutachterüberprüfenundbewerten.

Was uns verbindet

Dievertrauensvolle,nachhaltigerfolgreicheZusammenarbeit,

imTeamdesFraunhoferLBFundderFraunhofer-Gesellschaft

ebensowiemitKundenundPartnern,betrachtenwirals

höchstesGut.DafürsetzensichdieFührungskräfteunddie

MitarbeiterdesFraunhoferLBFmitgroßempersönlichem

Engagementein.DieGrundlagebildenLeistungsbereitschaft,

Integrität,Mut,TransparenzundVerbindlichkeit.Überein

gemeinsamesQualitätsverständnisimTeam,gepaartmit

Offenheit,ToleranzundgegenseitigerWertschätzung,bringt

dasFraunhoferLBFimmerwiederinnovativeForschungs-

ergebnisseundmarktfähigeLösungenhervor.

Regional, national und international.

P R O F I L E

Systematic Research!

Morethan550expertsfromdifferentspecialistfieldsputtheir

collectiveexpertiseintointerdisciplinaryprojectworkandR&D

servicesattheFraunhoferLBFandtheassociateddisciplinesof

MacromolecularChemistryandSystemReliabilityandMachine

AcousticsattheTUDarmstadt.Thefocusisonstrivingtoachie-

veexcellentresultswithmaximumbenefitforcustomersand

projectpartners.Asoneofthemosttradition-steepedinstitutes

oftheFraunhofer-Gesellschaft,theFraunhoferLBFcanrelyon

nearlyeightdecadesofexperienceincooperatingwithOEMs

andsubcontractors,withlargeindustrialcompaniessuchas

SMEs,withpartnersfromindustry,commerceandfromscience.

TheLBFscientistshaveanexcellentunderstandingofsystems

andvaluecreationwhichisbasednotleastonthisexperience.

Forthis,theInstitute’steamprovidesservicesalongtheentire

valuecreationchain,extendingfromthematerialanditspro-

cessing,implementationofthefinishedcomponentorcomplex

systemtoqualificationinrespectofsafetyandreliability.Thisis

carriedoutintheperformancefieldsofVibration Technology,

Lightweight Construction, Reliability and Polymer Tech-

nologyandincludessolutionsrangingfromproductdesignto

verification–customizedforeachindividualclient.Particularly

intheperformancefieldofpolymertechnology,theInstitute

canassistataveryearlystageofvaluecreationwithpolymer

synthesisandin-depthmaterialcharacterization.

Partner in the development process

TheFraunhoferLBFreachesalargenumberofdifferentmarkets

viaitscharacteristicallywide-rangingportfolioofskillsandservi-

ces.TheInstitute’scustomerscomemainlyfromautomotiveand

commercialvehicleconstruction,fromthechemicalindustrybut

alsofromMachineandPlantEngineering,aviationanddefense,

railwaytransportengineering,shipbuilding,powerengineering

andmanyothers.Thescientistsandengineersseethemselves

asactiveparticipantswhoguidetheircustomers’innovation

process,ascatalystsandprocessaccelerators.

Fraunhofer-Transferzentrum Adaptronik

LOEWE-Zentrum AdRIA

Institutsgebäude Bereich Kunststoffe (Schlossgartenstraße)

Zentrum für Systemzuverlässigkeit / Elektromobilität ZSZ-e

Theyactasreliablepartnersinproductdevelopment,

analyzecomplexproblems,develop,evaluateandimplement

customizedsolutions,especiallyforsafety-relatedmechanical

engineeringsystems,vibration-pronelightweightstructuresand

complexelectromechanicalsystems.Theysupportstructured

productdevelopmentprocesses,amongotherthingsaccording

tothe“Vmodel”.

Inadditiontotheevaluationandoptimizeddesignofpassive

mechanicalstructures,theyalsodevelopmechatronic-adaptronic

systemsolutionsandimplementprototypes.Atthesametime,

theFraunhoferLBFproactivelyrefinesappropriatenumerical

andexperimentaldevelopmentmethodsandtestingtechniques.

Asaresult,theInstituteformsastronglinkbetweenscience

andindustrialapplication–regionally,nationallyandglobally.

Atthesametime,theInstitute’soperationalworkisunder

criticalexaminationduetoongoinganalysesofcustomer

satisfaction.TheFraunhoferLBF’smanagementsystemis

certifiedinaccordancewithDINISOEN9001:2000,thetesting

laboratoryisaccreditedinaccordancewiththerequirements

ofDINISO-IEC17025.Basedonthis,theInstituteenjoysan

extraordinarylevelofcustomerloyaltywhichextendsover

decades.Theaimofourworkistomaintainanddevelopthis

evenfurther.

Shaping the future!

InclosecooperationwiththeassociateddisciplinesattheTU

Darmstadt,FraunhoferLBFpicksupfuture-orientedresearch

topicsandspecificallydevelopsthemintoproductandprocess

innovationsinassociationwithitscustomers.Thisleadsto

solutionswhichinturninfluencenewtrends.TheInstituteuses

itsstrongcorecompetenciessystematicallyandinterdepartmen-

tallyinthisprocess.Inthelastdecadeinparticular,numerical

andexperimentalStructuralDurability,adaptronics,System

Reliabilityandplasticstechnologyhavebeengreatlyexpanded

intermsofbothdepthandbreadthemployingahighlevelof

innovativestrengthandexceptionaldynamism.TheInstitute

draftsitsfutureplaninaregularlyupdatedstrategydocument

andithasthisdocumentexaminedandassessedbyexternal

experts.

What unites us

Weconsidertrusting,successfullong-termcooperation,within

theFraunhoferLBF’steamandtheFraunhofer-Gesellschaft,as

wellaswithcustomersandpartners,tobeourmostvaluable

asset.ThemanagersandstaffoftheFraunhoferLBFputagreat

dealofpersonaldedicationintothis.Itisbasedoncommitment,

integrity,courage,transparencyandresponsibility.Bywayof

acommonunderstandingofqualityintheteam,coupledwith

openness,toleranceandmutualrespect,theFraunhoferLBF

constantlyproducesinnovativeresearchresultsandmarketable

solutions.

Spezifi kation und Kaskadierung

Anforderungs-defi nition

Gesamtfahrzeug

Spezifi kationenfür Systeme

Konzept undEntwurf

Baugruppe

Gestaltung undAusführung

Komponenten

Down cascading

Target setting /benchmarking

Test und Integration

Labortest undFahrerprobung

Gesamtfahrzeug

Validation / Freigabe

LabortestsBaugruppen

Kompatibilität / Zuverlässigkeit

bauteil-gebundene

Eigenschaften

Charakterisierung

Konformität / Verifi kation

Systemintegra-tion

und Labortest

System- undBaugruppen-

analyse

num. AnalysenKomponenten

num. AnalyseSystem

num. AnalyseGesamtfahrzeug


Mit Sicherheit innovativ – Mit Leidenschaft am Markt.

Kontakt

Strategisches ManagementDr. phil. nat. U. EulTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

„MitSicherheitinnovativ,mitLeidenschaftamMarkt“istund

bleibtdasFraunhoferLBFfürSie,unsereKundenundPartner.

DabeigiltunserEngagementvorallemIhremErfolg.Diessoll

auchdervorliegendeJahresberichtzumAusdruckbringen.

SiefindendarineinegroßeSpannweiteneuerProjektbeispiele,

wieetwaUntersuchungenzuBatteriesystemundNutzerver-

haltenvonElektrofahrzeugenoderzuemissionsreduzierten

Kunststoffcompounds.EsbegegnenIhnenaberauchviele

weiterentwickelteLösungsangebotezubereitsinfrüheren

BerichtenvorgestelltenThemenwieetwasmarteSensornetz-

werkezurÜberwachunggroßerBauwerkeoderGradienten-

klebstoffefürdenbetriebsfestenLeichtbau.Dieszeigt:Wir

bleibendran!

MitarbeiterauszehnLBFForschungsabteilungenundden

assoziiertenFachgebietenanderTUDarmstadtgreifenmarkt-

relevanteForschungsthemenauf,erarbeitenanwendungs-

spezifischeGrundlagen,entwickelndieThemenininternen

oderdurchöffentlicheAuftraggebergefördertenForschungs-

projektensystematischbiszurAnwendungsreifeweiterund

begleitenihrePartnerschließlichbeiderÜberführungindie

konkreteindustrielleAnwendung.HierfürsetzenWissen-

schaftler,IngenieureundTechnikerihrganzesKnow-how

undihreErfahrungein.

WirhabendenAnspruch,inunserenKernkompetenzen

Betriebsfestigkeit, Systemzuverlässigkeit, Adaptronik

und Kunststoffenführendzusein.Wirentwickelndiesesys-

tematischweiter,umaktuellstewissenschaftlicheErkenntnis-

se,AnwendungserfahrungunddiesichereBeherrschungauch

komplexerMethodenindieLösungIhrerAufgabenstellungen

einfließenzulassen.Wirfreuenunsdarüber,dassIhreAnfor-

derungenanunsdabeizunehmendkomplexerwerden.Dem

stelltsichdasInstitutmitSystemkompetenzundinterdiszip-

linärer,abteilungsübergreifenderZusammenarbeit,innerhalb

desFraunhoferLBFebensowieinpartnerschaftlicherKoope-

rationmitexternenExperten.

DiezentralenLeistungsfelderdesFraunhoferLBFsind

Schwingungstechnik, Leichtbau, Zuverlässigkeit und

Polymertechnik.ImvorliegendenBerichtpräsentierenwir

IhnenzujedemdieserLeistungsfelderausgewählteProjektbei-

spielevordemHintergrundjeweilsganzkonkreterFragestel-

lungenundForschungsaufträge.EinigeunsererKundensowie

einigeMitarbeiterhabenProjekteausihrerjeweiligenSicht

kommentiert.Auchdiesmögeillustrieren,wiewirarbeiten

undwasSievonunserwartendürfen.BittescheuenauchSie

sichnicht,unsIhrFeedbackzugeben!

AufderBasisdesspezifischenundzugleichweitgespannten

Kompetenz-undLeistungsportfoliosistdasFraunhoferLBFin

derLage,fortschrittlicheFuE-LösungenfüreineVielzahlvon

BranchenundMarktsegmentenzuliefern.Wirbündelndiese

SegmenteinvierGeschäftsfelder: Automotive, Transport,

Maschinen- und Anlagenbau sowie Energie, Umwelt

und Gesundheit.ErfahrendeProjektleitermitentsprechen-

demMarktverständnisundAnwendungswissenerarbeitenim

DialogmitIhnenmaßgeschneiderteLösungsangeboteund

schnürenmitgroßemEngagementganzheitlicheLeistungspa-

keteindividuellfürSie.

Wirfreuenunsdarauf,SieauchinZukunftinIhremInnova-

tionsprozessundbeimTechnologietransferunterstützenzu

dürfen.FordernSieunsweiterhin-inbilateralenEinzelprojek-

ten,inVerbundprojekten,inEU-Projektenoderininternatio-

nalenKooperationen.

Darmstadt,imMärz2015

Dr.UrsulaEul

AbteilungsleiterinStrategischesManagement


TheFraunhoferLBFisandwillremain“certainlyinnovati-

ve,passionatelyinthemarket”foryou,ourcustomersand

partners.Ourcommitmentisdedicatedtoyoursuccess.This

annualreportalsoaimstoconveytheseprinciples.

Youwillfindahugerangeofnewprojectexamplesinthis

report,suchasstudiesonbatterysystemsanduserbehavior

ofelectricvehiclesoremission-reducingplasticcompounds.

Youwillalsocomeacrossmanyadvancedsolutionstotopics

introducedinearlierreports,suchassmartsensornetworks

formonitoringlargestructuresorgradientadhesivesfor

structurallydurableLightweightConstruction.Thisshowsthat

we’restayingoncourse!

EmployeesfromtenLBFresearchdepartmentsandassocia-

teddisciplinesattheTUDarmstadtpickupmarket-relevant

researchtopics,workoutapplication-specificprinciples,

systematicallydevelopthetopicsinresearchprojectsin-house

orfundedbypublic-sectorcustomersuntilreadyforcommer-

cialapplication,andultimatelysupporttheirpartnersduring

thetransfertoconcreteindustrialuse.Scientists,engineers

andtechniciansemployalltheirexpertiseandexperienceto

achievethis.

Weaimtobeleadersinourcore competencies of

Structural Durability, Smart Structures, System Reliabi-

lity and Plastics,andwearedevelopingtheseskillssystema-

ticallyinordertoincorporatethelatestscientificfindingsand

reliablemasteryofevencomplexmethodsinthesolutionto

yourproblems.Wearedelightedthatwhatyourequireofus

isalsobecomingincreasinglycomplexintheprocess.The

Institutemeetsthesechallengeswithsystemscompetence

andinterdisciplinary,interdepartmentalcooperationboth

withintheFraunhoferLBFaswellasincollaborativecoopera-

tionwithexternalexperts.

The key service areasoftheFraunhoferLBFareVibration

Technology, Lightweight Construction, Reliability and

Polymer Technology.Inthisreport,wepresentselected

projectexamplesforeachoftheseperformancefieldsinlight

ofveryspecificquestionsandresearchassignmentsineach

case.Someofourcustomersandsomeemployeeshaveeach

commentedonprojectsfromtheirpointofview.This,too,

mayillustratehowweworkandwhatyoucanexpectfrom

us.Pleasedonothesitatetogiveusyourfeedback!

Basedonthespecific,yetwide-rangingportfolioofexpertise

andservices,theFraunhoferLBFisabletodeliverprogressive

R&Dsolutionsforalargenumberofindustriesandmarket

segments.Wegroupthesesegmentsintofourbusiness

areas: Automotive, Transport, Machine and Plant

Engineering plus Energy, Environment and Health.Expe-

riencedprojectmanagerswiththeappropriatemarketunder-

standingandapplicationknowledgeintheseareasdevelop

customizedsolutionsinconsultationwithyou.Theyarethen

committedtoputtingtogetherintegratedservicepackages

withyourspecificrequirementsinmind.

Welookforwardtoassistingyouwithyourinnovationprocess

andtechnologytransferinthefuture.Continuetochallenge

us–inindividualbilateralprojects,incollaborativeprojects,in

EUprojectsorininternationalcooperation.

Darmstadt,March2015

Dr.UrsulaEul

HeadofStrategicManagement


Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau

Prof.Dr.-Ing.A.Büter

Baugruppen und SystemeDipl.-Ing.M.Wallmichrath

Aktoren und SensorenDipl.-Ing.M.Matthias

Strukturdynamik und SchwingungstechnikDr.-Ing.S.Herold

Zuverlässige Signalverarbeitung und Strukturüberwachung

Dr.-Ing.D.Mayer

Rezepturentwicklung und DauerhaftigkeitDr.rer.nat.R.Pfaendner


Dr.-Ing.Ch.elDsoki

SCHWINGUNGS-TECHNIKVIBRATION

TECHNOLOGY

L E I S T U N G E N | S E R V I C E S


SchwingungenundLärmtreteninvielenAnwendungen

häufigalsunerwünschteBegleiterscheinungenauf.Hierbeein-

trächtigensieBetriebssicherheit,Funktionalität,Genauigkeit

undProduktivitätvonProzessenundSystemen.Insbesondere

Leichtbaustrukturensindhiervonbetroffen.Außerdemwirken

SchwingungenundLärmaufdenMenscheneinundkönnen

dabeizuKomforteinbußenundgesundheitlichenBeein-

trächtigungenführen.Damitkommtschwingungstechnisch

optimiertenProdukteneinezunehmendhoheBedeutungzu.

AufgrunddermeisthohenKomplexitätbeischwingungs-

technischenFragestellungenarbeitenForscheramFraunhofer

LBFaneffizientenMethodenfürdieEntwicklungoptimierter

Systeme.HierbeiwerdendiverseFragestellungenbeginnend

mitdernumerischenund/oderexperimentellenAnalyseder

Problemstellung,überdieAnpassungderMaterialeigenschaften

vonKunststoffen,dieCharakterisierungvonKomponentenund

Baugruppen,dieBildungvonSystemmodellenbishinzurUm-

setzungundSystemintegrationbetrachtet.Dieabschließende

BewertungderSystemeimLaboroderimFeldtestsichertFunk-

tionalitätundZuverlässigkeitab.Nebenklassischenpassiven

AnsätzenwerdenamFraunhoferLBFauchaktiveMaßnahmen

zurVerbesserungderSystemdynamikeingesetzt.Damitsind

wirinderLage,selbstbeischwierigenFragestellungenentlang

desProduktentstehungsprozessesganzheitlichundzielgerichtet

zuunterstützen.UnsereKundenprofitierenaußerdemvonder

hervorragendenexperimentellenundnumerischenAusstattung

unseres Instituts.

DasbesonderePotenzialfürdieRealisierungschwingungs-

technischoptimierterSystemeergibtsichmitderBündelung

sichergänzenderKompetenzen.Durcheineganzheitliche

Betrachtung–idealerweisebereitswährendderEntwicklung

–könnenwirLösungenfürProduktemitmaßgeschneiderten

dynamischenEigenschaftenanbieten.ImVordergrundstehen

häufigdieSicherstellungvonFunktionundEffizienzunter

definiertenRandbedingungen(mehr dazu ab Seite 37).

Vibrationsandnoiseoccurinmanyapplicationsoftenas

undesirableside-effects.Inthiscase,theycompromisethe

operationalsafety,functionality,accuracyandproductivityof

processesandsystems.Thisparticularlyaffectslightweight

structures.Inaddition,vibrationsandnoisehaveaneffecton

peopleandcanleadtosacrificesintermsofcomfortandeven

healthproblems.Asaresult,vibration-optimizedproductsare

becomingincreasinglyimportant.

Duetotheusuallyhighlevelofcomplexityinvibrationcontrol

problems,researchersattheFraunhoferLBFareworkingon

efficientmethodsforthedevelopmentofoptimizedsystems.

Severalissuesareconsidered,startingwithnumericaland/or

experimentalanalysisoftheproblem,adaptationofthe

materialpropertiesofplastics,characterizationofcomponents

andassemblies,creationofsystemmodelsandextendingto

implementationandsystemintegration.Finalevaluationofthe

systemsinthelaboratoryorinfieldtestsensuresfunctionality

andreliability.Inadditiontotraditionalpassiveapproaches,

theFraunhoferLBFalsoemploysactivemeasurestoimprove

systemdynamics.Asaresultweareabletoprovideintegrated

andtargetedsupportevenfordifficultissuesduringthe

productdevelopmentprocess.Ourcustomersalsobenefit

fromtheexcellentexperimentalandnumericalamenitiesof

our institute.

Thespecialpotentialforimplementingvibration-optimized

systemsistheresultofpoolingmanydifferent,complemen-

taryskills.Usinganintegratedapproach–ideallyduringthe

developmentphase–wecanoffersolutionsforproductswith

customizeddynamicproperties.Thefocushereisfrequently

onensuringfunctionandefficiencyunderdefinedboundary

conditions(More on page 37).

SchwingungstechnikmitSystem.Systematic Vibration Technology.



Baugruppen und SystemeDipl.-Ing.M.Wallmichrath

Strukturdynamik und SchwingungstechnikDr.-Ing.S.Herold

Kunststoffverarbeitung und BauteilauslegungDr.-Ing.J.Wieser

LEICHTBAULIGHTWEIGHT

DESIGN



Ressourcenproduktivitätund–effizienzsindzentraleElemente

einerNachhaltigkeitsstrategiefürProdukte,vonderHerstellung,

überdieNutzungbiszurEntsorgung.ImBetriebistdasGewicht

oftvonentscheidenderBedeutung.DieFahrwiderständeeines

Kraftfahrzeugsetwa,unddamitderKraftstoffverbrauch,sind

unmittelbarvonseinerMasseabhängig.Leichtbauwirdzum

konkretenEntwicklungsziel.

DieGestaltungeffizienterLösungenumfasstvieleAspekte:

Werkstoffentwicklungund-verarbeitung,Auslegung,Konst-

ruktion,Fertigungs-undFügetechnologie,Bewertungs-und

Nachweisverfahren,dieauchunterdemAspektderWirtschaft-

lichkeitüberzeugenmüssen.DieLösungsolcherAufgaben

erfordertumfassendesKnowhowundsystemischesVerständnis.

DieKenntnisrelevanterBelastungszuständeund-häufigkeiten

istVoraussetzungfürdieOptimierungeinerKonstruktion:LBF

WissenschaftlerermittelnhierfürLastdatenmitrechnerischen

undmesstechnischenMethoden.

MitderBewertungvonWerkstoff-undFertigungseigenschaften

erfolgtdernächsteSchritt:StahlundEisenguss,NE-Metalle

sowieSinterwerkstoffe,aberauchPolymer-undfaserverstärkte

Composite-MaterialienwerdenindenakkreditiertenLaboren

desFraunhoferLBFumfassendgeprüft.StatistischeMethoden

undmodernstezerstörungsfreiePrüfverfahren–u.a.Computer-

tomographie–machendieErgebnissesicherundexakt.

MitsystemischemBlickaufdenLeichtbauentstehenProdukte,

diesoleichtwiemöglichsindundfürdievorgesehene

NutzungsdauerihreFunktionsicherundzuverlässigerfüllen.

OderBauteilemitintegriertenSensoren,AktorenundFunkti-

onselementen,dieWartungs-undServicebedarfmeldenoder

sogaraktivindasStrukturverhalteneingreifen.

Festigkeit,HaltbarkeitundSchwingungsverhaltendefinieren

RandbedingungenundAnwendungsgrenzenfürvieleLeicht-

baulösungen:DasFraunhoferLBFunterstütztbeikonzeptionel-

lenFragestellungen,inderEntwicklungsowieabschließendbei

Test und Validation (mehr dazu ab S. 51).

Resourceproductivityandresourceefficiencyarekeyelements

ofasustainabilitystrategyforproductsalongthepathfrom

manufacturingtouseanddisposal.Weightisoftencrucial,

particularlyfortheoperatingphase.Forexample,major

drivingresistancesofamotorvehicle,andthereforethe

fuelconsumption,dependdirectlyonitsmass.Lightweight

Constructionisbecomingaconcretedevelopmentgoal.

Thedesignofefficientlightweightsolutionsincludesmiscella-

neousaspects:thedevelopmentandprocessingofmaterials,

designandconstructiontechnologies,manufacturingand

joiningtechnologies,assessmentandverificationmethods

whichalsohavetobeeconomicalsolutions.Theimplementati-

onofreliablelightweightsolutionsrequiresextensiveexpertise

andsystemicunderstanding.Knowledgeofrelevantloading

conditionsandfrequenciesisessentialfordesignoptimization:

LBFscientistsdeterminethisloaddatausingcomputational

andmeasurementmethods.

Thenextstepisthecharacterizationandevaluationofmate-

rialsandmanufacturingproperties:Steelandcastiron,non-

ferrousmetalsandsinteredmaterials,butaboveallpolymer

andfiber-reinforcedcompositematerialsarethoroughlyinves-

tigatedinLBFaccreditedlaboratories.Statisticalmethodsand

state-of-the-artnon-destructivetestprocedures–including

CT–makeourresultsreliableandaccurate.Asystematicview

ofLightweightConstructionhelpstorealizeproductsthatare

aslightaspossibleandfulfilltheirfunctionsafelyandreliably

fortheproduct’sintendedservicelife.Orcomponentsthat

integratesensors,actuatorsandfunctionalelementswhich

reportmaintenanceandserviceneeds,oractivelyintervenein

thestructuralbehavior.

Strength,durabilityandvibrationbehavioraredifficult

boundaryconditionsformanylightweightsolutionsand

defineapplicationlimits:LBFhelpscustomerswithconceptual

issues,withdevelopmentandsubsequentlywithtestingand

validation.(More on page 51).

LeichtbaumitSystem.Systematic Lightweight Construction.

Betriebsfester und funktionsintegrierter LeichtbauProf.Dr.-Ing.A.Büter

Werkstoffe und BauteileDipl.-Ing.H.Kaufmann

Aktoren und SensorenDipl.-Ing.M.Matthias

Zuverlässige Signalverarbeitung und Strukturüberwachung

Dr.-Ing.D.Mayer



Dr.-Ing.Ch.elDsoki

ZUVER LÄSSIGKEITRELIABILITY



DieZuverlässigkeittechnischerProdukteundSystemeistnicht

direktmessbar.Esistnichtmöglich,denAusfalleinesBauteils

odereinesSystemsvollständigauszuschließen.Nichtzuletzt

dankderArbeitenundForschungsergebnissedesFraunhofer

LBFsindheutevieletechnischeProduktedennochausgereift,

robustundwartungsarm.

GeradeinderAutomobil-,Schienenfahrzeug-undLuftfahrt-

industriewerdenvieleStrukturenbetriebsfestausgelegt,

d.h.SchädeninnerhalbtypischerNutzungsperiodenwerden

weitgehendausgeschlossen–vielfachohnezwischenzeitliche

Inspektionenund/oderWartungsumfänge.Seitmehrals75

JahrenarbeitetdasFraunhoferLBFkontinuierlichdaran,Unsi-

cherheitenintechnischenProduktenbeherrschbarzumachen.

UmfassendesVerständnisfürimBetriebwirksameLasten

undUmwelteinflüsse,Werkstoff-undfertigungstechnische

EigenschaftensowieGestaltungundKonstruktionsindhierfür

notwendig:dieWissenschaftlerdesLBFstellendazuMethoden

sowieKompetenzenzurVerfügung,geradeauchfürneue

Materialien(u.a.Composite-Werkstoffeund-Strukturen),mo-

dernsteFüge-oderFertigungsprozesse(u.a.machineableADI),

Strukturkomponenten(u.a.aktiveSystemezurLastminderung)

oderkompletteSysteme(u.a.FahrzeugrohkarosserieoderBat-

teriesystemefürEV).AußerdembeschäftigtsichdasLBFmitder

Lastdatenerfassungund-analysesowiemitkosteneffizienten

Monitoringverfahren,umdieimBetriebwirksameBelastung

undBeanspruchungmesstechnischzuerfassen.

MitderIntegrationelektromechanischerKomponentensteigen

KomplexitätundAnzahlmöglicherAusfallursachen.Die

ZuverlässigkeitsolcherSystemeerforderteinmultiphysikalisches

LebensdauermanagementsowieentsprechendeTestverfahren.

DasFraunhoferLBFarbeitetanMethoden,dieZuverlässigkeit

undFunktionssicherheitbereitsimAuslegungsprozesszu

berücksichtigen,Fehler-undAusfallmechanismenzuverstehen,

zubewertenundkostengünstigeAnsätzefürLast-undHealth-

Monitoringumzusetzen(mehr dazu ab S. 63).

TheReliabilityoftechnicalproductsandsystemsisanattribute

thatisnotdirectlymeasurable.Itisnotpossibletocompletely

ruleoutthefailureofanycomponentorsystem.However

-becauseoftheFraunhoferLBFworkandresearchresults-

manytechnicalproductsarenowhighlydeveloped,robustand

low-maintenance.Today,manystructures,particularlyinthe

automotive,railwayandaviationindustries,aredesignedtobe

structurallydurable,i.e.damagewithintypicalusageperiods

hasbeenverylargelyexcluded–oftenwithoutinteriminspec-

tionsand/ormaintenancework.Ourteamhasbeenworking

continuouslyformorethan75yearsonbecomingbetterand

betteratmanaginguncertaintiesintechnicalproducts.

Itisnecessarytohaveextensiveunderstandingoftheloads

andenvironmentalinfluenceseffectiveduringoperation,the

materialsandmanufacturingproperties,andthedesignand

construction.ThescientistsattheFraunhoferLBFworkonpre-

ciselytheseissuesinmanydepartmentsandprovidemethods

andskills,particularlyfornewmaterials(e.g.engineering

plastics,compositematerialsandstructures),advancedjoining

ormanufacturingprocesses(e.g.threadformingormachina-

bleADI),structuralcomponents(e.g.elastomericbearingsand

activesystemsforloadreduction)orcompletesystems(e.g.

body-in-whiteorbatterysystemsforpowersupplies).Wealso

dealin-depthwiththeacquisitionandanalysisofloaddata,as

wellascost-effectivemonitoringmethodsformeasuringand

recordingthestressandstraineffectiveduringoperation.

Thecomplexityandnumberofpossiblecausesoffailure

increasesaselectronic,softwareandcontrolcomponentsare

integrated.Thereliabilityofsuchsystemsrequiresmulti-phy-

sicallifecyclemanagementandappropriatetestprocedures.

FraunhoferLBFisworkingonmethodsfortakingintoaccount

reliabilityandfunctionalsafetyatthedesignprocessstage,for

understandingandevaluatingfaultandfailuremechanisms,

orforimplementinglow-costapproachestoloadand‘health’

monitoring.(More on page 63).

ZuverlässigkeitmitSystem.Systematic Reliability.



Kunststoffverarbeitung und BauteilauslegungDr.-Ing.J.Wieser

PolymersyntheseProf.Dr.rer.nat.M.Döring


POLYMER TECHNIKPOLYMER

TECHNOLOGY



PolymertechnikmitSystem.Systematic polymer technology.

MaßgeschneiderteKunststoffe,KunststoffverbundeundKunst-

stoffverarbeitungstechnologiensindwesentlicheElemente,um

denglobalenHerausforderungenderZukunftwieMobilität,

Kommunikation,Gesundheit,Ernährung,Klimaschutzund

Sicherheitzubegegnen.Leistungsfähigeundzuverlässige

KunststoffeübernehmendabeiSchlüsselfunktionenbeider

Ressourcen-undEnergieeffizienz.DurchLeichtbauwerden

AutosundFlugzeugedankKunststoffsparsamer.MitKunststoff

gedämmteHäuserbenötigenwenigerEnergieundhelfenda-

mit,denAusstoßvonTreibhausgasenzuverringern.Kunststoffe

sindnachhaltig,könnennachihremerstenLebenhochwertig

rezykliertoderausnachwachsendenRohstoffenhergestellt

werden.Kunststoffewerdendarüberhinausmitzusätzlichen

Funktionenausgestattet,wieelektrischeundthermische

Leitfähigkeiten,Sensorik,FlammschutzoderLichtstabilität.

DasFraunhoferLBFbegleitetinderPolymertechnikdiegesamte

EntwicklungskettevonderchemischenSynthese,derFormu-

lierungsentwicklung,derVerarbeitungundPrüfungüberdie

SimulationbiszurPrüfungundFreigabedesEndteils.

DasFraunhoferLBFbietetineinmaligerWeiseeinNetzwerkder

KompetenzeninderPolymertechnik.Kunststoffemitoptimier-

temEigenschaftsprofilwerdensynthetisiertoderbestehende

ProduktegemäßAnforderungenmodifiziert.Leistungsfähige

AdditivesindderSchlüsselzuInnovationenundGarantenfür

dendauerhaftenEinsatzvonKunststoffen,z.B.inAußenan-

wendungen.ChemischeMaterialanalytikundphysikalische

WerkstoffcharakterisierungsindessentielleGebietevoneiner

praxisnahenRezepturempfehlung,fürStruktur/Eigenschafts-

beziehungenundbishinzurSchadensanalytik.Verarbeitung

durchCompoundierungundSpritzgusssowieMaterialmodelle

undeffizienteMethodenzurMaterialdatenermittlungund

BauteilprüfungstehenzurVerfügung.

WirhelfenIhneninIhremgesamtenEntwicklungsprozesszu

konkurrenzfähigenBauteil-undSystemlösungenvomKonzept

biszurValidierung(mehr dazu ab Seite 81).

Customizedplastics,compositeplasticsandplasticsprocessing

technologiesareimportantelementsformeetingtheglobal

challengesofthefuture,suchasmobility,communication,

health,nutrition,climateprotectionandsecurity.Thisiswhere

efficientandreliableplasticsassumekeyfunctionsinresource

andenergyefficiency.Carsandplaneswillbecomemoreeco-

nomicalthankstoLightweightConstruction.Housesinsulated

withplasticswillrequirelessenergyandwillthereforehelpto

reducetheemissionofgreenhousegases.Plasticsaresustaina-

ble,theycanberecycledtoahighdegreeaftertheirfirstlife

cycleorcanbemanufacturedfromrenewablerawmaterials.

Inadditiontothis,plasticsareequippedwithadditionalfunc-

tionssuchasappropriateelectricalandthermalconductivities,

sensortechnology,flameproofingorlightstability.

Inpolymertechnology,theFraunhoferLBFprovidessupport

fortheentiredevelopmentchainfromchemicalsynthesis,for-

mulationdevelopmentwithappropriateadditives,processing

andtestingofplasticstosimulation,finishedpartstestingand

approval.

TheFraunhoferLBFoffersauniquenetworkofexpertisein

polymertechnology.Plasticswithanoptimizedfeaturesprofile

aresynthesizedorexistingproductsaremodifiedaccording

torequirements.High-performanceadditivesarethekeyto

innovationsandaguaranteeforthelong-termuseofplastics,

e.g.inoutdoorapplications.Chemicalmaterialanalysis

andphysicalmaterialcharacterizationareessentialareasof

practicalrecommendationfortheformulation,forstructure-

propertyrelationshipsthroughtofailureanalysis.Processing

bycompoundingandinjectionmoldingaswellasmaterial

modelsandefficientmethodsfordeterminingmaterialdata

andcomponenttestingareallavailable.

Wewillhelpyouthroughoutyourentiredevelopmentprocess

tofindcompetitivecomponentandsystemsolutionsfrom

designconcepttovalidation (More on page 81).


DieReduktionvonLärm-undEmissions-

belastungenaufMenschundUmwelt,

dieErhöhungderEnergieeffizienzund

SteigerungderWettbewerbsfähigkeit

durchKostensenkungüberdengesamten

LebenszyklussindimSchienenverkehr,in

derLuftfahrtundimSchiffbauunverkenn-

bareTrends.DarausleitensichFuE-Her-

ausforderungenwiez.B.dieEntwicklung

energieeffizienterAntriebe,Energierück-

gewinnungsstrategien,funktionsinteg-

rierteundSystem-Leichtbaukonzepteab.

DasLBFunterstütztbeispielsweisedurch

VerfahrenderVersuchszeitverkürzung,

angepasstePrüfverfahren,neueMateriali-

en,mechatronischeSystemlösungenund

MethodenderZuverlässigkeitsbewertung.

AUTOMOTIVE – Pkw, Nfz und

Sonderfahrzeuge

AUTOMOTIVE – Cars, commercial

vehicles and special vehicles

UnserEngagementfürIhrenErfolg.Our commitment for your success.

TRANSPORT – Luft- und Raumfahrt,

Schiffbau, schienengebundene

Fahrzeuge

TRANSPORT – Aviation and aero-

space, shipbuilding, rail vehicles

MitganzheitlichenFuE-Angeboten

unterstütztdasFraunhoferLBFden

ProduktentwicklungsprozessbeiOEMund

Zulieferern.Diesgiltfürkonventionellund

fürelektrischangetriebeneFahrzeuge.

VonderFahrbetriebsanalyseundAblei-

tungrelevanterAnforderungenfürWerk-

stoffe,fürdieAuslegungvonBauteilen

undSystemen,überdieOptimierungund

prototypischeUmsetzungmechanischer,

elektromechanischerundsignalverarbei-

tungstechnischerKomponentenbishin

zuSystemintegration,Inbetriebnahme

undBewertung.DenErfordernissen

einernachhaltigenMobilitätträgtdas

FraunhoferLBFnunmehrauchmit

speziellerPrüftechnikimZentrumfür

Systemzuverlässigkeit/Elektromobilität

ZSZ-eRechnung.

TheFraunhoferLBFsupportstheproduct

developmentprocessamongOEMsand

supplierswitharangeofintegratedR&D

services.Theyapplytobothconventional

andelectricallydrivenvehicles.From

theanalysisofdrivingconditionsand

derivationofrelevantrequirementsforthe

designofcomponentsandsystems,opti-

mizationandprototypicalimplementation

ofmechanical,electromechanicaland

signalprocessingtechnologycomponents

tosystemintegration,commissioning

andevaluation.TheFraunhoferLBFnow

takesaccountoftherequirementsfor

sustainablemobilitywithitsspecialtesting

technologyattheCenterforSystem

Reliability / Electric Mobility ZSZ-e.

Reductionofnoiseandemissionloadson

peopleandtheenvironment,advances

inenergyefficiencyandincreasing

competitivenessduetocostreductions

throughouttheentirelifecycleare

unmistakabletrendsinrailtransport,

aviationandshipbuilding.Thisresultsin

R&Dchallengessuchasthedevelopment

ofenergy-efficientdrives,energyrecovery

strategies,functionallyintegratedand

lightweightsystemdesignconcepts.

TheLBFprovidessupport,forexample,

withproceduresforreducingtesttimes,

adaptedtestprocedures,newmaterials,

mechatronicsystemsolutionsand

methodsofreliabilityassessment.


G E S C H Ä F T S F E L D E R | B U S I N E S S A R E A S

MASCHINEN- UND ANLAGENBAU

MACHINE AND

PLANT ENGINEERING

G E S C H Ä F T S F E L D E R | B U S I N E S S A R E A S

DasLBFunterstütztUnternehmen

derBranchenEnergie,Umweltund

GesundheitbeiderEntwicklungleichter,

schwingungsarmer,leiserundzuverlässi-

gerProdukteaufMaterial-,Bauteil-und

Beanspruchungsebene.Beispielesind:Be-

wertung,OptimierungundÜberwachung

vonKraftwerkskomponentenhinsichtlich

ihresschwingungstechnischenVerhaltens

undihrerZuverlässigkeit,Überwachung

vonStrukturenundSystemenu.a.durch

energieautarkeSensornetzwerke,Verbes-

serungdesvibroakustischenVerhaltens

dezentralerEnergieversorgungseinrich-

tungen,dieerhöhteakustischeAnfor-

derungendefinieren,Optimierungder

ZuverlässigkeittechnischerKomponenten

beimTransportzumEinsatzort.

ENERGIE, UMWELT UND GESUNDHEIT

ENERGY, ENVIRONMENT AND

HEALTH

DieMaschinentechnikhatinderEnergie-

erzeugung,Fluidtechnik,Robotik,

Automation,Landtechnik,Präzisions-

technikundvielenweiterenSegmenten

desMaschinen-undAnlagenbaus

besondereBedeutung.Aufgabenfürdie

FuEsindz.B.VerbesserungvonPräzision,

Energieeffizienz,Leichtbaueigenschaften

undEinsatzdynamiksowiedieReduktion

vonAusfall-undWartungszeiten.Das

FraunhoferLBFbietetLösungenauf

Komponenten-undSystemebene

wiedieOptimierungdesSchwingungs-

verhaltens,aktorischeBaugruppenfür

Automatisierungsaufgaben,Technologien

zurZustandsüberwachungauchim

KontextIndustrie4.0sowieangepasste

KunststoffeundKonstruktionsprinzipien.

TheLBFsupportscompaniesinthe

Energy,EnvironmentandHealthsectors

duringthedevelopmentoflighter,low-

vibration,quietandreliableproductsat

thematerial,componentandstresslevels.

Examplesofthisare:evaluation,optimi-

zationandmonitoringofpowerplant

componentswithregardtotheirvibration

behaviorandtheirReliability,monitoring

ofstructuresandsystems,amongother

thingsbymeansofself-sufficientsensor

networks,improvingthevibroacoustic

behaviorofdistributedenergysupply

systems,definingtheincreasedacoustic

requirements,optimizingtheReliabilityof

technicalcomponentsduringtransportto

thejobsite.

Mechanicalengineeringisofparticular

importanceinpowergeneration,fluid

technology,robotics,automation,agricul-

turalengineering,precisionengineering

andmanyothersegmentsofMachine

andPlantEngineering.ExamplesofR&D

tasksareimprovementofprecision,

energyefficiency,lightweightproperties

andapplicationdynamicsaswellasthe

reductionofdowntimesandmaintenance

times.TheFraunhoferLBFofferssolutions

atcomponentandsystemlevel,suchas

optimizationofthevibrationalbehavior,

actuatorassembliesforautomationtasks,

technologiesforstatusmonitoringalso

withinthecontextofIndustry4.0,and

adaptedplasticsanddesignprinciples.

BEREICH BETRIEBSFESTIGKEIT

DieBetriebsfestigkeitistheuteinvielenBranchenetabliert,

speziellaberindenenderVerkehrstechnik–alsoimStraßen-

undSchienenfahrzeugbau,inderBinnen-undSeeschifffahrt

sowieinderLuftfahrt.DieAufgabeninderBetriebsfestigkeit

beschreibensicheinheitlichalsdieBewertungundÜber-

wachungvonSchädigungsmerkmalenund-größen,diebei

bestimmungsgemäßerNutzunginkeinemFalljenseitsder

SchwelleeinessicherenundzuverlässigenBetriebsseindürfen.

HierfürwerdeninvielfältigerWeisenumerischeMethoden,

messtechnischeVerfahrensowieFunktions-undLebensdauer-

prüfungenmitKomponenten,Baugruppensowievollständigen

Systemendurchgeführt.AufgrunddeutlicherVorteilehinsicht-

lichZeit,KostenundReproduzierbarkeitderErgebnissewerden

experimentelleTestsundPrüfungenhäufigimRahmenvon

Laborerprobungsumfängenabgebildet;dieswarundisteiner

derSchwerpunktedesFraunhoferLBF.IndenJahrenseit2009

wurdenimHinblickaufmöglichstwirklichkeitsnahePrüfungen

eineganzeReihevonkomplexenmultiaxialenSystemprüf-

ständenbeschafftbzw.ineigenerLeistungentwickeltundauf-

gebaut.BeispielehierfürsindderMTS-Vollfahrzeugprüfstand,

dermiteigenenFahrzeugfesselungskonzeptenergänztwurde

sowiedieimInstituterweitertenNfz-ZWARPPrüfeinrichtungen

oderderRad-StraßensimulatormitParallelkinematik(Hexapod).

FürdenForschungsbereichBetriebsfestigkeitstehenheute

leistungsfähigeundvollständigenumerische,messtechnische

sowieexperimentelleMethodenundVerfahrenzurVerfügung,

dieinForschungs-undIndustrieprojektenerfolgreicheingesetzt

undmarktgerechtweiterentwickeltwerden.

ProfilierungundKompetenzerweiterunginderBetriebs-

festigkeitwerdendurchdiebeidenAbteilungenindiesem

Forschungsbereichgewährleistet,diemitgroßerNähezu

industriellenPartnernforschenundentwickeln.

Werkstoffe und Bauteile (Dr.-Ing. Heinz Kaufmann)

Schwerpunkte:

•Beanspruchbarkeitsanalysevonzyklischbelasteten

metallischenundkeramischenWerkstoffenundBauteilen.

•NumerischeMethoden-undProzessentwicklungsowie

ValidationdurchRückführungexperimentellerErgebnisse.

•VersuchstechnischeErmittlungvonEinflüssenaus

Konstruktion,Fertigung,Oberflächennachbehand-

lungenundBelastungaufdieSchwing-undWälz-

festigkeitsowiederenFEM-gestützteBewertung.

•AngepasstePrüftechnikmithochfrequentenvariablen

Amplitudenund/oderkleinenLastensowiefürver-

schiedeneUmgebungsmedienwiez.B.Kraftstoffe,

WasserstoffoderkorrosivewässrigeLösungen.

Baugruppen und Systeme (Dipl.-Ing. Marc Wallmichrath)

Schwerpunkte:

•BetriebsfesteAuslegungundabschließende

FreigabeversucheauseinerHandunterNutzung

numerischerwieexperimentellerWerkzeuge.

•KundenspezifischeBearbeitungvonFragestellungenaus

jedergewünschtenEbenedesEntwicklungsprozesses.

•GanzheitlicheSystemsimulationund-optimierung

mitHilfenumerischerVerfahren.

•BetriebslastennachfahrversuchefürdiefinaleProdukt-

absicherungundstandardisierteNachweisversuche.

Kontakt

Dipl.-Ing. R. HeimBereichsleiter BetriebsfestigkeitTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

„ Die Betriebsfestigkeit ist ein ‚hidden champion‘ für die Realisierung kosteneffizienter Leichtbaukonstruktionen, und das LBF ist stolz auf sei-und das LBF ist stolz auf sei-ne führende Rolle in dieser Wissenschaftsdisziplin.“

Dipl.-Ing.R.Heim


F O R S C H U N G S B E R E I C H E | R E S E A R C H D I V I S I O N S

STRUCTURAL DURABILITY DIVISION

StructuralDurabilityiswellestablishedtodayinmanybranches

ofindustry,especiallyintraffictechnology:instreetandrolling

stockconstruction,inlandwaterwayandmaritimenavigation

andinaviation.StructuralDurabilitytasksareuniformly

describedastheassessmentandmonitoringofdamage

characteristicsandparametersthat,withproperusage,may

notgobeyondthethresholdofsafeandreliableoperation.

Numericalmethods,measurementproceduresandfunctionas

wellasfatiguelifetestsarecarriedoutinanumberofways

withcomponents,assembliesandcompletesystems.Because

ofconsiderableadvantagesregardingtime,costandreprodu-

cibilityoftheresults,experimentaltestsandassessmentsoften

takeplacewithininthescopeoflaboratorytests.Thiswasand

isoneofthefocalareasofFraunhoferLBF.Since2009awhole

seriesofcomplexmultiaxialsystemteststandshavebeeneither

procuredordevelopedandsetupbytheinstituteitselfinorder

tocarryoutteststhatareasrealisticaspossible.Examples

aretheMTSfullvehicleteststandthatwassupplemented

withitsownvehicletyingconceptsaswellastheNfz-ZWARP

teststandorwheel-roadsimulatorwithparallelkinematics

(hexapod).Today,high-performanceandcompletenumerical

measurementandexperimentalmethodsandprocessesare

availablefortheresearchareaofStructuralDurabilitythatare

successfullyappliedinresearchandindustryprojectsandare

furtherdevelopedtomeetmarketdemands.

TheestablishmentofaprofileinStructuralDurabilityand

theexpandingofitscompetenciesareguaranteedbyboth

departmentsinthisresearcharea.Theydoresearchandcreate

developmentsinclosecooperationwithindustrialpartners.

Materials and Components (Dr.-Ing. Heinz Kaufmann)

Focal Points:

•Strengthanalysisofmetallicandceramicmaterials

andcomponentsundercyclicalloading.

•Numericalmethodsandprocessdevelopmentaswell

asvalidationbyfollowinguponexperimentalresults.

•Experimentaldeterminationofinfluencesfromconstruction,

manufacture,surfacetreatmentandloadingonthecyclical

androllingcontactfatigueandFEM-supportedanalysis.

•Adaptedtestingtechnologywithhighfrequencyandvariable

amplitudesand/orsmallloadsfordifferentenvironmental

mediasuchasfuels,hydrogenorcorrosiveliquidsolutions.

Assemblies and Systems (Dipl.-Ing. Marc Wallmichrath)

Focal Points:

•Structurallydurabledesignandfinalclearancetestsfrom

onesourceusingnumericalandexperimentaltools.

•Customer-specificworkonissuesateverydesired

levelofthedevelopmentprocess.

•Comprehensivesimulationofthesystemand

optimizationwiththeaidofnumericalprocedures.

•Operatingloadfollow-uptestsforfinalproduct

validationandstandardizedverificationtests.

“Structural Durability is a hidden champion for the implementation of cost-efficient lightweight structures and the LBF is proud of its leading role in this scientific discipline.“

Dipl.-Ing.R.Heim

BEREICH ADAPTRONIKDerBereichAdaptronikfokussiertaufFragestellungenderÜberwachungundEigenschaftsverbesserungvonmechanischenProdukten.DabeistehendieVerbesserungdesschwingungstechnischenVerhaltensunddesLeichtbaus,dieSteigerungderZuverlässigkeitsowiediesystem-bisbauteiltechnischeIntegrationsensorischerundaktorischerFunktionenimVordergrund.DasTeamentwirft,bewertetundverbessertzusammenmitseinenAuftraggebernmechanischeProdukte.HierfürkommenfortgeschritteneMethodenderStrukturanalyse,StrukturdynamikundSignalverarbeitungzumEinsatz,diedieKompetenzendesFaserverbundleichtbaussowieneuartigerAktorenundSensorenmiteinbeziehen.EsentsteheninnovativeProduktlösungenmiterheblichenVor-teilenbeischwingungstechnischenEigenschaften,Leichtbau,Performanz,KomfortundWartungsaufwand.EineumfassendeEntwurfskettebestehendausexperimentel-lerStrukturanalyse,numerischenVerfahrenfürAuslegungundSimulation,FertigungvonprototypischenFunktionsmusternsowieMethodenundWerkzeugezurAbsicherungvonFunktionundZuverlässigkeitimLaborundimFeldversuchstehtzurVerfügung.NebendenneuartigenmechatronischenundadaptronischenStrukturmaßnahmenwerdenselbstver-ständlichauchfortschrittlichepassiveStrukturmaßnahmenberücksichtigt.DievierForschungsabteilungenergänzenundverknüpfensichfürdieEntwicklungkomplexeradaptronischerStruktursystemeoptimal.

Strukturdynamik und Schwingungstechnik

(Dr.-Ing. Sven Herold) Schwerpunkte: •SchwingungstechnischeAnalyse,AuslegungundBewertungvonProduktenundSystemenmitnumerischenundexperimentellenMethoden.

•EntwicklungundAnwendungmodernerMethodenderSchwingungsmesstechnikunddernumerischenSystem-simulation.

•VibroakustischeOptimierungstrukturdynamischerSystememitpassivenundaktivenMaßnahmen.


(Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter) Schwerpunkte: •CharakterisierungneuerLeichtbaumaterialien.•BewertungundOptimierungderBetriebsfestigkeitvonLeichtbaustrukturen,auchunterUmweltbelastung.

•AuslegungundprototypischeFertigungkonventionellerundfunktionsintegrierterKunststoffbauteile.

•EntwicklungundBewertungangepassterSHM-Systeme.•EntwicklungangepassterBerechnungs-undPrüfverfahren.

Zuverlässige Signalverarbeitung und Strukturüber-

wachung (Dr.-Ing. Dirk Mayer) Schwerpunkte: •SystementwicklungmitRapid-Control-PrototypingundHardware-in-the-Loop-Methoden.

•SignalverarbeitungundRegelungstechnikfüraktiveSysteme.•EntwicklungelektronischerundeingebetteterSysteme.•SystemezurautonomenStrukturanalyseundSchadens-detektion.

•EntwicklungenergieautarkerintelligenterSensorsysteme.•AnalyseundBewertungderZuverlässigkeitmechatronischerKomponentenundSysteme.

Aktoren und Sensoren

(Dipl.-Ing. Michael Matthias) Schwerpunkte:: •PlanungundDurchführungvonmesstechnischenUntersuchungenzurErmittlungvonBetriebslastenundBetriebsbeanspruchungen;Messdatenanalyse.

•EntwicklungundUmsetzunganwendungsoptimierterAktorenundAntriebeaufBasissowohlkonventionellerWirkprinzipienalsauchmultifunktionalerMaterialien(unkonventionelleAktoren).

•EntwicklungundIntegrationkundenspezifischangepassterSensoren.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. T. MelzInstitutsleiter (komm.)Bereichsleiter AdaptronikTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

„ Adaptronik-Kompetenzen erweitern den technischen Lösungsraum für strukturmecha-nische Produktentwicklungen deutlich. Es entstehen neuartige Problemlösungen mit bewährten und fortschrittlichsten smarten Strukturansätzen.“

Prof.Dr.-Ing.T.Melz


SMART STRUCTURES DIVISIONTheadaptronicsdivisionfocusesonissuesofmonitoringandimprovingthepropertiesofmechanicalproducts.Inthiscase,thespotlightisonimprovingvibrationcontrolbehaviorandLightweightConstruction,increasingReliabilityandsystem-tocomponentintegrationofsensorandactuatorfunctions.Theteamdesigns,assessesandimprovesmechanicalproductsjointlywithitscustomers.

Forthispurpose,advancedmethodsofstructuralanalysis,structuraldynamicsandsignalprocessingareusedwhichcombinetheskillsrequiredforcompositestructureswithnewtypesofactuatorsandsensors.Theresultisinnovativeproductsolutionswithsignificantadvantagesinrespectofvibrationproperties,LightweightConstruction,performance,comfortandmaintenance.

Thereisacomprehensivedesignchaincomposedofexperi-mentalstructuralanalysis,numericalmethodsfordesignandsimulation,productionofprototypeevaluationmodels,methodsandtoolsforsafeguardingfunctionandReliabilityinthelaboratoryandinfieldtrials.Ofcourse,inadditiontothenovelmechatronicandadaptronicstructuralmeasures,considerationisalsogiventoadvancedpassivestructuralmeasures.Thefourresearchdepartmentscomplementeachotherandlinkuptodevelopcomplexadaptronicstructuralsystems.

Structural Dynamics and Vibration Technology

(Dr.-Ing. Sven Herold) focusing on: •Vibrationanalysis,designandevaluationofproductsandsystemsusingnumericalandexperimentalmethods.

•Developmentandapplicationofmodernmethodsofvibrationmeasurementandnumericalsystemsimulation.

•Vibro-acousticoptimizationofstructuraldynamicsystemsusingpassiveandactivemeasures.

Structurally durable and function-integrated Lightweight Construction (Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter) focusing on: •CharacterizationofnewLightweightConstructionmaterials.•AssessmentandoptimizationoftheStructuralDurabilityoflightweightstructures,includingunderenvironmentalload.

•Designandprototypeproductionofconventionalandfunction-integratedplasticcomponents.

•DevelopmentandassessmentofadaptedSHMsystems.•Developmentofadaptedcalculationandtestprocedures.

Reliable signal processing and structural health

monitoring (Dr.-Ing. Dirk Mayer) focusing on: •Systemdevelopmentwithrapidcontrolprototypingandhardware-in-the-loopmethods.

•Signalprocessingandcontroltechnologyforactivesystems.•Developmentofelectronicandembeddedsystems.•Systemsforautonomousstructuralanalysisanddamagedetection.

•Developmentofenergyself-sufficientintelligentsensorsystems.•AnalysisandassessmentoftheReliabilityofmechatroniccompo-nentsandsystems.

Actuators and sensors (Dipl.-Ing. Michael Matthias)

focusing on: •Planningandperformanceofmetrologicalinvestigationstodetermineoperatingloadsandoperatingstresses;measureddataanalysis.

•Developmentandimplementationofapplication-optimizeddrivesandactuatorsbasedonbothconventionalmodesofactionaswellasmultifunctionalmaterials(unconventionalactuators).

•Developmentandintegrationofcustom-matchedsensors.

“Adaptronics skills significantly extend the range of technical solutions for product develop-ments in structural mechanics. Using proven and advanced smart structure approaches gives rise to new solutions.“

Prof.Dr.-Ing.T.Melz


BEREICH KUNSTSTOFFESpitzenproduktekönnenheutenurübereinenzuverlässigenundschnellenZugangzuinnovativenundleistungsfähigenMaterialienundWerkstoffenwettbewerbsfähigaufdenWelt-märktenangebotenwerden.MaßgeschneiderteKunststoffeundKunststoff-VerbundesowieKunststoffverarbeitungstech-nologientragenwesentlichdazubei,diegroßenglobalenHerausforderungenaufdenGebietenMobilität,Energie,Um-welt,Kommunikation,Gesundheit,ErnährungundSicherheitzumeistern.KunststoffebieteneinimmensesEnergie-undRessourceneinsparpotenzialsowievielfältigeLeichtbauoptionen.Insbesonderefaserverstärkt,partikelgefüllt,geschäumtoderinSandwich-Strukturenintegriert,könnenKunststoffehöchstenBelastungenStandhaltenunderheblicheMengenanEnergieabsorbieren.SiekönnenmitzusätzlichenFunktionalitätenetwazumSchutzvorUV-StrahlungundWitterungseinflüssensowieimInteressereduziertenBrandverhaltens,zurEntwicklungspezielleroptischerEigenschaften,elektrischerundthermischerLeitfähigkeit,sensorischerundaktuatorischerFunktionversehenwerden.

AllezurRealisierunganspruchsvollerKunststoff-AnwendungenrelevantenKompetenzen,beginnendbeidengrundlegendennaturwissenschaftlichenDisziplinenwieChemieundPhysiküberdieMaterialwissenschaftundWerkstofftechnikinderVerarbeitungbishinzurExpertiseinPrüfungundModellierung,sindaufhohemNiveauuntereinemDachvereint.

DafürstehenviersichfachlichundmethodischuntereinanderergänzendeFachabteilungen.

Polymersynthese (Prof. Dr. rer. nat. Manfred Döring)

Schwerpunkte: •EntwicklungchemischerSynthesenfürMonomere,Polymere,Additive,reaktiveModifier.

•TechnischeSyntheseoptimierungundUpscaling.•EntwicklungundScreeningvonduromerenKunststoffen.

Rezepturentwicklung und Dauerhaftigkeit

(Dr. rer. nat. Rudolf Pfaendner)

Schwerpunkte: •EntwicklungvonAdditivenzurgezieltenBeeinflussungvonKunststoffenz.B.hinsichtlichMaterialsicherheit,Zuverlässig-keit,Versagenscharakteristik,Ressourceneffizienz.

•GezielteEinstellungvonGrenzflächeneigenschaften.•MaterialanalytikundCharakterisierung.•KinetikreaktiverProzesse.

Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung

(Dr.-Ing. Jürgen Wieser)

Schwerpunkte: •Compoundierung,VerarbeitungdesWerkstoffszumBauteil,VorhersagedermechanischenEigenschaften.

•Kunststoffverarbeitung:Spritzgießen,FolienherstellungundFügeverfahren.

•Materialmodellierung:MaterialverhaltenunterhohenBeanspruchungsgeschwindigkeitenundbeimehrachsigenBeanspruchungen,insbes.beitechnischenThermoplasten,Hochleistungskunststoffen,SchäumenundComposites.

Forschungsgroßgeräte (Dr.-Ing. Christian Beinert)

Schwerpunkte: •PflegeundproblemorientierteBereitstellungderForschungsgeräte.

•SpezifischeWeiterentwicklungen(z.B.NMR-Spektroskopie,REM,TEM,TechnikumsgerätefürCompoundierung,Spritz-guss,HighThroughputScreeningoderzurFolienextrusion).

„Das Potential von Kunststoffen ist bei Weitem noch nicht aus-geschöpft. Wir können dieses Potential im LBF zusammen mit unseren Kunden verwirklichen.“unseren Kunden verwirklichen.“

Dr.rer.nat.R.Pfaendner

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. M. RehahnStv. InstitutsleiterBereichsleiter KunststoffeTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Kontakt

Dr. rer. nat. R. PfaendnerBereichsleiter Kunststoffe (ab 01.01.2015)Telefon: +49 6151 705 - [email protected]


PLASTICS DIVISIONOnlycutting-edgeproductswithareliableandrapidaccesstoinnovativeandhigh-performancematerialscanbeofferedontheworldmarkettoday.Tailoredplastics,plasticcompositesandplasticprocessingtechnologiesplayacentralroleinmeetingglobaldemandsintheareasofmobility,energy,envi-ronment,communication,health,nutritionandsafety.PlasticsenabletremendoussavingsinresourcesandenergyaswellasawidevarietyofoptionsinLightweightConstruction.Particularlywhentheyarefiber-reinforced,particle-filled,foamedorintegratedintosandwichstructures,plasticscanwithstandthehighestdegreeofloadingandabsorbagreatdealofenergy.Theycanbesupplementedwithanadditionalrangeoffunc-tionssuchasprotectionfromUVraysoratmosphericinfluence,reducedfirebehavior,functionsforthedevelopmentofspecialopticalproperties,electricandthermalconductivityandwithsensorandactuatorfunctions.

Allcomponentsrelevantfortherealizationofsophisticatedplas-ticapplications,runningthegamutfrombasicnatural-sciencedisciplinessuchaschemistryandphysics,materialsciencesandmaterialtechnologyinprocessingtoexpertiseintestingandmodelingareallunitedatahighlevelunderoneroof.

Thefollowingfourdepartmentsarecomplementaryintheirdisciplinesandmethods:

Polymer Synthesis (Prof. Dr. rer. nat. Manfred Döring)

Focal Points: •Developmentofchemicalsynthesisformonomers,polymers,additives,reactivemodifiers.

•Technicalsynthesisoptimizationandupscaling.•Developmentandscreeningofduromereplastics.

Formulation Development and Durability

(Dr. rer. nat. Rudolf Pfaendner)

Focal Points: •Developmentofadditivesforatargetedinfluenceofplasticse.g.withregardtomaterialsafety,Reliability,failurecharacteristics,resourceefficiency.

•Specificsettingofboundarysurfacecharacteristics.•Materialanalyticsandcharacterization.•Kineticsofreactiveprocesses.

Plastics Testing and Component Design

(Dr.-Ing. Jürgen Wieser) Focal Points: •Compounding,processingofthematerialtothecomponent,predictionofmechanicalproperties.

•Plasticsprocessing:injectionmolding,manufactureoffilmsandbondingmethods.

•Materialmolding:materialbehaviorunderhighstressratesandwithmultiaxialloading,especiallywithtechnicalthermoplasts,high-performanceplastics,foamsandcomposites.

Large-Scale Research Systems (Dr.-Ing. Christian Beinert)

Focal Points: •Maintenanceandproblem-orientedprovisionforresearchsystems

•Specificfurtherdevelopments(e.g.NMRspectroscopy,REM,TEM,technicumappliancesforcompounding,injectionmolding,highthroughputscreeningorfilmextrusion).

“ The potential of plastics is far from exhausted as yet. We can realize this potential in the LBF together with our customers.“

Dr.rer.nat.R.Pfaendner


32 FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 201432 FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 2014

PROJEKTBEREICH SYSTEM ZUVERLÄSSIGKEIT

DieZuverlässigkeitkomplexermechatronischersowieaktiverSys-

temewirdamFraunhoferLBFseitvielenJahrengezielterforscht.

HierfürwerdenanalytischesowieexperimentelleVerfahren,aber

auchnumerischeSimulationsmethodenzurBewertungvon

SensitivitätundRobustheitangewendet.Imneuen„Zentrumfür

Systemzuverlässigkeit/Elektromobilität–ZSZe“stehenFor-

schungs-undEntwicklungsaktivitätenfürTraktionskomponenten

vonElektrostraßenfahrzeugenimFokus.DankfinanziellerUnter-

stützungdesLandesHessen,desBundesministeriumsfürBildung

undForschungundderFraunhofer-GesellschaftstehendemLBF

undseinenKooperationspartnernausIndustrieundForschung

einexzellentesFuE-UmfeldinderElektromobilitätzurVerfügung.

ImZSZ-ewurdeeinehochmodernePrüf-undTestumgebungfür

Batteriesystemeaufgebaut,diemultiphysikalischeErprobungs-

bedingungenerlaubt–alsomechanische,elektrischeundther-

mischeLastenfürdieBatterieprüfungzusammenführt.Auf

weiterenLaborflächenwerdenspezielleAntriebsstrangprüf-

stände–u.a.fürGanzfahrzeugesowieelektrischeRadnaben-

motoren–betrieben.MitaktuellsiebeneigenenForschungs-

fahrzeugenwerdenrelevanteNutzungs-undLastszenarienvon

Elektroautosuntersucht.DieSicherheitundZuverlässigkeitvon

ElektrofahrzeugensindfürdieKundenakzeptanzvongroßer

BedeutungundgleichwertigzuReichweite,KomfortundPreis.

MitdemneuenZentrumfürSystemzuverlässigkeitleistetdasLBF

Kontakt Dipl.-Ing. R. HeimTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

„ Die Elektromobilität ist eine Chance für die nachhaltigkeits-orientierte Gesellschaft und für unsere Automobilwirtschaft: des-halb betrachten wir alle Aspekte dieses Ökosystems und nicht al-lein die Traktionskomponenten.“

Dipl.-Ing.R.Heim

einenwichtigenBeitrag,dieMarktfähigkeitsolcherFahrzeugezu

fördernunddamitdieZielehinsichtlichLeitmarktundLeitanbie-

terschaftzuerreichen.

Zentrum für Systemzuverlässigkeit / Elektromobilität -

ZSZ-e, Schwerpunkte:

Future Mobility

• GEV/one

Mitdemneuengenerator-elektrischenKonzeptfahrzeugdes

LBFwirddieElektrotraktioneinStückweitunabhängiger

vonBatterieundLadeinfrastruktur:andersalsbeibekannten

Range-ExtenderKonzeptensindhierdieKomponentenzur

Energieerzeugungund-speicherungaufdiegrößtmögliche

Energieeffizienzabgestimmtundgewährleisteneinenelektri-

schenAntriebohneReichweitenprobleme.

Future Projects

• Well2Wheel

SeitMai2013wirdimNetzgebietderHSEanderIntegration

vonElektromobilitätunddemVerteilnetzgeforscht.DasFraun-

hoferLBFbehandeltdabeiwichtigeFragestellungenhinsichtlich

vonLadeinfrastrukturundfahrzeugseitigerLadeschnittstelle.

• Well2Battery2Wheel

IndiesemProjektstehtdieBatterieimMittelpunkt:Forscherder

Justus-Liebig-UniversitätinGießen,desFraunhoferIWESaus

KasselunddesLBFarbeitenhiergemeinsamanderBetrach-

tungvonHV-SpeichernalsdemKernelementdesÖkosystems

Elektromobilitätfürsmart-gridAnwendungen.

• Kritikalität Seltener Erden

KompakteundleistungsstarkeelektrischeSynchronmaschinen

fürElektrofahrzeugesetzenHochleistungsmagnetevoraus:die

ReduktionvonschwerenSeltenenErdenbeidiesenMaterialien

wirdausKosten-undPerformancegründenangestrebt.In

einemProjektderFraunhofer-Gesellschaftbeschäftigensichdie

ForscherdesLBFmitderoptimiertenAuslegungelektrischer

TraktionsantriebeundderdannmöglichenVerringerungder

Dysprosium-DotierungvonNeodym-Magneten.

P R O J E K T B E R E I C H | P R O J E C T A R E A

“Electromobility is an opportunity for the sustainability-oriented society and for our automotive industry: we therefore consider all aspects of this “ecosystem” and not just the electrified traction components.“

Dipl.-Ing.R.Heim

SYSTEM RELIABILITY PROJECT AREA

TheReliabilityofcomplexmechatronicandactivesystemshas

beenundertargetedinvestigationattheFraunhoferLBFfor

manyyears:todothis,analyticalandexperimentalmethods,

butalsonumericalsimulationmethods,areappliedtoassess

sensitivitiesandrobustness.

Inthenew“CenterforSystemReliability/Electromobility-ZSZe”,

thefocusisonresearchanddevelopmentactivitiesfortraction

componentsofelectricroadvehicles.Thankstothefinancialsup-

portprovidedbythestateofHesse,theGermanFederalMinistry

ofEducationandResearchandtheFraunhofer-Gesellschaft,the

LBFanditscooperationpartnersfromindustryandresearchhave

anexcellentR&Denvironmentinelectricmobilityattheirdisposal.

Astate-of-the-arttestingandtestenvironmentforbattery

systemshasbeensetupintheZSZ-e.Itenablesmulti-physical

testingconditions–i.e.itbringstogethermechanical,electrical

andthermalloadsforbatterytesting.Specialpowertraintest

rigs–forwholevehiclesandelectricwheelhubmotors–are

operatedinotherpartsofthelaboratory.Sevenofthecenter’s

ownresearchvehiclesareusedtostudyrelevantuseandload

scenariosofelectricvehicles.

ThesafetyandReliabilityofelectricvehiclesareveryimportant

forcustomeracceptanceandareonaparwithrange,comfort

andprice.WiththenewCenterforSystemReliability,theLBF

ismakingasignificantcontributiontopromotingthemarket

viabilityofsuchvehiclesandthereforetoachievingGermany’s

goalsofbecomingtheleadingmarketandleadingsupplier.

Center for System Reliability / Electromobility – ZSZ-e:

Future Mobility

• GEV/one

WiththeLBF’snewgenerator-electricconceptvehicle,electric

tractionwillbecomealittlebitmoreindependentofthebattery

andcharginginfrastructure:unlikeknownrangeextender

concepts,herethecomponentsforpowergenerationand

energystoragearetunedformaximumenergyefficiencyand

guaranteeanelectricdrivethathasnorangeproblems.

Future Projects

• Well2Wheel

SinceMay2013,researchhasbeenconductedinthenetwork

areaoftheHSEintotheintegrationofelectricmobilityand

thedistributionsystem.TheFraunhoferLBFisdealingwith

importantissuesrelatingtothecharginginfrastructureandthe

vehicle-mountedchargerinterface.

• Well2Battery2Wheel

Thefocusinthisprojectisonthebattery:researchersatthe

Justus-LiebigUniversityinGiessen,theFraunhoferIWESin

KasselandtheLBFareworkingtogetherontheconsideration

ofHVstoragesystemsasthecoreelementoftheecosystem

electricmobilityforsmart-gridapplications.

• Kritikalität Seltener Erden

Compactandpowerfulelectricsynchronousmachinesfor

electricvehiclesrequirehigh-performancemagnets:theaimis

toreduceheavyrareearthsinthesematerialsforcostandper-

formancereasons.InaprojectoftheFraunhofer-Gesellschaft,

theLBFresearchersareengagedintheoptimizeddesignof

electrictractiondrivesandthereductionindysprosium-doping

ofneodymiummagnetswhichisthenpossible.

Strategisches ManagementDr. phil. nat. U. EulTelefon: +49 6151 705 - [email protected]


D A S L B F M A N A G E M E N T T E A M

DieAbteilungsleiterimFraunhoferLBF.Heads of departments.

BEREICH ZENTRALE DIENSTECENTRAL SERVICES

ABTEILUNGEN:

Strategisches ControllingDipl.-Betriebswirt P. BetzholzTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Technisches ManagementDr.-Ing. T. Hering

Telefon: +49 6151 705 - [email protected]

VerwaltungDipl.-Betriebswirt (FH) G. Unland

Telefon: +49 6151 705 - [email protected]

BEREICH BETRIEBSFESTIGKEIT STRUCTURAL DURABILITY DIVISION

Werkstoffe und Bauteile: Dr.-Ing. H. KaufmannTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Baugruppen und Systeme: Dipl.-Ing. M. WallmichrathTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

ABTEILUNGEN:

WissenschaftsmanangementProf. Dr.-Ing. T. Bein Telefon: +49 6151 705 - [email protected]

BEREICH ADAPTRONIKSMART STRUCTURES DIVISION

ABTEILUNGEN:

Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau: Prof. Dr.-Ing. A. Büter Telefon: +49 6151 705 - [email protected]

Strukturdynamik und Schwingungstechnik: Dr.-Ing. S. HeroldTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Aktoren und Sensoren: Dipl.-Ing. M. MatthiasTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Zuverlässige Signalverarbeitung und Strukturüberwachung: Dr.-Ing. D. MayerTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

BEREICH KUNSTSTOFFEPLASTICS DIVISION

ASSOZIIERTE FACHGEBIETEASSOCIATED DEPARTMENTS

ABTEILUNGEN: ABTEILUNGEN:

Forschungsgroßgeräte: Dr.-Ing. Ch. BeinertTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Polymersynthese: Prof. Dr. rer. nat. M. DöringTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Rezepturentwicklung und Dauerhaftigkeit:Dr. rer. nat. R. Pfaendner Telefon: +49 6151 705 - [email protected]

Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung: Dr.-Ing. J. WieserTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

L B F M A N A G E M E N T T E A M


ABTEILUNGEN:

Fachgebiet: Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik: Prof. Dr.-Ing. T. MelzTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Fachgebiet: Makromolekulare Chemie:Prof. Dr. rer. nat. M. RehahnTelefon: +49 6151 705 - [email protected]


SchwingungstechnikmitSystem.SystematicVibrationTechnology.

Aktive Kupplung zur Schwingungsminderung in Schiffsantrieben.

Active coupling for vibration control in ship propulsion systems.

38

Mehr Fahrkomfort für Landmaschinen.

Improved driving comfort for agricultural machines.

40

Schwingungen und Lasten in elektrischen Antriebssträngen.

Vibrations and loads in electric powertrains.

42

Erprobungsfahrzeug für aktive Lärm- und Vibrationsminderung.

Automotive test vehicle for active noise and vibration control.

44

Reduzierung der Lärmausbreitung in Lüftungskanälen.Reduction of noise propagation in ventilation ducts.

46

Aktive Schwingungskontrolle bei Windkraftanlagen.

Active vibration reduction at wind energy plants.

48


Die Reduktion von Emissionen und die Steigerung der

Energieeffizienz sind anhaltende Trends im Schiffsmoto-

renbau. Damit geht allerdings in vielen Fällen ein höherer

Eintrag von Torsionsschwingungen in den Antriebstrang

einher. Die Auslegung dämpfender elastischer Kupplun-

gen wird zunehmend aufwendiger und die technischen

Grenzen passiver Systeme sind absehbar. Hier bieten

aktive Systeme ein hohes Potential für zukünftige An-

wendungen.

ImRahmendesdurchdasBundesministeriumfürWirtschaft

undTechnologiegefördertenProjektsAKTOS„AktiveKontrolle

vonTorsionsschwingungendurchKupplungselemente“wurde

inengerZusammenarbeitmitderFirmaCENTAAntriebe

KirscheyGmbHeineaktiveKupplungfürSchiffsantriebevom

KonzeptbiszuPrototypentwickelt.Mitdergeregeltenaktiven

KupplungkönnenordnungsbasierteAnregungensignifikant

reduziertwerden.DieKupplungbestehtauseinempassiven

ElementzurprimärenDämpfungsowiezumVersatzausgleich

undeinemaktivenTeilzurSchwingungskompensation.Das

aktiveElementbestehtauseinemInertialmassenaktor,der

sichimrotierendenSystembefindet.DerAktorkommtohne

eineKraftabstützungnachaußenaus.DieÜbertragungder

elektrischenLeistungundderSignaleerfolgtamPrototypmit

HilfevonSchleifringen.GeregeltwirddasSystemmitHilfe

einesordnungsbasiertenadaptivenReglers.Aufbauendauf

derUmsetzungdesRegelungskonzeptsmitLaborelektronik

wurdeaucheinekompaktemitrotierendeSteuerungs-und

Leistungselektronikentwickeltunderfolgreichgetestet.

DieaktiveKupplungwurdezunächstaufeinemPrüfstand

erprobt.DerAntriebstrangwurdemiteinemV8Motormit

500kWangetrieben.ZwischenMotorschwungradunddem

GetriebewurdedieaktiveKupplungintegriert.DerPropeller

wurdemitHilfeeineshydraulischenDynamometerssimuliert.

ImkritischenZündaussetzerbetriebkonnteeineReduktion

derSchwingungsamplitudevonbiszu90%indenkritischen

Ordnungenerzieltwerden.

Testfahrt bestätigt Prüfstandsversuche

ImAnschlussandasProjektkonntedieaktiveKupplunginei-

nenAntriebstrangeinerzweimotorigenMotorjachteingebaut

undgetestetwerden.DerumgerüsteteAntriebstrangwirdvon

einemV6441kWDieselmotorangetriebenundistmiteinem

Getriebe-Propeller-SysteminPod-Bauweiseausgestattet.Die

hervorragendenErgebnissedesPrüfstandsversuchskonnten

auchunterrealistischenTestbedingungeninderYacht

bestätigtwerden.ZudemkonntedieakustischeRelevanzder

Contact: Daniel Schlote · Telephone: +49 6151 705 - 405 · [email protected]. Jonathan Millitzer · Telephone: +49 6151 705 - 8218 · [email protected]

Active coupling for vibration control in ship propulsion systems.

AktiveKupplungzurSchwingungs-minderunginSchiffsantrieben.

E N T W I C K L U N G , VA L I D I E R U N G I M P R Ü F S TA N D U N D T E S T FA H RT

D E V E L O P M E N T, VA L I D AT I O N B Y L A B A N D F I E L D T E S T S


geregeltenaktivenKupplungimInnenraumderYachtnach-

gewiesenwerden.SokonnteimgeregeltenFalleinedeutlich

wahrnehmbareReduktiondesBrummensbzw.Dröhnens

derdrittenMotorordnungum-6dBimSchalldruckpegel

verglichenzumungeregeltenFallerreichtwerden.

Customer BenefitsTheactivesystemaimstosimplifythe

designofcouplingsinshippropulsionsystems,increasethe

lifetimeofcomponentsandsavebothcostsandmassbyusing

smallercomponents.Itisalsopossibletoachieveanoticeable

improvementintheship’sacoustics.

SummaryAnactivecouplingforthereductionoftorsional

vibrationsinshippowertrainswasdevelopedintheproject

AKTOS.Thesystemwasexaminedonatestbenchand

subsequentlyinamotoryacht.Useoftheactivesystem

demonstratedareductionintorsionalvibrationsinthedrive

trainandareductionofacousticdisturbanceintheship.

Die aktive Kupplung wird direkt in den Antriebstrang des Schiffs integriert.The active coupling is directly integrated in the ship’s power train / drive train.

Ruhige Fahrt durchs Wasser, dank Fraunhofer LBF Know-how im Schiffsantrieb.Travelling quietly through the water thanks to the Fraunhofer LBF’s Know-How in the ship's propulsion system.

Vergleich der dynamischen Torsionsmomente im Antriebsstrang ohne und mit aktiver Schwingungsreduktion.Comparission of the torsional vibration in the ship's powertrain without and with active vibration control.

Dipl.-Ing. Jochen Exner, Leiter Forschung und Entwicklung, CENTA Antriebe Kirschey GmbH

„Leadingbyinnovation“,einLeitspruch fürCENTA,derdenAnspruchunddiePhilosophiedesHausessehrpräzisewiedergibt,stetseinenSchrittvorauszusein.SchonseitJahrensehenwirinaktivenSystemeneinhohesPotentialDrehschwingungeninAntriebendeutlichzureduzieren.MitdemProjektAKTOSkonntenwirinengerZusammenarbeitmitdemFraunhoferLBFsehrzukunftweisendepraktischeErgebnisseerzielen.“

“Leadingbyinnovation”,amottoforCENTAwhichveryaccuratelyreflectsthecompany’sclaimandphilosophyofalwaysbeingonestepahead.Foryearswehaveseenhugepotentialinactivesystemsforsignificantlyreducingtorsionalvibrationsindrives.WiththeAKTOSproject,wewereable,inclosecooperationwiththeFraunhoferLBF,toachievesomeverytrend-settingpracticalresults.“


Fahrer von Landmaschinen sind aufgrund von Boden-

unebenheiten mechanischen Schwingungen ausgesetzt.

Dies führt langfristig zu gesundheitlichen Schäden. Bisher

wird eine Schwingungsisolation der Fahrersitze durch

passive Dämpfer erreicht, die bauartbedingt nicht in allen

Betriebsbereichen die Schwingungen optimal dämpfen.

Daher soll ein aktives System entwickelt werden, mit

dem der Fahrkomfort weiter verbessert werden kann.

Prototyp-Entwicklung durch Modellbildung und

messtechnische Überprüfung

DieBasisfürdieEntwicklungdesaktivgeregeltenSystems

bildeteinmarktüblicherFahrersitzmitpassivemDämpfer,der

durcheinenAktuatorersetztwird.DaspassiveSystemwirdim

erstenSchrittamRechnermodelliert.Anschließendwirdein

Aktuatorentwickelt,mitdeminjedemBetriebspunkteine

optimaleSchwingungsdämpfungerreichtwerdenkann.Die

GütedieserDämpfungwirddurcheinenSitzübertragungs-

faktorbeschrieben,derumsokleinerist,jebesserdasSystem

Schwingungendämpft.Abbildung1zeigt,dassinAbhängig-

keitvonderFahrermasseeineVerbesserungumdurchschnitt-

lich20%gegenüberdempassivenSystemerzielbarist.

DieErgebnissederModellbildungdienendemProjektpartner

OVALOGmbHzurAuslegungdesAktuators.DieBerechnung

derLeistungenergibt,dasssichderAktuatoralsDirektantrieb

realisierenlässt.EinegelenkigeAnbindungüberträgtdieLeis-

tungdesAktuatorsaufdieScherenkinematik(Abbildung2).

EinRegelalgorithmussorgtdafür,dassdieAktuatorleistung

tatsächlichzurSchwingungsdämpfungführt,indemstetsdie

optimaleDämpfungindieScherenkinematikeingebrachtwird.

DieserAlgorithmuskannausdemmodelliertenaktivenSystem

abgeleitetwerden.

DurchdenEinsatzeinerRapidPrototyping-Plattformkönnendie

ReglerparameterinEchtzeitangepasstwerden.Fürdiemess-

technischeUntersuchungdesSystemswirdderPrototypdurch

einenelektrodynamischenShakerangeregt(Abbildung3),

wobeiverschiedenefürLandmaschinentypischeSchwingungs-

erregungennachgebildetwerden.AnstelleeinesFahrers

wirdeineentsprechendeMasseaufderFahrersitzkinematik

befestigt.ImRahmenderUntersuchungenkannderRegler

inmehrerenSchrittenoptimiertwerden,sodassdieSchwin-

gungsdämpfunggegenüberderStandardeinstellungdeutlich

verbessertwerdenkann.Diesführtunmittelbarzueinem

Contact: M.Sc. Christian Adams · Telephone: +49 6151 705 - 6926 · [email protected]

Improved driving comfort for agricultural machines.

MehrFahrkomfort fürLandmaschinen.

A K T I V G E D Ä M P F T E R F A H R E R S I T Z

A C T I V E LY D A M P E D S E A T


höherenFahrkomfortfürdenFahrereinerLandmaschineund

damitlangfristigzuwenigergesundheitlichenFolgeerschei-

nungenaufgrundvonSchwingungsbeanspruchungen.

Customer Benefits Consideringthemodel-basedstudiesof

SzMOVALOGmbHdevelopedanoptimizedactuatorforthe

activelydampedseat.Furthermodel-basedstudiesareuseful

tosupportthemarketlaunchofthesystem.OVALOGmbH

canintroducetheprototypetocustomers.

SummaryDrivingseatsofagriculturalmachinesareequipped

withpassivedampers.Toimprovedrivingcomfortanactive

controlsystemisdevelopedinacooperationprojectofthe

researchgroupSzMandtheOVALOGmbH.Forsystemdesign

amodel-basedapproachischosen.Measurementsand

optimizationareperformedbyusingrapidprototyping.

Abb. 3: Prototyp des aktiven Systems auf dem Shaker. Fig. 3: Prototype of the active control system mounted at a shaker.

Abb. 2: Aktuator mit gelenkiger Anbindung.Fig. 2: Actuator and jointed connection.

Abb. 1: Verbesserung der Schwingungsdämpfung durch das aktive System.Fig. 1: Improvement of the damping by the active control system.

Dr.-Ing. Steffen Kuhl, OVALO GmbH

„DieOVALOGmbHentwickeltmechatro-nischeSystemefürGroßserienanwendun-gen.AufBasisderSimulationendesSzMkonntenwireinenDirektantriebumsetzen,sodassmitderRapid-PrototypingPlattform„PUMA“vonADCOSderFunk-tionsnachweiserbrachtwerdenkonnte.OVALOGmbHstehtinKontaktmitverschiedenenKunden,umdasKonzeptzurMarktreifeweiterzuentwickeln.“

“OVALOGmbHdevelopsmechatronicsystemsformassproduction.BasedonsimulationsoftheSzMwedevelopedadirect-drive,sothatafunctionaldemons-trator was generated and tested with therapidprototypingunit“PUMA-ECU“fromADCOS.CurrentlyOVALOGmbHisinapre-commercialdevelopmentwithdifferentcustomersforthisproduct.“

Aktuator

Scherenkinematik

gelenkige Anbindung

Masse

Fahrersitzkinematik

Aktuator

Shaker


Elektrische Antriebsstränge unterscheiden sich von kon-

ventionellen Antriebssträngen auf Basis von Verbren-

nungsmotoren nicht nur in der Art der Antriebsmaschine,

sondern typischerweise auch durch kompaktere Getriebe

und generell veränderte Trägheits- und Steifigkeitsverhält-

nisse. Dies führt zu einem veränderten Schwingverhalten

des Antriebsstrangs. Im Gegensatz zu konventionellen

Antriebssträngen, liegen hierzu in der Automobilindustrie

bisher geringere Erfahrungen vor.

Simulation und HiL-Prüfung elektrischer Antriebsstränge

DieErhöhungderReichweitedurchniedrigenEnergiever-

brauchunddieSenkungderFertigungskosten,aberauchdie

RealisierungeinerhohenProduktqualitätfürdieAlltagstaug-

lichkeit,warendieHauptzieledesBMBF-gefördertenProjektes

e-Generation.SiesolltendurcheinenimRahmendesProjektes

entwickeltenFahrzeugprototypendargestelltwerden.

DasFraunhoferLBFhatsichdabeiimWesentlichenaufdie

SimulationunddiePrüfungderelektrischenAntriebssträngefo-

kussiert.DasZielbestanddarin,MethodenundWerkzeugefür

dieSimulationunddieexperimentellePrüfungvonelektrischen

Antriebssträngenzuentwickeln,umdasSchwingverhaltenund

dieresultierendenBetriebslastenzuuntersuchen.

IndererstenPhasedesProjektskonzentriertesichdasFraun-

hoferLBFaufeinfacheKonzeptmodelle,diedenHauptfreiheits-

gradderRotationdesAntriebsstrangsberücksichtigten.Diese

0D-1DdynamischenModelle,dieinSimscapeundLMSAmesim

aufgebautwurden,repräsentierendieTorsionskettevomMotor

zudenRädernunddielongitudinaleFahrzeugdynamik,wobei

diefürdenniedrigenFrequenzbereichwesentlichenElemente,

wiederReifenunddieSeitenwellen,alsflexibleKomponenten

simuliertwerden.

ParallelzurEntwicklungderAntriebssträngewährendder

ProjektlaufzeitwurdedieKomplexitätundderDetaillierungs-

gradderModellierungerhöht,umzusätzlicheEffektemit

aufzunehmen.MitdenaufgebautenMehrkörpersimulations-

modellenderSystemewurdeimfinalenStanddieDynamik

deskomplettenAntriebsstrangsinklusivederBewegungder

AggregatlagerunginallensechsFreiheitsgradensimuliert.

DieentwickeltenModellewurdenzurErmittlungundAnalyse

derSchwingungsphänomeneundderresultierendenLasten

eingesetzt.TypischeManöver,wieTip-in,Tip-outundABS-

Bremsungen,wurdenzudiesemZwecksimuliert.

MiteinemAntriebsstrangprototypenhatdasFraunhoferLBF

eineexperimentelleCharakterisierungamPrüfstanddurchge-

Contact: PhD Riccardo Bartolozzi · Telephone: +49 6151 705 - 8264 · [email protected]

Vibrations and loads in electric powertrains.

SchwingungenundLastenin elektrischenAntriebssträngen.

E - G E N E R AT I O N : S I M U L AT I O N U N D P R Ü F U N G E L E K T R I S C H E R A N T R I E B S S T R Ä N G E

E - G E N E R AT I O N : S I M U L AT I O N A N D T E S T I N G O F E L E C T R I C A L P O W E R T R A I N S

Echtzeit-Simulation Prüfling Prüfstand

Open-loopGeschwindigkeit

Motor-Moment

Rad-MomenteRad-Geschwindigkeiten Rad-Gesc

hwindigk

eiten

Rad-Momente

Closed-loopFahrzeugmodell

Leistungs- elektronik

Leistungs- elektronik

RT-Targetund I/OSchnittstellen

Prüfstand- steuerung

Drehmoment- Sensoren

Abtriebs- maschinen

Antriebsstrang

Summary IfcomparedtotraditionalpowertrainswithICE,

electricpowertrainsshowdifferentdynamicandloading

behaviourofthemechanicaldriveline.Duetothejustrecent

experienceoftheautomotiveindustryinelectricpowertrains,

simulationandprototypetestingareallthemorekeyelements

inthedevelopmentofnewsystems.WithintheBMBF-funded

researchprojecte-Generation,FraunhoferLBFdeveloped

dedicatedsystemsimulationmodelsforelectricpowertrains

withdifferentdetaillevels(from0D /1Dto3Dmultibody

dynamicmodels).Inordertosupportthetestingactivity,real

manoeuvrebasedtestswerecarriedoutbyimplementinga

hardware-in-the-loop(HIL)testingenvironment.

führt.DafürwurdedasSystemmiteinemaufrealenManövern

basierendenPrüfprotokollgetestet.Dabeiwurdenverschiedene

mechanischeundelektrischeMesssignaleaufgenommen.Um

dasrealeVerhaltendesFahrzeugszuberücksichtigen,wurde

eineHardware-in-the-LoopTestumgebungaufgebaut,inder

realedynamischeReaktionenamRadeingeleitetwurden.Dies

erfolgtedurchdiedirekte(open-Loop)Einleitungvonvorhande-

nen,gemessenenRadgeschwindigkeitsprofilenoderdurchdie

EchtzeitsimulationderFahrzeuglongitudinaldynamik(inkl.Räder

undReifen).

Customer BenefitsWithinthee-Generationproject

FraunhoferLBFgainedvaluableexperienceinthefieldof

dynamicmodellingandsimulationononeside,anddynamic

testing,ontheotherside,ofelectricpowertrainswithfocus

onthedynamicbehaviourandthemechanicalloadingof

thedriveline.Rangingfromconceptualandreduced0D/1D

torsionalmodelsofthepowertrain,uptocomplete3D

multibodymodels,allphasesofthedevelopingprocesscanbe

supported.Moreover,alsothetestingandverificationphases

canbeaddressedwitheitheropen-looporhardware-in-the-

looptests,whichallowthesystemtobetestedunderreal

manoeuvreconditions.

MKS-Modell eines elektrischen Antriebsstrangs.Multibody model of an electric powertrain.

Geprüfter Antriebsstrang auf dem Prüfstand. Tested powertrain on the test bench.


„ Das Fraunhofer LBF kann die Entwicklungskette für elek-trische Antriebsstränge von der dynamischen Simulation bis zur HiL-Prüfung darstellen.“

PhDRiccardoBartolozzi,FraunhoferLBF


Entspanntes und ruhiges Dahingleiten verbinden viele

Autofahrer mit einem hohen Fahrkomfort, den sie von

einem modernen Automobil erwarten. Allerdings erzeu-

gen Motoren auch heute noch mehr oder weniger

störende Schwingungen. Über Motorlager und die Karos-

serie gelangen sie in den Fahrzeuginnenraum und können

sich dort als unangenehm empfundener Schall und stö-

rende Vibrationen äußern. Um dem entgegenzuwirken,

wurden am Fraunhofer LBF in den letzten Jahren

verschiedene Komponenten für aktive Systeme entwi-

ckelt. Für Tests und Vergleiche unter realen Betriebs-

bedingungen auf der Straße sowie zur Demonstration für

Kunden wurde im Rahmen von LOEWE-AdRIA ein Voll-

fahrzeugversuchsträger aufgebaut.

Aufbau des Vollfahrzeugversuchsträgers

DieBasisfürdenVersuchsträgerbildeteinMittelklassefahrzeug

imSerienzustandmiteinerErprobungsfahrzeugzulassung,die

esermöglicht,auchnichtzugelasseneFahrzeugkomponenten

imöffentlichenStraßenverkehrzutesten.

ImRahmenvonmehrerenForschungs-undIndustrieprojekten

wurdenbereitsunterschiedlicheKomponentenfüraktive

SystemezurSchall-undVibrationsminderungentwickeltund

erprobt:

• HybridAktivesMotorlager

(vorgestelltimJahresbericht2011,S.88fund2012,S.72f)

• Piezo-VerstärkerfürautomotiveAnwendungen

(vorgestelltimJahresbericht2011,S.84f)

• Inertialmassenaktoren(sieheauchJahresbericht2013,S.76f)

• Low-Cost-Sensorik(sieheauchJahresbericht2012,S.78f)

• ModulareeingebetteteSignalverarbeitungsplattform

(sieheauchJahresbericht2012,S.70f)

DieimVersuchsträgerverbautenpassivenKomponenten

werdenteilweisedurchaktiveLösungenersetztoderum

zusätzlicheaktiveSystemeerweitert(sieheAbb.2).Sowird

zumBeispieldashybridaktiveMotorlageranstatteinesder

beidenpassivenSerienlagerverbautundreduziertsodieauf

diesemWegindieKarosserieeingeleitetenSchwingungen.

AngesteuertwirddasLagervoneinemamFraunhoferLBF

Contact: Marco Jackel · Telephone: +49 6151 705 - 8274 · [email protected]

Automotive test vehicle for active noise and vibration control.

ErprobungsfahrzeugfüraktiveLärm-undVibrationsminderung.

Abb. 1: Vollfahrzeugversuchsträger mit Erprobungsfahrzeugzulassung.Fig. 1: street legal test vehicle.

E N T W I C K L U N G S P L AT T F O R M F Ü R A K T I V E S Y S T E M E

D E V E L O P M E N T P L AT F O R M F O R A C T I V E S Y S T E M S


Customer BenefitsWiththestreetlegaltestvehiclethe

FraunhoferLBFhasapowerfuldemonstratorforactive

systemsintheautomotivesector.Thetestvehicleisboth,

ademonstrator,aswellasadevelopmentplatform.Active

measuresandcontrolstrategiescanbetestedunderreal-life

ambientconditionsanddemonstratedtocustomers.

SummaryInvehicles,enginescausevibrationsthataretrans-

ferredfromthemountsandtheadjacentstructurestothe

interiorwheretheytypicallyresultinunwantedsoundemissi-

ons.Passivesystemshaveassertedthemselvesasoneresponse

todampeningnoiselevels.Theimplementationofactive

systemsshowmorepromiseinimprovingvibrationcomfort

andtheacousticimpression.TheFraunhoferLBFhasbeen

workingonsuchsystemsforseveralyears.Foradvancement

andtestingofthedevelopedtechnologiesunderrealdriving

conditionsthesesystemshavebeenimplementedintoareal

vehicle.Furthermorethistestvehicleenablesthedemonstration

ofthesenoveltechnologiestocustomers.

entwickeltenkompaktenPiezoverstärkerfürautomotive

Anwendungen.DesWeiterensindvierelektrodynamische

Inertialmassenaktorenanakustischbesonderssensitiven

PositionenimMotorraumundderKofferraumklappeange-

bracht.FürdieRegelungkommteinadaptiverAlgorithmus

(FxLMS)zumEinsatz.DieSignalverarbeitungerfolgtaktuell

nochaufeinerdSPACEMicroAutobox.InnaherZukunftwird

diesedurchdieamFraunhoferLBFentwickeltemodulare

eingebetteteSignalverarbeitungsplattformersetzt.

Abbildung3zeigtbeispielhaftdie2.MotorordnungdesInnen-

raumschalldruckswährendeinerMessfahrt.Diedeutliche

Überhöhungder2.MotorordnungimBereichvon1500U/min

lässtsichmitHilfederaktivenZusatzsystemestarkreduzieren.

HierbeiwerdendieReduktionenglobalimFahrzeuginnenraum

erreicht.ÜberdieaktivenSystemelässtsichnichtnurder

SchalldruckimInnenraumpositivbeeinflussen,auchdeutliche

ReduktionenindenStrukturschwingungenkonntenzum

BeispielamFußpunktdesaktivenLagerserreichtwerden.

Abb. 2: a) Positionen der aktiven Komponenten im Motorraum ; b) hybrid aktives Motorlager ; c) elektrodynamischer Inertialmassenaktor . Fig. 2: a) positions of the active components ; b) hybrid active engine mount ; c) electrodynamic inertial mass actuator.

Abb. 3: Ordnungsschnitt (2. Motorordnung) des Innenraumschalldrucks auf den vorderen Sitzen (Regelung an: gestrichelt; Regelung aus: durchgehend).Fig. 3: Second engine orders of the passenger cabin’s sound pressure level (dashed: control on; solid: control off).

ba c


Moderne Wohn- und Bürogebäude werden zunehmend

mit Zwangslüftungen oder Klimasystemen ausgestattet.

Aus akustischer Sicht ergeben sich hierdurch Probleme

durch Lüftungslärm und Schalltransmissionen aus Nach-

barräumen. Innovative, kompakte aktive Schallschutzmo-

dule, basierend auf dem Prinzip des aktiven Gegenschalls,

können hier zum Einsatz kommen, um störende Lüftungs-

geräusche und Schalltransmissionen zu reduzieren.

Entwicklung eines aktiven Schallschutzmoduls

InderRegelwerdenzurReduktionvonSchalltransmission

inLüftungssystemenpassiveSchalldämpfermitporösem

AbsorptionsmaterialoderHelmholzresonatorenverwendet.

BeitiefenAudiofrequenzensindpassiveLösungenoftnicht

probat,daunverhältnismäßiggroßformatigeSchalldämpfer

benötigtwürden.

ZurKontrolletieffrequenterSchalltransmissionbietensichaktive

Schallschutzsysteme(ANC-Systeme)an,dieLärmdurchaktiven

Gegenschallauslöschen.AufGrundderrelativhohenKom-

plexitätistderEinsatzaktiverANC-Systemebisheraufwenige

industrielleSpezialeinsatzgebietebeschränkt.Einwichtiger

SchrittinRichtungeinerbreitenkommerziellenAnwendung

vonANC-SystemenfürLüftungsanlagenistdieEntwicklung

modularerSystemlösungen,dieinBezugaufKosten,Bau-

raumbedarfundHandhabungdenpraktischenAnforderungen

gerechtwerden.ZieldiesesForschungsprojektesistdaherdie

EntwicklungeineskompaktenaktivenSchallschutzmodulsauf

derBasiseineseinkanaligenadaptivenFeed-Forward-Reglers.

HierzuwurdeaneinemBürocontainereinLüftungssystem

miteinemANC-Demonstratorinstalliert.Inexperimentellen

StudienlässtsichandiesemDemonstratordieRegelgüte

verschiedenerSystemkonfigurationenexperimentellerproben.

NebenderOptimierungderRegelalgorithmengehörenhierzu

z.B.auchdieabsoluteundrelativegeometrischeAnordnung

derReferenz-undFehlersensorenundKontrolllautsprecher

innerhalbdesLüftungssystems.DaANC-Systemevorallem

beitiefenAudiofrequenzeneffektivsind,wirdebenfalls

untersucht,wiesichANC-Systememitprobatenpassiven

akustischenMaßnahmenverbindenlassen,umeineoptimierte

breitbandigeRegel-Performancezuerzielen.

ImbisherigenVerlaufdesProjektswurdeeinerobuste

Regelungimplementiert,mitdersowohlfüreinesynthetische

LautsprecheranregungalsauchfürdenBetriebeinesLüfters

deutlicherlebbareReduktionenderSchallpegelimInnerndes

Bürocontainerserzieltwurden.ImnächstenSchrittsolldie

Contact: Jens Rohlfing · Telephone: +49 6151 705 - 308 · [email protected]

Reduction of noise propagation in ventilation ducts.

ReduzierungderLärmausbreitunginLüftungskanälen.

A K T I V G E G E N D E N L Ä R M – I N N O VAT I V E S C H A L L S C H U T Z M O D U L E

A C T I V E N O I S E P R O T E C T I O N – I N N O VAT I V E V I B R AT I O N C O N T R O L


adjacentrooms.Compactactivenoisecontrolmodulesbased

ontheprincipleofactiveanti-soundcanbeusedtoreduce

acousticdisturbance,improvecomfortandtoprotectprivacy.

InthisprojecttheFraunhoferLBFraimstodeveloppractical,

compact,integratedactive/passivenoisecontrolsystems,with

hightechnologyreadinesslevel.

hochwertigeLabor-SensorikdesANC-Systemsdurchgeeignete

praxisnaheLow-CostSensorikersetztwerden.

InZukunftsindStudienzurIntegrationvonakustischen

MaskierungssystemenzumSchutzderPrivatsphäreund

Vertraulichkeitangedacht.DesWeiterensolldieSkalierbarkeit

desANC-Konzeptsuntersuchtwerden,umnebenLösungen

fürRaumlüftungenauchLösungsansätzefürgroßformatige

industrielleundkleinformatigeLüftungssystemeimAuto-

motive-Bereichanbietenzukönnen.ZurBearbeitungdieser

AufgabenstellungkonntedasFraunhoferLBFdieFirma

FreudenbergalsIndustriellenPartnergewinnen.

Customer Benefits Basedontheexperincegainedfrom

thisprojecttheLBFwillbeabletoaddresscustomerspecific

requestsforthedevelopmentofinnovativeconceptsand

solutionsforactivenoisecontrolsystems;especiallyfor

modularsolutionsforthecontrolofsoundtransmission

andemissionsfromventilationandexhaustsystems.

SummaryModernhomesandofficebuildingsareoften

equippedwithforcedventilationandairconditioningsystems.

Fromanacousticalpointofviewthismaycauseproblems

duetonoiseemissionsandsoundtransmissionbetween

Schema eines klassischen Feed-Forward ANC-Systems.Sketch of a classical feed-forward ANC-system.

Bild des aktiven Schallschutzmodules, Montage direkt vor am Luftauslass.Picture of the active Noise Control Module, installation directly at the air outlet.

Gemittelter Schalldruckpegel im Innern des Büro-containers für ANC-AUS (schwarz) und ANC-AN (rot).Average sound pressure level inside the office container for ANC-OFF (black) and ANC-ON (red).

Dr. Matthias Messer, Freudenberg & Co. KG, Corporate Innovation, Head of CO-Innovation

„DieFreudenbergGruppeentwickeltundproduziertu.a.innovativeProduktezurverbessertenAkustik.MegatrendswieBevölkerungswachstumundUrbanisierungverstärkendenBedarfanneuenEntwick-lungen.DieUnternehmensgruppekoope- riertdaherbezüglichaktiverSchwingungs-technikundinnovativerSchallschutzlösun-generfolgreichmitdemFraunhoferLBF.“

“TheFreudenbergGroupdesignsandpro-ducesamongothersinnovativeproductsforimprovedacoustics.Megatrendssuchaspopulationincreaseandurbanizationintensifytheneedfornewdevelopments.Hence,Freudenbergsuccessfullyinvesti-gatesinnovativenoiseandactivevibrationcontroltechnologiesincooperationwiththeFraunhoferLBF.“


Im Betrieb werden Windkraftanlagen (WKA) durch unter-

schiedliche Effekte zum Schwingen angeregt. Diese

Schwingungen können hinsichtlich der Lebensdauer von

Teilkomponenten, der Qualität des eingespeisten Stroms

und insbesondere bezüglich der Schallabstrahlung uner-

wünscht sein. Die Konstruktion schwingungsarmer WKA

stellt jedoch eine große Herausforderung dar, für die passi-

ve Lösungsansätze zur Schwingungsminderung unzurei-

chend sein können. Um das Potential aktiver Maßnahmen

für den Einsatz an WKA aufzuzeigen, wurde ein solches

Zusatzsystem an einer Kleinwindkraftanlage (KWKA) ent-

wickelt und im Betrieb erprobt.

Erprobung an einer Kleinwindkraftanlage

AlsTechnologiedemonstratorwurdeeineAnlagevomTyp

AeroCraft752derFirmaGödeckeEnergie-undAntriebstechnik

genutzt.EineexperimentelleModalanalyseliefertediemodalen

ParameterderKWKA,diezurAbbildungdesdynamischenVer-

haltensinMatlab/Simulinkgenutztwurden.AusBetriebsmes-

sungensynthetisierteAnregungssignalewurdenanschließend

fürSimulationenandiesemnumerischenModellgenutztund

zurmodellbasiertenAuslegungdesschwingungsmindernden

Zusatzsystemsherangezogen.WieeineAnalysederDatenaus

derBetriebsmessungzeigt,weistderüberwiegendeAnteilder

StörungeneineKorrelationzurDrehzahlauf.Dieseresultieren

vorrangigausRückwirkungenderLeistungselektronikaufden

Generator,diezuperiodischenAnregungenführen.Darüber

hinauswirddasSystemsowohldurchUnwuchtenalsauch

durchdieWechselwirkungenzwischendenRotorblätternund

demungleichförmigenWindfeldzumSchwingenangeregt.Die

unmittelbareAnfachungdurchdenWindundStrömungsablö-

sungenspieltinsgesamtnureineuntergeordneteRolle.

AlsRegelungskonzeptzurMinderungderStrukturschwin-

gungenwurdeeinespezielleFormdesFxLMS-Algorithmus

ausgewählt.DieserkonntesichbereitsbeiähnlichenAufga-

benstellungen,z.B.zurSchallreduktionimFahrzeuginneren,

bewähren(s.Seite56).

IneinerGesamtsystemsimulationwurdederReglergetestetund

dieAnforderungenandasaktiveZusatzsystembestimmt.Die

EinleitungderGegenkräfteerfolgthierbeiübereinenelektrody-

namischenAktor,derzureffektivenSchwingungsminderungin

unmittelbarerNähezumGeneratorplatziertwurde.

DaszurSchwingungskompensationerforderlicheSteuersignal

fürdenAktorberechnetderAlgorithmusausderAnlagendreh-

zahlunddemzuminimierendenFehlersignal,dasvoneinem

BeschleunigungssensoraufHöhederNabeerfasstwird.

Contact: M.Sc. Roman Kraus · Telephone: +49 6151 705 - 8336 · [email protected]

Active vibration reduction at wind energy plants.

AktiveSchwingungskontrolle beiWindkraftanlagen.

E R P R O B U N G A N E I N E R K L E I N W I N D A N L A G E

T E S T I N G O N A S M A L L W I N D T U R B I N E


This was achieved by developing an active vibration control

system and testing it under real operating conditions on a small

wind turbine installed at the Fraunhofer LBF. The measurement

results demonstrate that active control system can significantly

reduce the undesirable vibrations at the hub.

Im Anschluss an die Simulationen wurde das System aufgebaut

und im realen Betrieb getestet. Die Gegenüberstellung(en)

der Messergebnisse des ungeregelten und geregelten Betriebs

zeigt(en) eine deutliche Reduktion bei den untersuchten

Drehzahlordnungen (36 und 72). In Abhängigkeit von der

Anlagendrehzahl werden dabei Reduktionen von bis zu 80%

erreicht.

Customer Benefits The exemplary implementation of a small

wind turbine illustrates the huge potential of active systems

for reducing vibration in wind turbines. It is conceivable

with small wind turbines to use such systems to reduce the

structure-borne noise input into buildings. It is also imaginable

to transfer the control concept to large wind turbines to redu-

ce gear-induced vibrations and noise radiation. This requires

detailed investigations in a large wind turbine.

Summary Wind turbines are exposed to excessive dynamic

loads which may result in extensive vibrations and in turn to a

reduced component lifetime, undesirable sound emissions and

adverse effects in power generation. Active control solutions

can help to reduce these structural vibrations. The objective of

this project has been to demonstrate the capabilities of active

measures for vibration reduction in wind turbines.

Verbesserung durch die Regelung bei Ordnung 72.Improvement due to the control of order 72.

Schwingungsspektrum mit und ohne Regelung.Spectrum of vibrations with and without control.

Instrumentierung der Kleinwindanlage.Instrumentation of the small wind turbine.

Versuchsanlage mit aktivem Zusatzsystem im CAD.Small wind turbine with active system in CAD.

„ Mit aktiven Maßnahmen wirken wir den im Betrieb auftretenden Schwingungen sehr erfolgreich entgegen.“

M.Sc. Roman Kraus, Fraunhofer LBF


© D

aim

ler

AG


LeichtbaumitSystem.SystematicLightweightConstruction.

Technolgieentwicklungen für zukünftige Flugzeugfl ügel.

Technology development for future aircraft wings.

52

Querlenker aus Faserverbunden mit integrierten Funktionen.

Lightweight control arm of fi ber-reinforced composites integrates several functions.

54

Optimierte Prozesskette für Composite-Sicherheitsbauteile.

Optimized process chain for composite safety-parts.

56

Effi ziente Betriebsmessungen dank generativ gefertigter Hilfsmittel.

Effi cient operational measurements thanks to additive manufactured tools.

58

Festigkeitsverhalten mehrachsig belasteter Komponenten.

Fatigue life assessment of structural components under multiaxial cyclic loading.

60


Im Oktober 2014 untersuchte das Fraunhofer LBF im Rah-

men des Projektes Clean Sky Green Regional Aircraft zu-

sammen mit den Fraunhofer-Instituten IBP und ENAS einen

ca. 3 Meter breiten Flügel in einem Klimawindkanalver-

such. Zuvor wurde am Institut die Struktur des Flügels

entwickelt und gebaut sowie mehrere neuartige Technolo-

gien integriert.

Neue Herausforderungen – neue Lösungen

ImeuropäischenProjektCleanSkywerdenseit2008zukunfts-

weisendeTechnologienfürkünftigeFlugzeugeentwickelt.

IndiesemZusammenhanghatFraunhoferden1:1Droop

NoseDemonstratorentwickelt,imFraunhoferLBFaufgebaut

undabschließendineinemKlimawindkanalversucherprobt.

AufBasisaerodynamischerVorgabenwurdeeineKinematik

fürdieAbsenkungderFlügelvorderkanteentwickelt.Die

BesonderheitdieseshierentwickeltenHochauftriebsmittels

imBereichderVorderkanteistdieVermeidungvonSpalten

durcheineMitverformungderHaut.Diesistinsbesonderefür

künftigeLaminarflügelvonhoherBedeutung,dadiesenurmit

glattenOberflächenrealisierbarsind.EinweitererVorteilistdie

ReduzierungderLärmemissionenimLandeanflugdurchdie

VermeidungvonSpalten.DiehoheDehnungderHaut,diebei

jederBetätigungauftritt,erfordertjedocheineausreichende

Betriebsfestigkeit.

DieVerformungderHautwirdübereinenelektromechanischen

Aktuatorerzeugt.ZusätzlichwerdeneinigevomFraunhoferIBP

bereitgestellte„Smartmemoryalloy-Aktoren“genutzt.

ZurkünftigenRegelungderKinematikimFlugentwickeltdas

FraunhoferLBFeinVerfahrenzurRekonstruktionderFlügel-

geometrieaufBasisvonSensorsignalen.ZudiesemZweck

wurdenu.a.fast50faseroptischeDehnungssensorenindie

HautderbeweglichenFlügelvorderkanteintegriertundüber

dasvomFraunhoferLBFentwickeltestrukturintegrierteStecker-

konzeptnachaußengeführt.

FürdieTechnologie-Plattform„Flügel“wurdenvomFraunhofer

ENASsog.„syntheticjetAktuatoren“bereitgestellt.Diese

könnendieStrömungpositivbeeinflussen.ImKlimawind-

kanalversuchsolltedasVerhaltendieserTechnologieunter

Vereisungsbedingungenerprobtwerden.

Technology development for future aircraft wings.

Technolgieentwicklungenfür zukünftigeFlugzeugflügel.

A U F B A U E I N E R F L Ü G E L S T R U K T U R M I T B E W E G L I C H E R V O R D E R K A N T E

M A N U F A C T U R I N G O F A W I N G S T R U C T U R E W I T H F L E X I B L E D R O O P N O S E

Contact: Martin Lehmann · Telephone: +49 6151 705 - 416 · [email protected]. Volker Landersheim · Telephone: +49 6151 705 - 475 · [email protected]


Customer BenefitsAtFraunhoferLBFevencomplexR&D

withprototypesarepossible.Inthisproject,thetimeframefor

thelastprojectphasewassixmonthsfordesign,manufactu-

ring and test.

SummaryInthecontextoftheCleanSkyProjecta3meter

widefullscalewindtunnelmodelofapossiblefuturewing

wasdevelopedandmanufacturedatFraunhoferLBF;several

potentialfuturetechnologieshavebeenintegrated.

Thisdemonstratorhasbeenthoughtastechnologyplatform:

Aflexible(“morphing”)DroopNosewithameasuringand

controlsystem,thenovelintegrationofavariableiceprotection

system,integrationandtestingofshapememoryalloy-based

actuatorsandsyntheticjetactuatorsareanimportantstepin

enhancingthetechnologyreadinesslevel.

ZusätzlichwurdeineinehochgedehnteFlügelvorderkante

erstmalseinthermischesVereisungsschutzsystemintegriert.

EinVereisungsschutzsystemisteinewichtigeVoraussetzung

fürdensicherenBetrieb.DiesesKonzeptwurdeaberaufgrund

derhohenHautdehnungbishernichtzufriedenstellendgelöst.

ImRahmenvonCleanSkygelangesdemFraunhoferLBF,ein

flexiblesHeizsystemaufBasisvonCarbonNanoTubes(CNT)zu

entwickeln.ZurTemperaturregelungwurdenThermosensorenin

das Modell integriert.

BeierstenErprobungendesModellszeigtesichbereitseinegute

ÜbereinstimmungderFlügelverformungenzwischenErgebnissen

derFE-SimulationenunddemgefertigtenModell.Daraufhin

wurdederDemonstratorineinemKlimawindkanalversuch

erprobt.DieStrukturunddieverschiedenenTechnologienfunk-

tioniertenerwartungsgemäßgut,unddurchdenerfolgreichen

VersuchimWindkanalkannderTechnologiereifegradnachge-

wiesenwerden.DieEntwicklungderTechnologienistnochnicht

abgeschlossenundsollinkünftigenProjektenfortgesetztwerden.

Oliver Schwarzhaupt · Telephone: +49 6151 705 - 490 · [email protected]

ResearchleadingtotheseresultshasreceivedfundingfromtheEuropeanUnion(FPJ/2007-2013)fortheCleanSkyJointTechnologyInitiativeunderrelevantgrantagreement

Einsatz der Rauchlanze im Klimawindkanal.Use of a fume lance at the climated wind chanel.


Immer leichter, immer sparsamer – so die Maxime der

Automobilindustrie. Eine Schlüsseltechnologie, um die-

sem Anspruch gerecht zu werden, ist der betriebsfeste

und funktionsintegrierte Leichtbau – sehr oft unter Ein-

satz von Faserverbunden. Allerdings stellt die faserge-

rechte und betriebsfeste Auslegung von Faserverbund-

strukturen Konstrukteure und Ingenieure vor eine große

Herausforderung. Im Fraunhofer LBF wurde ein Querlen-

ker für ein Mittelklassefahrzeug aus Faserverbund ausge-

legt und gefertigt.

Faserverbundbauteile fit für die Serienfertigung

ImVergleichzuMetallenverhaltensichFaserverbundeunter

mechanischenLastendeutlichkomplexer;bestehendeKonstruk-

tionenausMetallenlassensichnichteinfachdurchFaserverbun-

desubstituieren.DieunterschiedlichenWerkstoffeerfordernbei

derKonstruktionhinsichtlichdesFertigungsverfahrensund

wegenderanisotropenEigenschaftenderFaserverbundeunter-

schiedlicheHerangehensweisen.Faserverbundemüssenfaser-

gerechtausgelegtwerden,dieverstärkendenFasernmüssen

alsoinLastrichtungausgerichtetsein.EineHerausforderung

wares,dieHerstellungderFaserverbundbauteilefitfürdie

Serienfertigungzumachen.DasErgebnis:Fürgroßeund

flächigeBauteileeignensichbesondersOrganoblechemit

thermoplastischerMatrix,die–umspritztineinemWerkzeug

–,dieBauteilgeometrieabformen.AufBasisduroplastischer

MatrixsystemebestehtdieMöglichkeitdasResinTransfer

Moulding-Verfahren(RTM-Verfahren)zuverwenden.

FüreinebetriebsfesteundzuverlässigeAuslegungvon

Fahrwerkskomponentenistesnotwendig,alleEinflüsseaus

demBetriebzuberücksichtigen.DiemechanischeAuslegung

beruhtaufLastkollektiven,dieaneinemMessradineinem

Fahrzyklusermitteltwurden.DieKollektivwertewurdenin

Lastenumgerechnet,dieandemjeweiligenBauteilangreifen.

AusFahrmanöverabschätzungenwurdenkritischeFahrmanöver

abgeleitet,diealsLastannahmedienten.Dieunterschiedlichen

FahrmanöverrufenindenhöchstbeanspruchtenBereichen

komplexemehraxialeBeanspruchungszuständehervor,diees

fürdiebetriebssichereAuslegungzubewertengalt.

Optimierter Schichtaufbau

ExperimentelleUntersuchungenandenzuverwendenden

MaterialienbildetendieGrundlagefürdieErstellungvon

MaterialmodellenzurAbschätzungderLebensdauer.Mittels

numerischerMethodenidentifiziertendieWissenschaftler

lasttragendeBereiche,wolokaleFaserverstärkungender

Strukturverlaufenmüssen.UmdielokaleFaserverstärkung

zustützen,müssenGewebeschichtenindenSchichtaufbau

Lightweight control arm of fiber-reinforced composites integrates several functions.

QuerlenkerausFaserverbunden mitintegriertenFunktionen.

B E T R I E B S F E S T E A U S L E G U N G V O N FA S E RV E R B U N D S T R U K T U R E N

S T R U C T U R A L LY D U R A B L E D E S I G N O F F I B R E R R E I N F O R C E D C O M P O S I T E S T R U C T U R E S

Contact: Dominik Spancken · Telephone: +49 6151 705 - 412 · [email protected]

© D

aim

ler

AG


SummaryLightweightandsafeisoneoftheautomotive

industry’sgreatestaims.TheFraunhoferLBFhasproduceda

controlarmforanexecutiveclasscarmadeofcarbonfiber.

Itweighs35percentlessthanacomparablepartmadeofsteel.

Inadditiontothis,thescientistsareplanningtointegrate

functionsinthecontrolarmsothatitexhibitsgreatertolerance

todamageandincreasedcomfortinuse.Thiswillbeimple-

mentedwithstructuralhealthmonitoringsystems(SHM)and

semi-activesystemswhichreducethetransmissionofstructure-

bornenoise.Ithasbeenpossibletodesignandmakeacontrol

armoffiber-reinforcedcompositeinadevelopmenttimeofonly

sixmonths.

eingebrachtwerden.DieserSchichtaufbauwurdenumerisch

bezüglichderlokalenFaserorientierungoptimiert,damitauch

dieseGewebelagenentsprechendihrerBeanspruchungoptimal

ausgelastet sind.

Customer BenefitsHighlystressfulsituationssuchasacci-

dentsoroverloadingonpoorstretchesofroadcandamage

thestructureandshortenthefatiguelife.Theseareascanbe

monitoredonlinewiththehelpofastructuralhealthmonito-

ringsystemmadeupoffiber-opticsensorsandafiber-optic

cable.Anappropriatewarningmessageisdisplayedtothe

driverifapreviouslyspecifiedthresholdvalueisexceeded.

Dynamicallyloadedlightweightstructuresareproneto

vibrationswhichareusuallydamped,forexamplewithab-

sorbers.Thedrawback:additionalmassesandcorresponding

installationspace.ThescientistsoftheFraunhoferLBFdamped

thevibrationsbymeansofpiezoelectricconverterswhich

arewiredtopassivestructuralelements.Tomaximizethe

effectiveness,theLBFresearchersadoptedthedesignofthis

semi-activesystemintothedevelopmentprocessofthefiber-

reinforcedcompositecomponent.Asaresult,itispossible

tomanufacturecomponentsthatsimultaneouslyhavealow

massandgooddampingcharacteristics.

Prototyp eines Faserverbundquerlenkers, entwickelt im Fraunhofer LBF.Prototype of a fiber-reinforced composite control arm developed in the Fraunhofer LBF.

Spannungen am Querlenker beim Lastfall „Bremsen Linkskurve“.Stresses in the control arm in the load case “braking on left-hand bend”.


Bisher hat das Fraunhofer LBF eher in Teilbereichen Vorha-

ben zur Bauteilentwicklung unterstützt. Die Vorgehens-

weise für eine umfassendere Prozesskette wurde beispiel-

haft an einem Bauteil in allen Entwicklungsschritten

umgesetzt. Da hierbei die Kompetenzen mehrerer Abtei-

lungen benötigt werden, war es das Ziel des Projektes die

Schnittstellen zwischen den verschiedenen Phasen der

Produktentwicklung zu optimieren und eine reibungslose

Prozesskette für künftige Projekte zu etablieren.

Etablierung der Prozesskette von der Materialentwicklung

bis zur Prüfung

VonderchemischenHarzentwicklungundFormulierung,über

diesimulationsgestützteBauteil-undSystemauslegungbishin

zurFertigungundPrüfungdesBauteilwurdeinnerhalbweniger

MonateeineVorgehensweiseerprobt,dienundieverbesserte

BegleitungunsererKundeninderAuslegungvonLeichtbau-

strukturenermöglicht.

EininDifferentialbauweisehergestellterKurbeltriebausStahl

mitintegriertenElastomerlagern,wieerbeispielhaftfürFahr-

werksteilesteht,wurdedurcheineFaserverbundfederinInte-

gralbauweisesubstituiert.DerKraft-Weg-Verlaufwurdedabei

näherungsweisebeibehaltenwährenddasGewichtvon6,75kg

auf0,18kgreduziertwurde.

ZuBeginnwurdeeineflexibleEpoxidharzformulierungmit

hohemElastomeranteilentwickelt.Compositestrukturen,

basierendaufangepassten,zähmodifiziertenHarzsystemen,

besitzeneinerheblichesPotentialzurSteigerungderBruchdeh-

nungunddesImpactverhaltensvonFaserverbundstrukturen,

derSteigerungderLebensdauerdurchdieVerzögerungvon

ZwischenfaserbrüchenundzurSteigerungderEinsatzbreitevon

diesenLeichtbauwerkstoffendurchneueAnwendungenwie

beispielsweiseFestkörpergelenkenimKarosseriebereich.

ParallelzurMaterialentwicklungwurdenersteSimulationen

durchgeführt.ZunächstwurdeeinemetallischeReferenzstruktur

mitElastomerlagernanhandvonParameterstudienausgelegt.

DasmechanischeVerhaltendieserStrukturdientealsVorgabe

fürdieAuslegungeinerFaserverbundfederstruktur.Diesewurde

mitFEMundMKSunterEinbindungvonsog.FlexBody-Körpern

imSimulationsmodellausgelegtundübereinCAD-Programm

alsNegativformabgeleitet.

Optimized process chain for composite safety-parts.

OptimierteProzesskettefür Composite-Sicherheitsbauteile.

A U S L E G U N G V O N L E I C H T B A U - S T R U K T U R E N

D E S I G N O F L I G H T W E I G H T S T R U C T U R E S

Contact: Prof. Dr. Manfred Döring · Telephone: +49 6151 705 - 8675 · [email protected]. Dr. Andreas Büter · Telephone: +49 6151 705 - 277 · [email protected]


SummaryMetallicstructuresareoftenreplacedbycomposite

structurestoreduceweight.Inthiscase,itisimportantto

optimizethetargetweightwhileretainingthemechanical

propertiesofthereferencestructure.IntegrationofthePlastics

DivisionintheFraunhoferLBFmeansthattheentireprocess

chainisavailablefrommaterialdevelopmenttosimulation,

productionofaprototypeandtesting.

ZurFaserverbundfertigungwurdeeineMetall-Negativformmit

derhauseigenenCNC-Abrassivwasserstrahlanlagehergestellt,

diedieschnelleundgenaueFertigungermöglichte.Hiermit

könneninZukunftschnellundeffizient,ähnlichwiebishermit

generativenFertigungsverfahren,WerkzeugefürdieFaserver-

bundfertigungimHaushergestelltwerden.

DieFederwurdezunächstmanuellinPrepreg-Bauweiseindie

MetallformeingelegtundineinerHeißpressekonsolidiert.Nach

derFertigungfandeineVergleichsmessungdermetallischenRe-

ferenzstrukturundderLeichtbaulösungstatt.Hierbeizeigtesich

einähnlicherKraft-WegverlaufderbeidenStrukturen.Ineinem

DemonstratorkönnendiebeidenStrukturennebeneinander

handbetätigtverglichenwerden.

Customer BenefitsWecanprovidesupportinthefuture

forthedevelopmentofasimilarlightweightstructureinthe

formofanewdesignorsubstitutesolution.Weprovidethis

supportalongtheentireprocesschainfrommaterialdevelop-

menttotesting,oronthebasisofindividualprocesses.The

FraunhoferLBFwillbehappytosupportsuchdevelopmentof

aspecificcomponentinanindustrialorresearchproject.

Vorteile einer reibungslos funktionierenden Prozesskette.Advantages of a smothly running process chain.

Formenbau im Fraunhofer LBF.Mold construction at Fraunhofer LBF.

Riccardo Möller · Telephone: +49 6151 705 - 408 · [email protected]


Durch Betriebsmessungen erlangt man weitreichende

Informationen über die Beanspruchung eines technischen

Systems im Betrieb. Die gezielte Messung von Lastkollekti-

ven dient der Ableitung auslegungsrelevanter Parameter

von Bauteilen sowie der Steigerung der Qualität, Effizienz

und Sicherheit, beispielsweise von PKW, LKW, Schiffen

oder industriellen Maschinen und Anlagen.

Optimale Anpassung an jede Messumgebung

VorderDurchführungvonBetriebsmessungenwerdendie

relevantenMessgrößenfestgelegt.Meisthandeltessichum

Kräfte,DehnungenoderBeschleunigungen,diemitHilfe

entsprechenderSensorenerfasstwerdensollen.Entscheidend

fürdieAuswahlderSensorensindunteranderemderzu

erfassendeFrequenzbereichsowiediezuerwartendenPegel.

UmdiegewünschtenErgebnissezuerhalten,wirddieSensorik

mitpassenderHardwarezurDatenerfassungundSignalver-

arbeitungsowieAuswertealgorithmenkombiniert.Mitbestim-

mendfürdenAufwandeinerBetriebsmessungsinddieWahl

derPositionenzurApplizierungundIntegrationdesMessequip-

mentssowiedieUmweltbedingungenvorOrt.Herausforderun-

genkönnenentstehendurchschlechteZugänglichkeitander

Einbaustelle,WitterungseinflüssewieFeuchtigkeitundextreme

TemperaturenoderGefährdungendurchSteinschlag,Wasser

oderandereMedien.MöglicherweiseistdasMessequipment

auchhohenKräftenoderstarkerStrömungausgesetztoder

mussangeometrischungünstigenStellen,z.B.gekrümmten

Flächen,sicherangebrachtwerden.

UmdieBetriebsmessungendurchführenzukönnen,sind

deshalbHilfsmittelnotwendig,mitdenendasMessequipment

andieBedingungenvorOrtangepasstundvorBeschädigungen

geschütztwerdenkann.AmFraunhoferLBFkönnendiese

HilfsmitteldurchgenerativeVerfahrenhergestelltwerden.

DafürsteheneineLasersinteranlageundein3D-Druckerzur

Verfügung.(Sensor-)GehäuseundHalterungenkönnensoindi-

viduellundpassgenaugefertigtwerden.AuchdieHerstellung

komplexerGeometrienistschnellundkostengünstigmöglich.

GenerativeFertigungbietetaußerdemdieMöglichkeitzurFunk-

tionsintegration,wodurchdieZahlderEinzelteileunddamit

Efficient operational measurements thanks to additive manufactured tools.

EffizienteBetriebsmessungendankgenerativgefertigterHilfsmittel.

O P T I M A L E A N PA S S U N G V O N M E S S E Q U I P M E N T A N D I E M E S S U M G E B U N G

O P T I M A L A D J U S T M E N T O F M E A S U R I N G E Q U I P M E N T T O T H E M E A S U R I N G E N V I R O N M E N T

Contact: Johannes Käsgen · Telephone: +49 6151 705 - 613 · [email protected] Röglin · Telephone: +49 6151 705 - 8242 · [email protected]


SummaryOperationalmeasurementsservetheincreaseofthe

quality,efficiencyandsecurityofplantsandvehicles.Bysensors

andsuitablemeasuringequipmentrelevantmeasuredvariables

arerecordedintheservice.Theadditivemanufacturingmethods

usedattheFraunhoferLBFenableanindividualandproperly

matchingproductionfromtoolstotheoptimaladjustmentof

themeasuringequipmenttothemeasuringenvironmentof

thecustomer.Themeasurementsareacceleratedtherebyand

thecostsarereduced.Beyondthattheusesofthemeasuring

equipmentcanbeincreasedandtheresultsofmeasurements

canbeimproved.

auchderfolgendenMontageschrittereduziertwerdenkann.

DurchdiegenerativhergestelltenHilfsmittelkanndas

MessequipmentoptimalandieMessumgebungdesKunden

angepasstwerden.DadurchkönnenMesskampagnenschneller

undkostengünstigerdurchgeführtwerden.DieMöglichkeiten

fürBetriebsmessungenwerdenerweitert,dieQualitätder

MessergebnisseverbessertunddieRobustheitdesMessequip-

mentserhöht.

Customer BenefitsByoperationalmeasurementsthe

customerreceivesimportantinformationabouthistechnical

system.Theyservetheincreaseofefficiency,securityand

quality.Applyingadditivemanufacturingmethodsforthepro-

ductionoftoolsattheFraunhoferLBFallowsforanoptimal

adjustmentofthemeasuringequipmenttothemeasuring

environmentatthecustomer.Boththeproductionofthetools

andthemeasurementscanbeacceleratedandthecostscan

bereduced.Theproperlymatchingsensorsandmounting

platesimprovereliabilityandincreasethequalityoftheresults

ofmeasurements.

Vielfältig einsetzbar und äußerst robust: die generativ gefertigten Beschleunigungssensoren des Fraunhofer LBF.Variously applicable and extremely robust: the additive manufactured acceleration sensors of the Fraunhofer LBF.

Verschiedene lasergesinterte Kunststoffteile als Hilfsmittel für Betriebsmessungen. Laser-sintered plastic parts as tools for operational measurement.


Viele Bauteile und Komponenten unterliegen mehrachsi-

gen Ermüdungsbeanspruchungen, d. h. es liegen gleichzei-

tig unterschiedliche Belastungsarten vor, z. B. Biegung

kombiniert mit Torsion oder Zug-Druck-Belastung kombi-

niert mit Torsion. Insbesondere in den Fällen, in welchen

die Einzelbelastungskomponenten unabhängig voneinan-

der schwingen (nichtproportionale Belastung), ist es

schwierig eine zutreffende Lebensdauerabschätzung

durchzuführen. Vor diesem Hintergrund stellt die Verbes-

serung der Treffsicherheit mehrachsiger Schädigungspara-

meter eine wichtige Anforderung dar.

Laserstrahlschweißverbindungen aus Magnesium

DiesteigendenAnforderungenandenLeichtbauerfordernden

EinsatzneuerMaterialieninVerbindungmitgeeignetenFüge-

verfahren.MagnesiumweistimVergleichzuweitverbreiteten

KonstruktionswerkstoffenwieAluminiumoderStahleinegerin-

gereDichteauf.DerdarausresultierendeGewichtsvorteilkann

inderZukunftzueinervermehrtenNutzungvonMagnesium-

LegierungenimLeichtbauführen.DasLaserstrahlschweißen

ermöglichtdieHerstellungkomplexerKomponentenaus

Magnesium-Legierungen,dabeikönnenhoheFestigkeiten

sowieSteifigkeitenderSchweißnähteerzieltwerden.

ImRahmeneineslaufendenDFG-Forschungsvorhabenswerden

dieSchwingfestigkeitskennwertedünnwandigerÜberlapp-

schweißverbindungenausMagnesium-Knetlegierungen

AZ31undAZ61untermehrachsigenproportionalensowie

nichtproportionalenBelastungenmitvariablenAmplituden

experimentellermittelt.ImVorgängerprojektwurdedas

ErmüdungsverhaltendieserSchweißverbindungenunterBelas-

tungenmitkonstantenAmplitudenuntersucht.Dieexperimen-

tellenErgebnissezeigeneinedeutlicheLebensdauerverkürzung

unternichtproportionalenBelastungenimZeitfestigkeitsbereich

imVergleichzumproportionalenBelastungsfall.Einähnliches

VerhaltenwirdauchbeiSchweißverbindungenausAluminium

undStahlbeobachtet.

AusgehendvonVersuchsergebnissenwerdenmehrachsige

BerechnungskonzeptezurgenauenErfassungdesbeobachteten

Ermüdungsverhaltensangepasstunderweitert.DieAnwendung

solchererweitertenHypothesenistmiteinemhohenRechen-

aufwandverbunden.DaherwerdendieBerechnungsroutinen

programmiertundineinSoftware-ToolzurBewertungvon

mehrachsigenBeanspruchungenintegriert.

Fatigue life assessment of structural components under multiaxial cyclic loading.

Festigkeitsverhaltenmehrachsig belasteterKomponenten.

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M U LT I A X I A L H Y P O T H E S E S F O R M A N G A N E S E W E L D J O I N T S

Contact: Alexandre Bolchoun · Telephone: +49 6151 705 - 8457 · [email protected]


Customer BenefitsMaterialsandweldedjoints,whichwere

investigatedintworesearchprojectsoftenexhibitafatigue

lifeshorteningundermultiaxialnon-proportionalloadings.

Hypotheses,whichenableengineerstotakethisbehaviorinto

accountduringthedevelopmentprocessareavailableinform

ofcomputationalroutines,whichcanbeusedforcustomer-

specificlifetimeassessmentproblems.Theroutinescanbealso

providedtothecustomerinthecourseofabilateralproject.

SummaryThefatiguestrengthofanumberofmaterialsor

weldedjointsundermultiaxialcyclicloadingwasinvestigated

experimentally.Theexperimentalresultswerethenusedto

verifydifferenthypothesesforfatiguelifeevaluation,which

arebasedonlocalstressorstrainconcepts.Furthermorethese

hypotheseswereextended,inordertoyieldbetterfatiguelife

assessmentresults.

Lebensdauerabschätzung mehrachsig belasteter

Sicherheitsbauteile aus Schmiedestahl und Aluminiumguss

ImFokusdesabgeschlossenen,durchdasForschungskuratorium

Maschinenbaugeförderten,gemeinschaftlichenForschungs-

vorhabens(mitTUClausthal)lagdasErmüdungsverhaltendes

Vergütungsstahls50CrMo4VundderAluminiumgusslegierung

G-AlSi7Mg0,3T6.StahlistderduktileredieserbeidenWerkstof-

feundzeigteineLebensdauerverkürzungunternichtproportio-

nalermehrachsigerBelastungimVergleichzumproportionalen

Fall.BeiderAluminiumgusslegierungkanndieUmkehrung

diesesVerhaltensbeobachtetwerden.Allerdingstrittdiese

UmkehrungnichtbeiallenuntersuchtenLastsignalformenauf.

DieErgebnisseumfangreicherexperimentellerUntersuchungen

wurdendazugenutzt,mehrereSpannungs-sowieDehnungs-

basiertemehrachsigeSchädigungsparameteraufihreAnwend-

barkeitzutesten.EswurdenEmpfehlungenabgeleitet,die

inAbhängigkeitvomvorliegendenWerkstoffbzw.vonder

vorliegendenBeanspruchungsart,einegeeigneteMehrachsig-

keitshypotheseermöglichen.AußerdemwurdeeinParameter

zurVerbesserungderLebensdauerbewertungunternichtpro-

portionalenBelastungenvorgeschlagen.

Dünnwandige Schweißprobe aus Magnesium.Thin-walled welded magnesium specimen.

Zug-Druck-Torsion-Prüfmaschine im Fraunhofer LBF.Tension-torsion test rig at Fraunhofer LBF.

Torsion Mt,a

Druck Fa

Finite-Elemente-Modell einer Stahlprobe.Finite element model of a steel specimen.


ZuverlässigkeitmitSystem.SystematicReliability.

Betriebsfestigkeit einer Materialumschlagmaschine.

Structural Durability of a material handler.

64

Bedarfsgerechte Instandhaltung von Güterwagen.

Needs-based maintenance of freight cars.

66

Smartes Sensornetzwerk zur Überwachung großer Bauwerke.

Smart sensor network for monitoring large structures.

68

Prüfungen von HV-Batterien.

Tests on HV batteries.

70

Elektromobilität auf dem richtigen Weg.

Electromobility on the right track.

72

Multiaxiales Elastomerlagermodell für dynamische Mehrkörpersimulationen.

Multi-axial elastomeric bearing model for dynamic multi-body simulations.

74

Mehradrige Kabel in der Verlegesimulation.

Laying simulation for multi-core cables.

76

Beherrschung von Unsicherheit in aktiven lasttragenden Systemen.

Control of uncertainty in active load-bearing systems.

78


Die Dimensionierung der Komponenten von Arbeitsma-

schinen aus dem Bau- und Umschlagbereich erfolgte für

frühere Maschinengenerationen meist nur erfahrungsba-

siert. Erst in den letzten Jahren wurden gezielt Lastan-

nahmen und Belastungskollektive definiert, um die Kons-

truktionen optimal auslegen zu können. Im hier

dargestellten Kundenprojekt sollten zunächst diese Daten

für den Ausleger eines Materialhandlers bestimmt wer-

den, welcher vorrangig im Umschlagbetrieb eingesetzt

ist, um anschließend auf dieser Basis Festigkeitsversuche

durchführen zu können.

Betriebsmessungen

VomFraunhoferLBFwurdederAuslegerderMaterialum-

schlagmaschinemitumfangreicherMesstechnikbestückt:

Beschleunigungssensoren,rund40Dehnungsmessstreifenzur

BestimmungderBeanspruchungen,Winkel-undWegsensoren

zurBestimmungderLagepositionenundindividuellange-

fertigteKraftmessgliederzurErmittlungderKräftezwischen

GreiferundAusleger.MitdersoausgerüstetenMaschine

wurdenimBetriebseinsatzdiezuvordefiniertentypischen

Lastfällegemessen.

Eszeigtesich,dassderAuslegernichtnurdurchdieKräftedes

Greifersbeanspruchtwird,sonderndassauchdieTrägheits-

kräfte,hervorgerufendurchdieBewegungderMaschine,die

Beanspruchungenmaßgeblichbeeinflussen.Basierendaufden

realgemessenenBewegungenderMaschinewurdendiese

TrägheitskräfteübereinDynamikmodellberechnetundmit

denGreiferkräftenkombiniert.

HiermitkonnteerstmalsfürdieseMaschinedasAnforderungs-

profilinBezugaufdieBetriebsfestigkeitanwendungsbezogen

definiertwerden.DiesbetrifftsowohldiemaximalenEcklasten

fürdiestatischeAuslegungalsauchdieVerteilungeninForm

vonKollektiven.FürähnlicheMaschinenandererBaugrößen

lassensichhierausebenfallsineinfacherWeiseEinsatzdaten

ableiten.AbschließendwurdeausdiesenLastdateneine

verkürzteLast-ZeitfolgezurLaborerprobungdesAuslegers

abgeleitet.

Betriebsfestigkeitsversuche

ZurBewertungderaktuellenKonstruktionwurdenVersuche

amgesamtenAuslegerdurchgeführt,derhierzuaufeinem

großenVersuchsspannfeldimFraunhoferLBFaufgebaut

Contact: Andreas Herbert · Telephone: +49 6151 705 - 279 · [email protected]

Structural Durability of a material handler.

Betriebsfestigkeiteiner Materialumschlagmaschine.

Experimentelle Simulation: Prüfaufbau im großen Versuchsspannfeld des Fraunhofer LBF.Experimental simulation: test setup in the Fraunhofer LBF’s large span-testing facility.

S Y S T E M AT I S C H E B E L A S T U N G S A N A LY S E U N D B E T R I E B S L A S T E N V E R S U C H E

S Y S T E M AT I C L O A D A N A LY S I S A N D O P E R AT I N G L O A D T E S T S


caseshadbeeninvestigatedbymeansofmeasurements

duringfieldoperation.Endurancetestshavebeenperformed

onthestructureofthecompleteboomassemblybasedon

this load data.

wurde.StattdesGreiferswurdenservohydraulische

Belastungszylinderangebaut,überwelchedierelevanten

BetriebslastenrealitätsähnlichaufdieKonstruktion

aufgebrachtwurden.

AusdenverschiedenenMesssequenzenwurdeeinreprä-

sentativesBelastungsprogrammextrahiertundmitHilfevon

Labormessungensoabgeglichen,dassesdieBedingungen

deszuvordefiniertenBetriebseinsatzesinzeitlichdeutlich

geraffterFormsimuliert.DiegesamteMaschinenlebensdauer

konntehierimVersuchinnerhalbvonwenigenWochendurch-

laufenwerden.Dabeiwurdenalletypischenundextremen

Lastkombinationenberücksichtigt.DieZuverlässigkeitder

Neukonstruktionkonntesonachgewiesenwerden.

Customer Benefits Thecustomernowhasaclearlydefined

requirementfortheloadscenarioofthemachinebasedon

realoperations.Thismakesitpossibletodevelopstate-of-the-

artcomponentsforreliableuse.

SummaryMachinemanufacturerTerexFuchsclassifiedthe

operationofitsmaterialhandlersduringscraprecyclingby

definingtypicalloadcasesandtheirtimeslices.Theseload

Die Maschine im realen Einsatz.Typical machine employment.

Dehnungsmessstreifen an hochbelasteten Stellen der Maschine. Wire strain gauges on highly-stressed areas of the material handler.

Cristian Engelhardt, Head of Engineering, Terex Deutschland GmbH

„DurchdieZusammenarbeitundUnter-stützungdesFraunhoferLBFkonntenwirendlichunsereLebensdaueranalysevondertheoretischenSimulationbishinzumpraktischenPrüfstandslaufauseinerHandumsetzen.DieerhaltenenResultatebrachtenunsvielewertvolleErkenntnissefürdieBerechnungvonunserenStahlbau-komponenten.“

“WiththecooperationandsupportoftheFraunhoferLBF,wefinallyimplementedourfatigueanalysisfromtheoreticalsimulationtopracticalbenchtestingfromasinglesource.Theresultsobtainedprovideduswithawealthofvaluableknowledgeforthecalculationofourstructuralsteelcomponents.”

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Ein gutes Instandhaltungsmanagement im Schienengüter-

verkehr ist aus ökonomischer Sicht essenziell, um sich im

Wettbewerb gegenüber anderen Verkehrsträgern lang-

fristig zu behaupten. Eine ineffiziente Instandhaltung

verursacht unnötige Standzeiten und eine vorzeitige

technische Behandlung von Komponenten, die eigentlich

noch verwendbar wären, und somit hohe wirtschaftliche

Aufwendungen. Mit Sensoren, die den Zustand der Gü-

terwagen während des Betriebs überwachen, lässt sich

der Instandhaltungsprozess bedarfsgerechter gestalten.

Energieautarke Sensoren zur Überwachung von

Güterwagen

DieEntityinChargeofMaintenance(ECM)verantwortet

dieInstandhaltungvonGüterwagen,dienachregelmäßigen

Wartungsintervallenoderreaktivdurchgeführtwird.Der

tatsächlicheWagenzustandwirddabeimeisterstdurchdas

WartungspersonalindenWerkstättenfestgestellt,wasdem

eigentlichenInstandsetzungsbedarfnurbedingtgerechtwird.

EineVerbesserungdieserSituationdurcheinebedarfsge-

rechtereInstandhaltungsstrategiebringthohewirtschaftliche

VorteilefürdieECMgenausowiefürWagenhalter,Disponen-

tenundNutzer.ImRahmendesvomBundesministeriumfür

BildungundForschunggefördertenProjekts„Energieautarke

SensorsystemezurZustandsüberwachungvonGüterwagen

(ESZüG)“wirdgemeinsammitunterschiedlichenPartnernaus

WissenschaftundIndustrieeinSystemzurautomatisierten

undenergieautarkenInstandhaltungsplanungrealisiert.

EinesderKernthemenimJahr2014wardieEntwicklungvon

energieautarkenSensoren,dieunteranderemeinenSchaden

anderRadoberflächewährenddesBetriebserkennenund

dieMessdatenaneincomputergestütztesInstandhaltungs-

Management-Systemweiterleiten.

AmFraunhoferLBFwurdendazuvibrationsbasierteÜber-

wachungsalgorithmenzurDetektionvonRadabflachungen

entwickeltundanhandvongemessenenVibrationsdaten

sowieSimulationendesSchadensfortschrittsverifiziert.Dabei

standdieEnergieeffizienzdurchbeispielsweisesensornahe

DatenreduktionimVordergrund.Güterwagenverfügenim

AllgemeinennichtübereineelektrischeEnergieversorgung.

DeshalberzeugendieenergieautarkenSystemediebenötigte

elektrischeEnergiemitpiezoelektrischenGeneratorenausden

VibrationenamGüterwagen.

Contact: M. Eng. Michael Koch · Telephone: +49 6151 705 - 633 · [email protected]

Needs-based maintenance of freight cars.

BedarfsgerechteInstand- haltungvonGüterwagen.

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E N E R G I E A U TA R K E S E N S O R S Y S T E M E Z U R Z U S TA N D S Ü B E RWA C H U N G

E N E R G Y S E L F - S U F I C I E N T S E N S O R S F O R C O N D I T I O N M O N I T O R I N G


followingamoreneeds-basedmaintenancestrategybrings

excellenteconomicadvantagesfortheECMandequallyfor

freightcarowners,dispatchersandusers.

DadasSchwingungsverhaltenderVibrationsquellejedochvon

denBetriebseigenschaften(Fahrgeschwindigkeit,Beladung,

Streckenabschnitt,etc.)abhängt,wurdendieGeneratorenzu-

sammenmiteinemGeneratorherstelleranwendungsspezifisch

ausgelegt.

AnhandeinesdurchdasFraunhoferLBFentwickelten

SoftwaretoolshatderHerstellerjetztdieMöglichkeit,seine

GeneratorenmitHilfevonSimulationsmodellenzuparametrie-

renunddieverfügbareEnergieamentsprechendenEinsatzort

abzuschätzen.

Customer Benefits Energyself-sufficientsensorswhichcan

beretrofittedwithoutanymajoroutlay,identifywearon

systemcomponentsandenableactualmileageandloadstobe

recorded.TheFraunhoferLBFofferscompaniestheoptionto

develop,testandtrialsensorsforuseindifferentindustries.

SummaryTraditionally,themaintenanceoffreightcarsis

carriedoutatregularmaintenanceintervalsorreactivelyby

theEntityinChargeofMaintenance–ECM.Inthiscase,the

actualconditionofthecarisnotdiscoveredbytheworkshop

staffuntilitisintheworkshops.Thisdoesnotsatisfythe

legitimateneedformaintenance.Improvingthissituationby

Prototyp eines energieautarken Sensors instrumentiert an einem Vibrationsshaker im Labor.Prototype of an energy self-sufficient sensor instrumented on a vibration shaker in the laboratory.

Softwaretool zur anwendungsnahen Parametrierung von Generatoren.Software tool for application-oriented parameterization of generators.

FE-Modell eines piezoelektrischen Generators zur Energie-gewinnung aus den Vibrationen am Güterwagen. FE model of a piezoelectric generator for producing energy from the vibrations on the freight car.

Martin Ernst, Senior Project Manager, BASF SE, Rail and Site Services

„MitzuverlässigerenergieautarkerSensorikließesichdasInstandhaltungs-programmunsererGüterwagenflottestärkeramtatsächlichentechnischenZustanddesFahrzeugsausrichten. GeradederEinsatzvonKesselwagenmitehergeringenLaufleistungenwirddadurchwirtschaftlicher−beigleichbleibendhohemSicherheitsniveauderEisenbahn.” “Withreliableandenergy-autonomoussensorswecouldalignthemaintenanceprogrammeofourfleet.Operationofrailtankcarsusuallyresultsinlowmileage.Thereforbenefitsincostssavingscanbeexpectedifmaintenanceorientsontheactualtechnicalconditionofawagonandsimultaneouslykeepsthehighsafetylevelofraillogistics.“


Moderne Windenergieanlagen sind mit einer Vielzahl von

Sensoren ausgestattet, die den Zustand einer Anlage ins-

besondere im Bereich von Antriebsstrang und Generator

erfassen. Während sich kommerziell verfügbare Messsys-

teme hierfür etabliert haben, stellt die Überwachung von

Turm, Fundament und Rotorblättern den Betreiber vor

Herausforderungen. Gleichzeitig erfordert der verstärkte

Ausbau der Windenergie hierfür zuverlässige, kostenwirk-

same Lösungen.

Überwachung des Turms einer Windenergieanlage

IndemvomLandHessengefördertenProjektANÜBeShaben

sichWissenschaftlerdesFraunhoferLBFgemeinsammitder

SWIFTGesellschaftfürMesswerterfassungssystemembHder

HerausforderungderschwingungstechnischenÜberwachung

großerBauwerkeangenommen.Zielwares,mitHilfedes

SensornetzwerkeswiederholtundautonommodaleParameter

zuermitteln.DiesesollenspäteralsEingangsgrößenfür

MethodenderStrukturüberwachungherangezogenwerden.

UmdasentwickelteSystemauchfüreinennachträglichen

Einbauinteressantzumachen,sollteeindezentralerAufbau

denVerkabelungsaufwandwesentlichverringern.

Als„Versuchsobjekt“dientederTurmeinerWindenergieanlage

miteinerNennleistungvonzweiMegawattimnahegelegenen

Odenwald.HieranwurdeeinSystemfürdieautonomeLang-

zeitdatenerfassungund-analyseentwickeltundumgesetzt.Eine

BesonderheitdesSystemsist,dassderZustandderStrukturnur

aufGrundlagederdurchWindanregungundBetrieberregten

Schwingungenbestimmtwird,d.h.esistkeinekünstliche

Anregungerforderlich.

DasimProjektANÜBeSentwickelteNetzwerkbestehtausfünf

intelligentenSensorknoten,dieverteiltüberdieTurmhöheauf

verschiedenenPositioneninstalliertwurden.JederSensorknoten

erfasstdabeiüberzweiinterneundeinenexternenSensor

BeschleunigungenamUmfangdesTurms.DieMessdaten

werdenaufdemSensorknotenvorverarbeitetundübereine

Bus-Struktur–unddahermitsehrgeringemVerkabelungsauf-

wand–kommuniziert.DieSchwingungendesTurmswerden

hinsichtlichEigenfrequenzen,vorallemaberderEigenschwing-

formen,ausgewertet.AnschließendwerdendieerfasstenDaten

mitUmwelt-undProzessparameternausderAnlagensteuerung

verknüpftundeswerdeninZehn-Minuten-Abständendie

genanntenmodalenParametermitMethodenderOperational

ModelAnalysisgeschätzt.DieseDatenbildendieGrundlagefür

dieDetektionvonAnomalitätenwiez.B.SchädenamTurm.

Customer BenefitsIncooperationwithSWIFTGmbH,the

FraunhoferLBFoffersintelligentsensornetworksasmeasuring

Smart sensor network for monitoring large structures.

SmartesSensornetzwerkzur ÜberwachunggroßerBauwerke.

A U T O N O M E L A N G Z E I T D AT E N E R FA S S U N G U N D - A N A LY S E

S TA N D - A L O N E L O N G - T E R M D ATA A C Q U I S I T I O N A N D A N A LY S I S

Contact: Thomas Siebel · Telephone: +49 6151 705 - 8288 · [email protected]


andcontinuouslybyevaluatingthevibrationsarisingduring

operation,e.g.causedbywind.

hardwarefordeterminingthevibrationcharacteristicsoflarge

structures.Ownersandoperatorsofstructures,suchaswind

turbines,bridgesandindustrialfacilities,thushaveanauto-

nomousmeansofrecordingtheirconditionduringoperation

atshortandregularintervals.Inthiscase,onlyvibrationsthat

existduringoperationareevaluatedandnoartificialexcitation

isrequired.Thesensornetworkcanbeadaptedflexiblyto

differentstructuresandisalsosuitableforretrofitting.

SummaryAspartoftheANÜBeSproject–AutonomesNetz-

werkzurÜberwachungvonBelastungundSchwingverhalten

[AutonomousNetworkforMonitoringLoadsandVibration

Behavior]–asensornetworkwasdevelopedforautonomously

monitoringtheconditionoflargestructures.Thesensor

networkdevelopedincooperationwithSWIFTGmbHrecords

vibrationsatdifferentpositionsdistributedoverastructure.The

modalparameters,basedonwhichthestructure’sconditionis

assessed,areextractedatacentralunit.

Recordingthedataforoperationalmodalanalysesusually

requiresconsiderabletimeandexpenseandcanonlybecarried

outbyqualifiedstaff.Bycomparison,thesensornetwork

developedcanbeinstalledpermanentlywithaminimumof

effort.Thestructurecanalsobemonitoredautonomously

Renate Dickler-Schütz, GeschäftsführerinSWIFT GmbH, Reinheim

„DankderengenundkonstruktivenZu-sammenarbeitenmitdemFraunhoferLBFhabenwirunserProduktportfolioumeinimMarkteinzigartigesSystemzurSchwin-gungsuntersuchungerweiternkönnen.WesentlichwardabeidieumfangreichewissenschaftlicheUnterstützungdurchdasFraunhoferLBF.OhnedieseundohnediefinanzielleFörderungdurchdasLandHessenwäreeineRealisierungkaummöglichgewesen.“

“ThankstothecloseandconstructivecooperationwiththeFraunhoferLBF,wehaveexpandedourproductportfoliowithauniquesystemforvibrationanalysis.MostimportantbasiswastheextensivescientificsupportbyFraunhoferLBF.ThesuccessfulimplementationwouldnothavebeenpossiblewithoutthissupportaswellasthefinancialassistancefromthestateofHessenforasmallandmedium-sizedcompanylikeSWIFT.“

Smartes Sensornetzwerk.Smart sensor network.

Sensornetzwerk und Berechnung modaler Parameter.Sensor network in use on a wind turbine (left) and calculation of modal parameters (right).


Neue technische Systeme, wie beispielsweise HV-Batterie-

systeme, zeichnen sich durch eine stetig zunehmende

Komplexität aus. Um die aussagekräftige Prüfung von

Funktion, Lebensdauer und Zuverlässigkeit solcher Systeme

sicherzustellen, müssen neue Prüfstände diesen komple-

xen Anforderungen genügen. Nach drei Jahren Planung,

Bau und Einrichtung mit Mess- und Prüfaufbauten konnte

jetzt das neue Gebäude für dynamische Prüfung im Zent-

rum für Systemzuverlässigkeit in Darmstadt in Betrieb ge-

nommen werden. In diesem Gebäude können ab 2015

auch HV-Batterieprüfungen durchgeführt werden. Das

Fraunhofer LBF hat insgesamt drei Mio. Euro investiert und

einen einzigartigen Prüfstand aufgestellt.

Leistungsstarker Prüfstand

DasFraunhoferLBFhatsichbeiderWahldesPrüfstandesfür

einenSchwingtischderFa.Moogmit6-DOFentschieden,mit

demesmöglichist,eineLastvonbiszu1Tonneundeinermaxi-

malenFrequenzvon200Hzzutesten(bei600kgu.150Hz/

300kgu.200Hz).ErgänztwirddieserMulti Achsiale

SchwingTisch(MAST)durcheinegroßeKlimakammerderFa.

WeißmiteinemTemperaturbereichvon-40°Cbis+80°Cund

Temperaturgradientenvon4K/min(Aufheizenu.Abkühlen).

DieMaßederKlimakammerbetragen4,4x4x3,5m³BxTxH.

DarinkönnenaußerHV-BatterienauchanderegroßeKompo-

nentenundSystememechanischundunterUmweltbelastungen

getestetwerden.VervollständigtwirddieserPrüfstanddurch

einenleistungsstarkenBatterietesterBTderFa.Kratzer.Mitden

Leistungsdatenvon±800Aund800VbeieinerI/U-Anstiegs-

zeitvon<=0,5msistdasFraunhoferLBFauchfürdiePrüfung

zukünftigerHV-Batterienüber400Vbestensausgerüstet.Ins-

besonderedasZusammen-undWechselspielderverschiedenen

produktabhängigentechnischenDomänen–z.B.Mechanik,

Elektrik,Software,Fluid-undThermodynamik–stelltsomitdie

EntwicklungsingenieureimSinnederSystembewertungvor

großeHerausforderungen.EinenSchwerpunktderAktivitäten

imneuenZentrumfürSystemzuverlässigkeitZSZ-ewirddeshalb

diemulti-disziplinäreAnalyseundOptimierungvonkomplexen

Systemendarstellen.

AuchbeidenentwicklungsbegleitendenHardware-Prüfungenist

dermulti-disziplinäreAnalyseansatzvonbesondererWichtigkeit.

NurdurchdieAufstellungundRealisierungganzheitlicher

PrüfprogrammekanndiezubewertendeKomplexitätversuchs-

technischerfasstwerden.DieEntwicklungeinerMethodezur

Bewertungvongleichzeitigwirkendenmechanischen,elektri-

schen,thermischenundUmweltbelastungenisteinbesonderer

Schwerpunkt–jeweilsabgestimmtaufdaszuprüfendeSystem

Contact: Dr. Chalid el Dsoki · Telephone: +49 6151 705 - 8490 · [email protected]

Tests on HV batteries.

PrüfungenvonHV-Batterien.

F U N K T I O N , L E B E N S D A U E R , Z U V E R L Ä S S I G K E I T

F U N C T I O N , L I F E T I M E , R E L I A B I L I T Y

Leistungsstark: der neue Batterie- prüfstand im Fraunhofer LBF.High-powered: the new battery test bench in the Fraunhofer LBF.


SummaryThesafetyandreliabilityofelectricvehiclescarries

thesameweightintermsofcustomeracceptanceascomfort

andpricefactors.TheFraunhoferLBFisthereforeworkinghand

inhandwithindustrialandresearchpartnersonthedevelop-

mentofdesignandtestingmethodsforelectricvehicles.From

componenttowholesystem.Thenewbuildingfordynamic

testinghasbeencompletedattheFraunhoferLBFaspartofthe

overallproject“CenterforSystemReliabilityZSZ-e”.HVbattery

testswillbeperformedinthisbuildingasof2015.Together

theCenterforSystemReliabilityandthebatterytestbench

createasoundbasisforadvancing“reliableelectromobility”by

employingcustomizedR&Dservices.

insbesonderefürHV-Speicher.DasZSZ-ewirdzurEntwicklung

geeigneterPrüfprozedurenauchunterderErmittlungrepräsen-

tativerLastkollektivediegezielteVerbindungvonNumerikund

ExperimentzurRealisierungeffizienterFunktions-undZuverläs-

sigkeitsprüfungen,vereinfachterPrüfungenundPrüfrichtlinien

ableiten.EinenFokuswirddaherdieganzheitlichePrüfungder

BetriebsfestigkeitundSystemzuverlässigkeitvonBatteriesystemen

fürElektrofahrzeugedarstellen.

Customer BenefitsTheFraunhoferLBFoffersitscustomers

andpartnersawiderangeofattractiveskillsandservicesper-

tainingto“Safetyandreliabilityofelectricvehicles”,including

•Determinationandanalysisofloaddata

•Designbasedonstructuralmechanicsand

operationalstability

•Safetyandreliabilityassessmentbymeansof

ASILandFMEAand

•Functionalandfatiguelifetestingofcomponents

andsystems.

Infuture,safetyandreliabilityissuesinparticularwillbe

addressedinthe“CenterforSystemReliabilitywithFocus

onElectromobilityZSZ-e”.Fromthenon,inadditionto

addressingmanyothertopics,itwillbepossibletocarryout

operationalstabilityandreliabilitytestingofbatterysystems.

Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben ein 10 kWh Batteriesystem mit eigensicheren LFP-Zellen sowie integriertem Batterie-Manage-mentsystem entwickelt und aufgebaut. Es dient unter anderem für die Inbetriebnahme des neuen Batterietesters in Darmstadt. Scientists of the Fraunhofer LBF have developed and constructed a 10 kWh battery system with intrinsically safe LFP cells and an integrated battery management system. Among other things, it will be used for commissioning the new battery tester in Darmstadt.


Nach erfolgreicher Ausrüstung der Fraunhofer LBF-For-

schungsflotte am Zentrum für Systemzuverlässigkeit zum

Januar 2014 konnten im März weitere Fahrzeuge in die

Testphase integriert werden. Neben Smarts (Elektro,

Benziner) und einem Nissan Leaf werden für festgelegte

Referenzstrecken und dynamische Testrouten zwei

BMW i3 (1x elektrisch, 1x mit Range Extender) und vor

allem ein Tesla Model S intensiv eingesetzt.

Elektromobilität im Einsatz

DenbeeindruckendenVerbrauchswertennachAngaben

desNeuenEuropäischenFahrzyklusNEFZstehenauchbei

E-FahrzeugenteilweiseernüchterndeZahlendererfahrenen

Realitätgegenüber.DasFraunhoferLBFhatandiesemPunkt

angesetztundbasierendaufStatistikenzuFahrstrecken

aufAutobahnensowieimInnerorts-undAußerortsverkehr

sowieaufBasiseigenerErhebungeneineknapp80kmlange

ReferenzstreckedurchDarmstadtundUmgebungentwickelt,die

einetypischeFahrzeugnutzunginBallungsräumenbeschreibt.

GegenüberstatistischenDurchschnittswertenwurdediese

ReferenzstreckebewusstinRichtunggrößererFahrstreckenanteile

innerortsverschobensowiedieinMetropolregionenvorhandene

guteAnbindunganBundesautobahnenberücksichtigt.

Typische Referenzstrecke

UmtypischeEnergieverbräuche,TemperaturverläufeinE-Motor

undBatteriesystemundzugleichWirkungsgradezuerfassen,

wurdenStreckenparameterwieVerbindungsfunktionsstufen,

Höhenprofilund-differenz,StreckenanteilimMischverkehrsowie

HäufigkeitvonKreisbogenfahrtenabgebildet,umdieBeschleuni-

gungswerteundbelastungsseitigwechselndeTraktionsmomente

anspruchsvollzugestalten.

ZurAufnahme,VerarbeitungundAuswertungderMessdaten

sinddieFahrzeugemitindividuellen,zueinemgroßenTeilin

EigenentwicklungentstandenenMesssystemen,ausgerüstet,

diedemwissenschaftlichenFokusdesjeweiligenFahrzeugs

gerechtwerden.NebenderDurchführungvonBewertungenzur

WärmeentwicklunginPermanentmagnetenderElektromotoren

imFraunhofer-LeitprojektKritikalität seltener Erden,werden

UntersuchungenzuBatteriesystemundNutzerverhaltenim

RahmenderForschungsprojekteWell2Battery2Wheel und

Well2Wheeldurchgeführt.LetzteresdurchleuchtetdenEinsatz

vonElektrofahrzeugenalsmobileZwischenspeicherfürelektri-

scheEnergieimVerteilnetz,umhiermöglichePotentialefürNut-

zerundEnergieversorgerherauszustellen.Well2Battery2Wheel

hingegenbetrachtetdieIntegrationderElektrofahrzeugeins

SmartGridausgehendvonderBatterie.Wiesehentypische

Contact: Christian Debes · Telephone: +49 6151 705 - 8382 · [email protected]

Electromobility on the right track.

Elektromobilitätauf demrichtigenWeg.

F R A U N H O F E R L B F F O R S C H U N G S F L O T T E U N T E R W E G S A U F R E F E R E N Z S T R E C K E N

F R A U N H O F E R L B F R E S E A R C H F L E E T O N T H E W A Y O N R E F E R E N C E R O U T E S

Datenerfassung und Anzeige im Nissan Leaf.Data acquisition and display in the Nissan Leaf.


developmentandoptimizationintheelectromobilitysector.

Afast-chargingstationwasaddedtothecharginginfrastruc-

tureintheFraunhoferLBFtomakethesemileagespossible.

SummaryAdditionsweremadetotheFraunhoferLBFresearch

fleetwithfurtherelectricvehiclesofsegmentsAtoDwhich

wereequippedwithmeasuringsystemstorepresentthe

completerangeandtotakeintoaccountamaximumnumber

ofusecases.Integratedinvariousdevelopmentprojects,the

focusamongtheelectricvehiclesisontemperaturecurvesin

theengine,electricloadsonthebatteryanduserbehavior.The

optionoffastrechargingforeveryvehiclemeantthatitwas

possibletodrivemanykilometersandobtaininterestingresults.

Lade-undEntladezyklenaus,undwelcheindividuellenEinflüsse

aufdieBatteriesindz.B.vonUmfeldundNutzererkennbar?Mit

denerfasstenDegradationserscheinungenwerdenAussagenzur

LebensdauerdesEnergiespeichersgetroffenundPurpose-Design-

Grundsätzeabgeleitet.

Customer Benefi tsDuringthenecessaryascertainment

ofmechanical,thermalandelectricalloadsonthebattery

system,theNissanLeafalonewasdrivenaround2,000kmon

referenceroutesinJuly2014.Thefrontrunneroftheresearch

fleetwastheTeslawhichtraveledover2,500kminAugust,

includingbusinesstripsandtripstoandfromtheworkplace.

Scientificassessmentsbasedonthisenabletargeted

Typische Routenabschnitte der Fraunhofer LBF-Referenzstrecke: innerorts (links) und auf der Landstraße (rechts).Typical route sections of the Fraunhofer LBF reference route: in town (left) and on rural roads (right).

Fahrleistungen der Fraunhofer LBF-Forschungsfl otte 2014.Mileages of the Fraunhofer LBF research fl eet 2014.


Dynamische Systeme werden hinsichtlich Schwingungs-

verhalten und Lastamplituden wesentlich durch das kom-

plexe Übertragungsverhalten der Elastomerlager beein-

flusst. In der Simulation stehen hierfür je nach

Simulationsziel und verfügbarer Datenbasis Elastomerla-

germodelle unterschiedlicher Detailierungsgrade zur Ver-

fügung. Am Fraunhofer LBF wurde ein Modell für Elasto-

merlager zum Einsatz in dynamischen Mehrkörpersystemen

entwickelt, welches über den Stand der Technik hinausge-

hend, mehraxiale Koppeleffekte berücksichtigt.

Koppeleffekte in Elastomerlagern

Elastomereweiseneinnichtlinearesvisko-elastischesMaterial-

verhaltenauf.ZurmathematischenBeschreibungkönnenFeder-

undDämpferelementejenacherforderlicherSimulationsgüte

undverfügbarerParameterkombiniertwerden.InersterNähe-

rungkanneinKelvin-Voigt-Modell–eineparalleleSchaltung

jeeinerwegabhängigenundgeschwindigkeitsabhängigen

KraftformulierunginlinearerForm–ausreichendsein.Üblichfür

diewegabhängigeKraftformulierungistjedocheinenichtlineare

Beschreibung.DurchAbbildungeinerderSteifigkeitskennlinie

überlagertenHysteresewirddarüberhinauseineweitaus

höhereSimulationsgüteerzielt.DasKelvin-Voigt-Modellhat

einebeschränkteGültigkeitaufeinenArbeitspunktbzw.einen

sehrschmalenFrequenzbereich.DurchdieKombinationmit

anderenElementen(z.B.Maxwell-Elemente)kanndieErwei-

terungaufeinenbreitenFrequenzbereicherzieltwerden.Das

amFraunhoferLBFentwickelteElastomerlagermodellumfasst

Modellansätzefürdieweg-undgeschwindigkeitsabhängigen

TermeentsprechenddemskizziertenStandderTechnik.Mit

dieserModellierungkannbereitseinehoheErgebnisgüte

erreichtwerden.DerzeitigwerdeninderProduktentwicklung

imWesentlichenLagermodellemitvollständigentkoppelter

AbbildungdersechsBewegungsfreiheitsgradeeingesetzt.

ExperimentelleUntersuchungenamFraunhoferLBFhaben

gezeigt,dassdasÜbertragungsverhaltenvonElastomerlagern

ineinerBelastungsrichtungdeutlichvariierenkann,sofern

mindestensineinerweiterenRichtungzeitsynchroneine

signifikanteBelastungauftritt.Dieskannbeispielsweiseder

Fallsein,wennstatischeVorlastenvariierenoderBetriebslasten

nichtdominantausgeprägtineinerderLagerachsenauftreten.

AufbauendaufdiesenErkenntnissenwurdedasSimulati-

Contact: Riccardo Möller · Telephone: +49 6151 705 - 408 · [email protected]

Multi-axial elastomeric bearing model for dynamic multi-body simulations.

MultiaxialesElastomerlager- modellfürdynamische Mehrkörpersimulationen.

A N W E N D U N G S FA L L F Ü R E L A S T O M E R L A G E R M O D E L L E

A P P L I C AT I O N C A S E O F E L A S T O M E R I C B E A R I N G M O D E L L


whichareintendedtoreflecttheirbehavioroptimally,areused

inthenumericaldesignandvalidationprocessofthesesystems.

Amodelofelastomericbearingsfordynamicmulti-body

simulationwasdevelopedatFraunhoferLBF,inordertosupport

thisdesignandvalidationprocess.Itwasdeducedfromthe

experimentalinvestigations,thatcouplingeffectsoccurbet-

weentheindividualdegreesoffreedominelastomericbearings

undermulti-axialstress.Thefunctionalityoftheelastomeric

bearingmodeldevelopedatFraunhoferLBFwasextended

byincludingthosecouplingeffects.Thisallowsachievinga

significantincreaseintheresultqualityinthesimulation.

onsmodellfürElastomerlageramFraunhoferLBFumdieaus

experimentellenUntersuchungenabgeleitetenKoppelterme

erweitert.BesondersausgeprägtkonntendabeiKoppeleffekte

fürdiewegabhängigenKraftanteileidentifiziertwerden.Die

ErweiterungdesSimulationsmodellsgehteinhermitderAnpas-

sungderBauteilcharakterisierungsowiederParametrierung,da

dieKoppeleffektederFreiheitsgrademiteinementsprechenden

PrüfaufbaumesstechnischerfasstundindenParametern

verarbeitetwerdenmüssen.

Customer BenefitsUsingthemulti-axialelastomericbearing

modelindynamicmulti-bodysimulationoffersadvantagesfor

systems,whoseelastomericbearingsarestressedmulti-axially

andsynchronously.Thebearingmodelcanbeusedtoachieve

asignificantimprovementinthequalityofresults.Furthermore,

integratingallthesixdegreesoffreedomofanelastomeric

bearinginoneelementresultsinsimplifieddatahandlingand

reductionofthemodelingoutlay.

SummaryElastomericbearingsareimportantpartsofmany

technicalsystems.Simulationmodelsofelastomericbearings,

Beispiel eines Fahrwerklagers.Sample of suspension mount.

Bauteilkennlinien (Hauptlastrichtung) unter multiaxialer Belastung.Bearing characteristic (main loading direction) under multi-axial loading.

Vergleich der gemessenen und simulierten Kraftverläufe im Elastomerlager unter multiaxialer Belastung. Comparison of measured and simulated force in elastomeric bearing under multi-axial loading.

„ Mit experimentellen Charak-terisierungen parametrieren wir multiaxiale Elastomer-lagermodelle für die MKS mit hoher Simulationsgüte.“

RiccardoMöller,FraunhoferLBF


In der Automobilindustrie hat das Thema Verkabelungen

in der Produktentstehung einen hohen Stellenwert. Zur

Simulation des Verlegeprozesses von Kabeln und Lei-

tungssätzen sind Zug-, Torsions- und Biegesteifigkeiten

relevante Parameter. Diese Werte können durch Experi-

mente an jedem Kabel und an jedem Querschnitt eines

Kabelbaumsegments bestimmt werden. Durch die große

Anzahl notwendiger Versuche wird dieses Vorgehen bei

Kabelbaumsegmenten nicht mehr wirtschaftlich tragbar

und praktisch kaum umsetzbar. Daher wurde gemeinsam

mit der Daimler AG ein numerisches Konzept zur Bestim-

mung der Steifigkeitswerte entwickelt, dass zunächst für

ein- und mehradrige Kabel umgesetzt wurde und zukünf-

tig für Kabelbaumsegmente im Rahmen des ITEA3-

Projekts „Idealism“ erweitert wird.

Numerische und experimentelle Ermittlung von

Kabelsteifigkeiten

DafürdieBerechnungderSteifigkeitvonKabelnverschiedene

EffektewiePlastizität,großeVerformungen,Kontakteund

nichtlinearesMaterialverhalteneineRollespielen,istdieVer-

wendungeinesFEM-Toolssinnvoll.BeiderFEM-Modellierung

derKabelwurdebesondererWertaufdieFlexibilitätund

ParametrisierbarkeitderGeometrieunddieUnterstützung

vonverseiltenundverdrilltenKabeladerngelegt.Weiterhin

wurdedieModellierungundAnalyseineinenautomatisierten

Prozesseingebettet,umohneweitereEingriffeeinesBedieners

reproduzierbarSteifigkeitswertezuerzeugen.IndieFEM-Um-

gebungAnsyseingebundenePython,JScriptsundXMLSkripte

ermöglichendieeinfacheundautomatischeBerechnungeiner

hohenAnzahlverschiedenerKabel.

DieberechnetenSteifigkeitensindabhängigvondenGeome-

trie-undMaterialeigenschaften.DadiesegroßenToleranzen

unterliegen,müsseninausführlichenUntersuchungendie

sensibelstenParameterermitteltwerden.MitdiesemWissen

lassensichdanndieunterenundoberenGrenzwertefürdie

Steifigkeiteneinfachberechnen.

FürdiemechanischePrüfungvonKabelnsindkeineMessvor-

schriftenoderstandardisierteMethodenbekannt,daherwur-

deeinneuesVorgehendefiniert,welchesdieexperimentellen

undnumerischenBelangeberücksichtigt.FürdenAbgleichder

numerischenSimulationenwurdenumfassendeexperimentelle

UntersuchungenzurBestimmungvonKabelsteifigkeiten

durchgeführt.SomitkonntenZug-,Biegung-undTorsions-

steifigkeitenbeliebigermehradrigerKabelexperimentellund

numerischermitteltwerden.DieserProzesssollinZukunftauf

ganzeKabelbaumsegmenteerweitertwerden.

Contact: Heiko Atzrodt · Telephone: +49 6151 705 - 349 · [email protected]

Laying simulation for multi-core cables.

MehradrigeKabelin derVerlegesimulation.

B E S T I M M U N G D E R S T E I F I G K E I T E N

D E T E R M I N I N G T H E S T I F F N E S S


Customer Benefi tsTheFraunhoferLBFhasamassedskillsin

themodelingandmeasurementofmulti-corecables.Using

thisexpertise,itispossibletodeterminetheinputparameters

forlayingsimulationsofmulti-corecablesbothnumerically

andexperimentally.Automationofthiscomplexcalculation

taskhasalsobeensuccessfullyachieved,makingitpossibleto

useitevenwithoutknowledgeofFEM.Thisprocesscanbe

transferredtoawiderangeofmechanicalsystems.

SummaryThestiffnessesofcablesandcableharnesssections

arerequiredtosimulatethelayingofcablesandcableharness.

TheFraunhoferLBFjointlywithDaimlerAGhasdeveloped

experimentalandnumericalmethodsforthedetermination

ofmulti-corecables.Inthiscasethemodelingandanalysis

proceduresupportsstrandedandtwistedcablecoreswith

friction-afflictedinternalcontacts,largedeformationsand

plasticallydeformablecomponents.Theresultsforsingle

andmulti-corecableswerecomparedwithresultsfromthe

experimentalinvestigations.Themethodsdevelopedwillbe

extendedtocableharnesssegmentsastheworkcontinues.

Experimentelle Ermittlung der Steifi gkeit über das Kraft-Weg Diagramm. Experimental determination of the stiffness using the load-displacement diagram.

Simulationsmodell eines mehradrigen Kabels.Simulation model of a multi-core cable.

Guenter Schmidgall, Production oriented Product validation, Daimler AG

„DurchdieZusammenarbeitmitdemFraunhoferLBFkonntedieDaimlerAGneuesWissenundErkenntnisseüberdiemechanischenEigenschaftenvonKabelnerlangen.DasFraunhoferLBFhatdabeidienotwendigenKompetenzenimexperimentellenundnumerischenBereicheingebracht.“

“AsaresultofthecooperationwiththeFraunhoferLBF,DaimlerAGobtainednewknowledgeandunderstandingofthemechanicalpropertiesofcables.Inthiscase,theFraunhoferLBFcontributedthenecessaryskillsintheexperimentalandnumericalfield.“


Unsicherheit tritt auf, wenn Produkt- oder Prozesseigen-

schaften eines Systems nicht oder nur eingeschränkt de-

terminiert werden können. Wie kann Unsicherheit in zeit-

lich veränderlichen, lasttragenden Systemen beschrieben

werden? Wie kann Unsicherheit in passiven und aktiven

Systemen verglichen und bewertet werden? Kann Unsi-

cherheit durch aktive Systeme erfolgreicher beherrscht

werden als in passiven Systemen? Mit diesen Fragen be-

schäftigt sich u. a. der von der Deutschen Forschungsge-

meinschaft DFG geförderte Sonderforschungsbereich SFB

805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Sys-

temen des Maschinenbaus“.

Bewertung von Unsicherheit in passiven und aktiven

Systemen

JedesProduktdesMaschinenbausdurchläuftwährendseines

ProduktlebenslaufsverschiedenePhaseninderEntwicklung,

ProduktionundNutzung.InderEntwicklungreichendiePhasen

vonderIdeebishinzumEntwurfundderKonstruktion.Inder

ProduktionreichensievonderWerkstoff-biszurBauteilher-

stellungundinderNutzungvondererstenInbetriebnahme

biszumEndederBetriebsdauer.InProzessenallerPhasentritt

Unsicherheitauf,diemaßgeblichdieProdukt-undProzess-

eigenschaftenbeeinflusst.ImRahmendesSFB805werden

Methodenentwickelt,diezumeinenlebensphasenübergreifend

Unsicherheitbeschreibenundbewertenundzumanderen

Unsicherheitu.a.durchdenEinsatzaktiverTechnologien

beherrschen.DieseFragestellungenwerdenvoneineminterdis-

ziplinärenTeamausMathematikernundIngenieurenbearbeitet.

DieHäufigkeitsichausprägenderProdukt-undProzesseigen-

schaftenkanninVerteilungsdichtefunktionen,dieausderZu-

verlässigkeitstechnikbekanntsind,dargestelltwerden(Abb.1).

UnsicherheitinlasttragendenSystemenmachtsichz.B.als

StreuunginderHäufigkeitvonBelastungundBelastbarkeitum

dieErwartungswertederBelastungNBundBelastbarkeitNG,W

bemerkbar.EinZielistes,durchaktiveTechnologienz.B.die

BelastbarkeitNAaktivzuerhöhenunddamitdenEinsatzbereich

bzw.SicherheitsbeiwertSzuerweiternundeinVersagenim

BereichsichüberschneidenderVerteilungsdichtefunktionenzu

verhindern.

Control of uncertainty in active load-bearing systems.

BeherrschungvonUnsicherheitinaktivenlasttragendenSystemen.

M E T H O D E N U N D T E C H N O L O G I E N

M E T H O D S A N D T E C H N O L O G I E S

Contact: Georg Enß · Telephone: +49 6151 705 - 8249 · [email protected]. Roland Platz · Telephone: +49 6151 705 - 288 · [email protected]

SummaryTheCollaborativeResearchCentreSFB805“Control

ofUncertaintyinLoad-CarryingSystemsinMechanicalEnginee-

ring“ispubliclyfundedbytheGermanResearchFoundation

DFGsince2009.ThegroupSystemReliabilityandMachine

AcousticsSzMatTUDarmstadtisparticipatingwiththree

subprojects.Amongothers,theydealwiththecomparison

ofpassiveandactivesystemsforvibrationattenuation,load

distributionandbucklingcontrol.Controlofuncertaintyin

thesefieldsisachievedby,first,descriptionandevaluation

ofuncertaintyand,second,solutionstocontroluncertainty,

e.g.bymeansofactivesystems.Thedevelopedmethodsand

technologiesaretestednumericallyandexperimentally.

DieserZusammenhangwirdu.a.amBeispielderaktivenSta-

bilisierunggegenKnickeneineraxialbelastetenBalkenstruktur

aneinemdafürentwickeltenPrüfstanddemonstriert(Abb.2).

ExperimentellkannamPrüfstanddieErhöhungderertragbaren

Axiallastum40%oberhalbderkritischenKnicklastfüreinen

geregeltenflachenBalkenreproduzierbarnachgewiesen

werden.DarüberhinauszeigtdasBeispiel,dassdieStreuung

derertragbarenLastimaktivenSystemca.umdenFaktor4

kleineristalsimvergleichbarenpassivenSystem.DerVergleich

despassivenmitdemaktivenSystemzeigt,dassdasaktive

SystemsowohleinenerweitertenEinsatzbereichalsaucheine

Beherrschungbzw.ReduktionderUnsicherheitliefert.

Customer BenefitsThedevelopedmethodologyenables

theanalysisandcomparisonofuncertaintyinpassiveand

activeload-bearingsystems.Byevaluatinguncertaintyduring

thedevelopmentprocess,uncertaintymaybecontrolled

duringoperationofdynamicstructurese.g.bymeansof

activesystems.

Vergleich der Verteilungsdichtefunktion der Belastung sowie Belastbarkeit eines passiven und aktiven lasttragenden Systems.Comparison of frequency distribution density of loading as well as load capacity of a passive and active load-bearing system.

Prüfstand (Tischaufbau) zur Beherrschung von Unsicherheit in der aktiven Stabilisierung gegen Knicken. Test rig to control uncertainty with active buckling control.


www.sfb805.tu-darmstadt.de


Polymertechnik mitSystem.SystematicPolymerTechnology.

Umweltfreundliche, kratzfeste Lacke.

Eco-friendly scratch resistant coatings.

82

Schnelle Bestimmung des Phasenverhaltens von Polymermischungen.

Rapid determination of phase behavior of polymer mixtures.

84

Emissionsreduzierte Kunststoffcompounds.

Low emission plastic materials.

86

Schwingfestigkeitsversuche und Material charakterisierung an Elastomeren.

Cyclic fatigue testing and material characterization of elastomers.

88


Beschichtungen für Hölzer und Kunststoffe sind in unse-

rem Leben allgegenwärtig. Das Design, die Funktion und

die Lebensdauer von Produkten werden schon durch einen

dünnen Lackfilm maßgeblich positiv beeinflusst. Kommer-

ziell erhältliche Lacksysteme enthalten oftmals einen An-

teil gesundheitlich bedenklicher flüchtiger Komponenten.

Das Fraunhofer LBF erarbeitet daher Lösungsansätze zur

Minimierung gesundheitlicher Risiken bei gleichzeitigem

Erhalt des Eigenschaftsprofils der Lacke.

Maßgeschneiderte Silikapartikel als Füllstoffe in Lacken

MarktüblicheBinderfüremissionsarmeLacke,dievorOrtvom

KundenselbstmiteinfacherTechnikappliziertwerdenkönnen,

sindbeispielsweisewässrigeDispersionenvonPolyurethanparti-

keln.NachdemAnstrichverdunstetdasWasserundesverbleibt

dieeigentlicheLackschicht.DamitnachdemEintrocknender

DispersioneinhomogenerundgeschlossenerFilmentsteht,muss

dasPolymerweichgenugsein,umbeimoderatenTemperaturen

zusammenzufließen.DieseFilmbildungseigenschaftstehtim

direktenWiderspruchzueinergefordertenKratzfestigkeit.

SystembedingtstelltalsodieVerknüpfungvonumweltfreund-

licherenBindemittelnaufWasserbasismiteinerverbesserten

KratzfestigkeiteinegroßeHerausforderungdar.ErsteFortschritte

werdendurchdasEinbringenvonSilika-Partikelnerzielt.Hierbei

werdenoftmalsinihrerFormundefiniertepyrogeneKieselsäuren

indenLackeingearbeitet,waszwardieKratzfestigkeitverbessert,

jedochmassiveEinbußendesGlanzesundderTransparenzmit

sichbringt.WasserbasierteHolzbeschichtungenmithohem

Silika-AnteilneigenaußerdemzumVergrauen,sodassdieOptik

dernatürlichenHolzmaserunggetrübtwird.Diesevisuellen

NachteilekönnennundurchdieimFraunhoferLBFentwickelten

LackdispersionenaufeinMinimumreduziertwerden.Hierzuwer-

densphärische,oberflächenmodifizierteSilika-Partikelhergestellt

(Abb.2).ZumErhaltderTransparenzwirddiePartikelgrößedabei

unter50nmgehalten,sodassdasLichtbeimDurchstrahlendes

FilmsnichtandemanorganischenMaterialgestreutwird.Die

OberflächewirdzusätzlichmitfunktionellenGruppenversehen,

dieeinechemischeAnbindungandieLackmatrixermöglichen.

AndersalsinherkömmlichenLacken,werdendiePartikel

nichtnachträglichindasSystemeingerührt,sondernwährend

derSynthesederLackdispersiondirektandiePolymerpartikel

kovalentgebunden.DieseMethodestellteinegleichmäßige

Eco-friendly scratch resistant coatings.

Umweltfreundliche, kratzfesteLacke.

S I L I K A M O D I F I Z I E R T E , W Ä S S R I G E P O LY U R E T H A N D I S P E R S I O N

W A T E R - B A S E D P O LY U R E T H A N E D I S P E R S I O N W I T H M O D I F I E D S I L I C A P A R T I C L E S

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Abb. 1: Visuelle Transparenzprüfung des neuen und umweltfreundlichen LacksFig. 1: Optical transparency check.


undagglomeratfreieVerteilungdesanorganischenMaterialsim

BindemittelundimverfilmtenLacksicher(Abb.1).Innerhalbder

BeschichtungkönnensoSilika-Gehaltevon20Gew.%unter

ErhaltderTransparenzunddesGlanzeserzieltwerden.Orien-

tierendeUntersuchungenbeidenProjektpartnern(Institutfür

LackeundFarben,ILF,Magdeburg;InstitutfürHolztechnologie,

IHD,Dresden)demonstriereneineverbesserteKratzfestigkeit

gegenüberunmodifiziertenLackdispersionen.

Customer BenefitsBasedontheprojectresults,Fraunhofer

LBFcancreateandmodifydifferentinorganicnanoparticlesas

fillersforaqueouspolyurethanecoating.Thisincreasesscratch

resistancewhileatthesametimepreservingthetransparency

andglossofthefinalcoating.

SummaryPrivateuserssuchasSMEsareincreasinglyaskingfor

environmentallycompatible,water-basedcoatings.Itisobvious

thatavoidingvolatileorganiccompounds(VOC)takespriority.

Oneofthemaindrawbacksoftheaqueouscoatingsystems

currentlyonthemarketistheirpoorscratch-resistance.Silica

particlesareoftenaddedtoincreasethisresistancebuttheyin

Abb. 3: 50 nm Ultramikrotomdünnschnitt einer synthetisierten Beschichtung im Transmissionselektronenmikroskop. Fig. 3: 50 nm ultramicrotom thincut of our synthesized coating under transmission electron microscope.

Abb. 2: Synthese von Silika-Nanopartikeln mit elektronen-mikroskopischer Aufnahme und Größenverteilung.Fig. 2: Synthesis of silica nano particles with electron-microscopical picture and particle size distribution.

turncompromisetheopticalproperties.TheFraunhoferLBFis

thereforedevelopingleadingedgewater-basedpolyurethane

dispersionswithwell-definedmodifiedsilicaparticles.Asaresult

oftheevendistributionandbindingtotheorganicmaterial,the

coatingsexhibithardlyanylossoftransparencyandgloss.

DasIGF-Vorhaben(443ZBG)derForschungsgesellschaft

Kunststoffee.V.(FGK)zumThema„KratzfesteHolz-und

KunststoffbeschichtungenaufderBasisvonsilikamodifizierten,

wässrigenPolyurethandispersionen“wurdeüberdieAiFim

RahmendesProgrammszurFörderungderindustriellenGemein-

schaftsforschungundentwicklung(IGF)vomBundesministerium

fürWirtschaftundEnergieaufgrundeinesBeschlussesdes

DeutschenBundestagesgefördert.FürdieseFörderungsei

gedankt.AuchfürdieUnterstützungderFGKseigedankt.

WeiterhindankenwirdenimprojektbegleitendenAusschuss

vertretenenUnternehmenfürihrefachlicheUnterstützung.


Für die Materialentwicklung mit mehrkomponentigen

Systemen wie Polymermischungen ist häufig die Kenntnis

des Phasenverhaltens in Abhängigkeit von der Temperatur

erforderlich. Hierzu muss eine Vielzahl unterschiedlicher

Mischungen präpariert und für jede dieser Mischungen die

Phasenübergangstemperatur bestimmt werden. Somit ist

die Ermittlung solcher Phasendiagramme sehr aufwändig.

Deshalb initiierte der Reifenhersteller Michelin beim Dutch

Polymer Institute (DPI) ein Projekt, welches die Entwick-

lung einer Hochdurchsatz-Methode zur Bestimmung von

Phasendiagrammen zum Thema hatte. Zunächst ging es

um Gummimischungen, die entwickelte Methode ist je-

doch weit darüber hinaus anwendbar.

Hochdurchsatz-Methode zur Aufnahme von

Phasendiagrammen

IndemForschungsvorhabenwurdevomBereichKunststoffe

desFraunhoferLBFundderUniversitätJenaeineHochdurch-

satzmethodezurschnellenBestimmungdesPhasenverhaltens

vonPolymermischungenentwickelt.DieUniversitätJena

beschäftigtesichmitderProbenpräparationmittelsSynthese-

undPipettierrobotern.AmFraunhoferLBFwurdeeine

Hochdurchsatz-Lichtstreuanlageunddiedazugehörige

Mess-undAuswertesoftwarezurparallelenDetektionder

PhasenübergangstemperatureneinersehrgroßenProbenzahl

entwickelt.AnlageundMessmethodikstehenfürKundenauf-

trägeamLBFzurVerfügung.DieProbenbefindensichineiner

Mikrotiterplattemitbiszu96Näpfchenoderwerdenaufeinem

flachenGlasträgerappliziert.IneinemOfenmitInertgasspülung

könnenauf-undabsteigendeTemperaturrampenmitden

Probengefahrenwerden.PhasenumwandlungenwieMischen

undEntmischenaberauchKristallisationsvorgängewerdensehr

sensitivmittelsKleinwinkellichtstreuungdetektiert.Hierfürsind

indenOfenwändenQuarzglasfenstergegenüberderUnter-und

OberseitederTiterplatteeingelassen.AlsLichtquelledientein

Laser.DasStreumusterwirddurcheinespezielleDetektionsoptik

erfasst.DurchVerfahrenvonLaserundDetektionsoptikwerden

dieNäpfchenderTiterplattekontinuierlichnacheinander

abgerastert.Abb.1zeigteinSchemadesGesamtaufbaus.

DasLichtstreusystemkannKundenangebotenundfürderen

Erfordernissekonfiguriertwerden.

Aufnahme von Phasendiagrammen durch

Kleinwinkel-Lichtstreuung

Abb.2zeigtalsBeispielStreumustervonPolymermischungen

unterschiedlicherZusammensetzungbeiderselbenTemperatur.

DasStreumusterinderoberstenZeilelinksistkaumausgeprägt

undentsprichtdemeinerhomogengemischtenProbe.Dasstark

Rapid determination of phase behavior of polymer mixtures.

SchnelleBestimmungdesPhasen-verhaltensvonPolymermischungen.

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Zunehmende Intensität. Intensity increasing.

AnwendungensinddieBestimmungdesPhasenverhaltensbei

derEntwicklungvonWirkstoffformulierungenimpharmazeu-

tischenBereichodervonMischungeninderKosmetik-und

Lebensmittelindustrie.NebenPhasendiagrammenlässtsichdie

AusbildungvonfestenPhasenauseinemanfänglichflüssigen

Systembeobachten.Diesfindetz.B.währenddesTrocknungs-

vorgangsvonLackenstattaberauchwährendderKristallisation

ausderflüssigenPhaseoderSchmelze.

Customer BenefitsFordevelopmentofformulationswhere

phaseseparationortheformationofasolidphase(e.g.curing

orcrystallization)isanissue,largenumbersofsampleshaveto

betested.LBFoffershigh-throughputmeasurementsforthe

customers.Thehigh-throughputsmallanglelightscattering

systemhasbeendevelopedforuseinindustriallaboratories

andcanbeconfiguredtothespecialneedsofthecustomers.

SummaryInmanyfieldsofformulationdevelopmentit

isnecessarytounderstandthephasebehavior.Amethod

forhigh-throughputtestinglargenumbersofsampleshas

beendevelopedandestablishedattheplasticsdivisionof

FraunhoferLBF.

ausgeprägteStreumusterinderoberstenZeilerechtsisttypisch

füreineentmischteProbe.DasmittlereStreumusterweisteine

nurgeringeIntensitätauf:DiedazugehörendeProbeistnoch

nahezuhomogenundbeginntsichgeradezuentmischen.Die

zugehörigeTemperaturkannalsPhasenseparationstemperatur

dieserProbeidentifiziertwerden.AusdenwährendeinerTempe-

raturrampefürMischungenverschiedenerZusammensetzungen

aufgenommenenLichtstreubildernlässtsichschließlichein

Phasendiagrammerstellen.InAbb.3istschematischeinBeispiel

füreinsolchesPhasendiagrammdargestellt.

AusderIntensitätsverteilungimStreumusterlässtsichdarüber

hinausaufdiePhasenstrukturschließen:EinStreumustermit

radialerIntensitätsverteilungmitvomZentrumausabfallender

IntensitätweistaufeinzelnerundeTropfenhin,währendeine

ringförmigeIntensitätsverteilungeineco-kontinuierlicheStruktur

widerspiegelt(Abb.4).

Anwendungsmöglichkeiten

Temperatur-undzusammensetzungsabhängigesMischungsver-

haltenzeigtsichbeivielenunterschiedlichenMaterialklassenbzw.

Formulierungen.DazugehörenKlebstoffeoderRezepturenfür

LackeoderBeschichtungen.DieAnwendbarkeitderMethodeist

dabeinichtaufPolymersystemebeschränkt.Möglicheweitere

Abb. 1: Messaufbau (schematisch).Fig. 1: Schema of measurement system.

Abb. 3: Beispiel eines Phasendiagramms (Schema).Fig. 3: Example of phase diagram (schema).

Abb. 4: Zusammenhang von Streumuster und Domänenmorphologie.Fig. 4: Relationship between scattering pattern and domain morphology.

Abb. 2: Streumuster von unterschiedlichen Mischungen bei identischer Temperatur.Fig. 2: Scattering patterns of different mixtures at the same temperature.


Getrieben durch strenge Grenzwerte, vorgegeben bei-

spielsweise durch die Automobilindustrie, wächst der

Druck der Kunststoffindustrie emissionsreduzierte Kunst-

stoffrezepturen zu entwickeln. Gleichzeitig stehen die

Hersteller dabei jedoch unter einem hohen Kostendruck.

Diese Teilaspekte korrespondieren gegensätzlich zueinan-

der und liefern DIE Herausforderung für die Prozessent-

wicklung emissionsoptimierter Kunststoffcompounds.

Weniger Emissionen bei stabiler Wirtschaftlichkeit

DiedurchgeführtenArbeitenbeschäftigensichmitderOpti-

mierungderEntgasungsleistungbeiderCompoundierungmit

Hochleistungs-Doppelschneckenextrudern.DieUntersuchungen

wurdenaneinemfürdieIndustrieinteressantenCompound

PP-Talkum(30Gew.%Talkum)unterindustrienahenVerarbei-

tungsbedingungendurchgeführt.Zielwares,dieEmissionen

imVergleichzumStandderTechnik,ohneEinbußender

Wirtschaftlichkeit,signifikantzureduzieren.

IneinemerstenSchrittwurdederIst-Zustanddokumentiert.

DazuwurdenimFraunhoferLBFdasBasispolymer(Sackware),

zweiunterschiedliche,kommerzielleIndustriecompoundsund

einaufdemDoppelschneckenextruderZSK32MCderFirma

CoperionGmbHnachaktuellemStandderTechnikhergestelltes

PP-Talkum-Compoundcharakterisiert.AufbauendaufderHypo-

these,dassderPolymerabbauwährendderVerarbeitungeinen

signifikantenEinflussaufdieEmissionenhat,wurdeineinem

zweitenVersuchsblockbewussteinsehrmaterialschonender

Schneckenaufbaugewählt.Eskonntegezeigtwerden,dass

durchdieseMaßnahmenderPolymerabbauundgleichzeitigder

AnteilderRestflüchteimCompoundreduziertwerdenkonnten.

DieCompoundqualitätwardabeijedochnichtausreichend.

MitdenErkenntnissenausdendurchgeführtensystematischen

VersuchsblöckensowiedenEmpfehlungenausdemStand

derTechnik,wurdeeineneuartigemodulareEntgasungszone

entwickeltundaufgebaut.DurchdiesemodulareEntgasungs-

zonekonntensystematisch,fürdieEntgasungwesentliche

ParametervariiertundderenEinflussaufdieGesamtemissionen

dokumentiertwerden.

Eskonntesogezeigtwerden,dassfüreineeffektiveEntgasung

beihohenSchneckendrehzahlenundMaschinenauslastungen

aucheine,imVergleichzumStandderTechnik,deutlichlängere

Entgasungszonenotwendigist.UmdienotwendigeVerfahrens-

längedabeinichtzuerhöhenwurdederVerfahrensabbau,bei

weiterhinausreichenderDispergierungderFüllstoffe,angepasst.

FürzweiuntersuchteSchneckendrehzahlen(600min-1;

1200min-1)konntedurcheineOptimierungdesGesamtpro-

Low emission plastic materials.

Emissionsreduzierte Kunststoffcompounds.

O P T I M I E R U N G D E R E N T G A S U N G S L E I S T U N G

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Contact: Dr. Christian Beinert · Telephone: +49 6151 705 - 8735 · [email protected]


processallowstheestimationofutilityofchangesinthe

processandalsothecalculationofthecost-benefitratio.Due

topracticalapproachfollowedintheprojectworkthedirect

implementationofobtainedresultsinthecurrentindustrial

practiceispossible.Theprocessingindustrycantakethe

challengesofconsumerindustryproducingthelowemission

plasticswithoutlosingthecosteffectivenessoftheprocess

andthusthisadvantagecontributesdirectlytotheeconomic

success.

SummaryThedegassingprocessduringcompoundingwith

co-rotatingtwinscrewextruderwasoptimizedefficiently

throughtheexperimentsconductedatLBF.Bymeansofvarying

theprocessparameterssystematicallytheVOC-contents

incompoundscouldbereduceddownto70%approx.as

comparedtothecompoundsaccordingtothestateofart,

withoutusinganystrippingagentorapplyinghighvacuum.The

processparametersweresetinsuchawaythattheextruders

couldrunonhigherloadsandthusthecosteffectivenessofthe

processcouldbemaintained.Infurtherstepsthelowemission

plasticmaterialswillbeanalyzedalongthevalueaddedchain

consideringtheinjectionmoldingprocess.

zessesdieRestflüchtesignifikantgesenktwerden.Verglichen

mitdemCompoundnachaktuellemStandderTechnik,konnte

dieGesamtkohlenstoffkonzentrationumüber70%gesenkt

werdenundlagdamitsogarunterhalbdesAusgangswertesdes

unverarbeitetenBasispolymers.

DurchdieerfolgreichenArbeitenwurdeanschaulichgezeigt,

dassdurcheineoptimierteEntgasungszone,auchohneden

EinsatzvonSchleppmittelundHochvakuum,einedeutliche

MinderungvonEmissionenausKunststoffcompounds,auch

beihohenMaschinenauslastungen,möglichist.DieProjekter-

gebnissestellensoeinenweiterenwichtigenSchrittinRichtung

„low-emission-plastics“dar.

Customer BenefitsWiththehelpofthefindingsofabove

statedworktherecommendationsregardingprocesssetup

couldbegiventotheplasticprocessingindustry.The

degassingefficiencyofhighspeedtwinscrewextrudercan

beoptimizedwiththeminorcapitalinvestmentevenforhigh

throughputs.Therecommendationswerepreparedforthe

modificationofexistingdegassingequipmenttooptimize

degassingzone.Eventherecommendationsregardingthe

furtherreductionofVOCscouldbegivenforstagesduringthe

compoundingprocess.Thesystematicstudyofthedegassing

Hochleistungsdoppelschneckenextruder ZSK32MC mit modularer Entgasungseinheit im Fraunhofer LBF. High-Speed-Twinscrew-Extruder with adapted modular degassing unit at Fraunhofer LBF.


Bauteile mit Elastomerkomponenten wie Dämpfer, Dich-

tungen, Förderbänder oder Reifen sind während des Ge-

brauchs mechanischen Belastungen und wechselnden

Umwelteinflüssen ausgesetzt. Thermomechanische Bean-

spruchungen, Strahlung, Feuchte oder chemische Substan-

zen wirken dabei zumeist in Kombination und verändern

die Materialeigenschaften der Elastomere. Für Produktent-

wicklung und Lebensdauervorhersage ist es erforderlich,

die zugrundeliegenden Alterungs- und Versagensmecha-

nismen besser zu verstehen. Hierzu werden die langjähri-

gen Erfahrungen des Fraunhofer LBF bei Betriebsfestig-

keitsprüfungen an Elastomerbauteilen mit der

physikalischen und chemischen Elastomercharakterisie-

rung im Bereich Kunststoffe kombiniert.

Kopplung von Schwingfestigkeitsversuchen mit Untersu-

chungen alterungsbedingter Werkstoffveränderungen

InderPraxisistdiethermo-oxidativeAlterungeinederhäufigs-

tenVersagensursachenfürElastomerbauteile.Diethermische

AlterungvonElastomerenführtzuFestigkeits-undModulän-

derungen,diemitalterungsbedingtenÄnderungenderNetz-

werkdichteerklärtwerden.UmpraxisrelevanteAlterungs-und

PrüfprozedurenfürElastomereabzuleiten,wurdenkraft-und

wegeregelteSchwingfestigkeitsversuchemitUntersuchungen

deralterungsbedingtenMaterialveränderungenverknüpft.

HierzuwurdeeinrußhaltigesGummimaterialbeiverschiedenen

TemperatureninLuftoderunterStickstoffgealtert.Nach

definiertenAuslagerungszeitenwurdendieProbenentnommen

undvermessen.

Abbildung1zeigtexemplarischweggeregelteWöhlerkurven

nachverschiedenenAlterungszeitenbei100°CunterLuft.Mit

zunehmenderAlterungsdauerverkürztsichdieLebensdauer.

ZurBewertungderWirkungenderthermischenAlterungauf

StrukturundEigenschaftenwerdendynamisch-mechanische

Analyse,Zugversuche,MessungendesDruckverformungsrestes,

Quellungsmessungen,Festkörper-NMRundchemischeAnalytik

eingesetzt.Abbildung2zeigtexemplarischdenSchubmodul

imBereichdesGummiplateausnachverschiedenlangen

Auslagerungszeitenbei100°CunterLuft.Dieanfängliche

ZunahmedesModulsdurchVersprödungoderVerringerung

derPlastifizierungwirddurchdenthermo-oxidativenNetz-

werkabbauüberlagert.

NebenderdiskontinuierlichenErfassungalterungsbedingter

MaterialveränderungenwurdenkontinuierlicheMessungen

derSpannungsrelaxationdurchgeführt.Abbildung3zeigt

diezeitlicheAbnahmederRückstellkraftfüreinerußgefüllte

Cyclic fatigue testing and material characterization of elastomers.

Schwingfestigkeitsversuche undMaterialcharakterisierung anElastomeren.

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Incombinationwithmaterialdevelopmentormaterial

selectionanddesignofelastomericcomponents,thisallows

expandedoffersforourcustomers.

SummaryCouplingofthermalaging,characterizationand

fatiguetestsonelastomersallowderivingoptimizedaging

proceduresforacceleratedfatiguetesting.Thedetectionof

changesinthematerialpropertiesbytensiletests,stressrelaxa-

tionexperiments,dynamicmechanicalanalysis,measurements

ofcompressionsettingandswellingmeasurementsaswell

assolid-stateNMRandchemicalanalysisonextractsallowsa

betterunderstandingoftheunderlyingagingmechanismsand

toderiveconclusionsforimprovedtestproceduresandmaterial

development.

ElastomerprobeinLuftbeiOfentemperaturenvon100°Cund

110°C.DieBeschleunigungderSpannungsrelaxationmitzu-

nehmenderTemperaturberuhtaufderthermischenAktivierung

desoxidativenNetzwerkabbausunddermolekularenProzesse.

AusdemPlateaumodul,demQuellgradoderderRelaxations-

kurvederkernmagnetischenResonanzspektroskopiekönnen

weitereInformationenzualterungsbedingtenÄnderungender

Netzwerkstrukturgewonnenwerden.

WährendderAlterungkönnenthermo-oxidativerAbbauund

dieBildungneuerVernetzungsstellengleichzeitigerfolgen.

DerVergleichderAlterunginLuftundunterStickstofferlaubt,

zwischenthermo-oxidativenundanderenMechanismenzu

unterscheiden.NebenchemischenVernetzungensindVerände-

rungenimFüllstoffnetzwerkoderdasAustragenvonHilfsstoffen

zuberücksichtigen.DurchVergleichmitdenErgebnissender

SchwingfestigkeitsversuchewerdendieAuswirkungender

AlterungaufdiegemessenenParameterbewertet.

Customer BenefitsInadditiontotheestablishedfatigue

tests,abroadspectrumofmethodsforelastomercharacteri-

zationisavailableindepartmentplastics.Thisallowsabetter

evaluationofaging-relatedmaterialchangesinelastomers.

Basedonthis,customer-relatedstrategiesforaccelerated

thermalagingandtailoredloadprogramscanbederived.

Abb. 1: Weggeregelte Wöhlerkurven eines rußgefüllten Gummima-terials nach unterschiedlichen Auslagerungszeiten bei 100 °C in Luft.Fig. 1: Strain controlled Wöhler curves of a carbon black filled rubber after different aging times at 100 °C in air.

Abb. 3: Spannungsrelaxation einer Gummi- mischung bei 100 °C und 110 °C in Luft. Fig. 3: Stress relaxation of a rubber compound at 100 °C and 110 °C in air.

„Wir koppeln zyklische Ermüdungstests mit der Elastomercharakterisierung, um angepasste Alterungs-prozeduren zu entwickeln.“

Dr.IngoAlig,FraunhoferLBF

Abb. 2: Änderung des Schubmoduls eines rußgefüllten Gummis (Mess-temperatur: 50 °C) während der thermischen Alterung bei 100 °C in Luft. Fig. 2: Changes in shear modulus of a carbon black filled rubber com-pound (measurement temperature: 50 °C) during thermal ageing at 100 °C in air.


NeuePerspektivenNewprospects.

Portfolio Elastomerwerkstoffe und Elastomerbauteile.Portfolio elastomeric materials and elastomeric components.

92

Mehr Ruhe an Deck – Prognosewerkzeug für akustische Eigenschaften von Schiffen.More silence on deck – Software tool to predict the vibro-acoustic behavior of vessels.

94

EAP-Spacer für aktive Fenster – vollintegriert und kostengünstig.EAP-spacer for active windows – fully integrated, low-cost solution.

96

Spart Kosten: Miniatur Parallelroboter in Leichtbauweise.Saves on cost: miniature parallel robot in Lightweight Construction.

97

Mechanische Modelle leicht erstellt: unser Werkzeugkoffer.Mechanical models easily implemented: with our Toolbox.

98

Kunststoffe mit integrierten Funktionalitäten und Verrippungen.Plastics with integrated functionalities and ribbing for mass production.

99

Variabel verkleben für einen betriebsfesten Leichtbau.Variable bonding for reliable Lightweight Construction.

100

Integrative Simulation als Werkzeug zur Auslegung hoch belasteter Kunststoffbauteile.Integrative simulation as a design tool for highly stressed reinforced plastic components.

101

Strukturintensität – Was steckt dahinter?Structural intensity – What is behind?

102


OptikvonPerspektiven

PortfolioElastomerwerkstoffeundElastomerbauteile.Portfolio elastomeric materials and elastomeric components.

Elastomer-Metall-Bauteile(Gummilager)sindalsElemente

zurEntkopplunginschwingungsfähigenSystemenausdem

modernenMaschinenbaunichtwegzudenken.Siesind

VoraussetzungfürFunktionalitätundZuverlässigkeitder

Systeme.AktuelleEntwicklungenermöglichenschaltbare,

adaptiveAggregatlager,welchesichaufunterschiedliche

Systemschwingungeneinstellenkönnen.

ImFraunhoferLBFhabensichindenletztenJahrendie

EntwicklungsprojektemitdenAutomobilherstellernundderen

ZulieferernspeziellindenBereichenderCharakterisierung,

ModellbildungunddesmultiaxialenBetriebslastennachfahr-

versuchesvonElastomerbauteilenetabliert.Durchdieüber-

greifendeZusammenarbeitderInstitutsbereicheAdaptronik,

BetriebsfestigkeitundKunststoffesindneueLeistungsangebote

fürunsereKundenentstanden.Sokanndieexperimentelle

CharakterisierungdesÜbertragungsverhaltensvonElastomer-

bauteilenüberdenbetriebsfestigkeitsrelevantenFrequenzbereich

(typischerweise50–100Hz)fürNVHrelevanteBaugruppenbis

hinzu2000Hzausgedehntwerden.InderNumerikunter-

stützengeeigneteModelledieSystemsimulationenimNVH

Bereich.FürdieSimulationderfahrdynamischenEigenschaften

undderBetriebsfestigkeithatdasFraunhoferLBFmultiaxiale

undrechenzeitoptimierteModellefürElastomerbauteileim

Einsatz.NebenderCharakterisierungderBauteileigenschaften

werdenauchdieverwendetenElastomerwerkstoffeimInstitut

analysiert.HierfürstehteinbreitesSpektrumphysikalischer

undchemischerCharakterisierungsmethodenzurVerfügung.

AktuelleForschungsprojekteverknüpfendasthermischeAlte-

rungsverhaltenmitÄnderungenderMaterialeigenschaftenund

derLebensdauerunterzyklischerBelastung.Erweitertwirddas

AngebotsspektrumdurchHilfestellungbeiderMaterialauswahl

undRezepturentwicklung.

DasFraunhoferLBFbieteteinumfassendesLeistungs-

spektrumzuderThematikElastomerbauteileund-werkstoffe.

1) Charakterisierung, Modellbildung, Betriebslasten-

nachfahrversuche und Lebensdaueranalyse (s. Seite 74)

• KennwertermittlungundCharakterisierungdes

ÜbertragungsverhaltensvonElastomerbauteilenim

Frequenzbereichbis100Hz

• SchwingfestigkeitsversucheanMaterialproben

• UntersuchungdertemperaturabhängigenBauteileigenschaften

• Uni-undmultiaxialeBetriebsfestigkeitsversucheanElasto-

merbauteilen(speziellAggregatelagerundFahrwerkslager)

• Uni-undmultiaxialeModellbildungvonElastomerbauteilen

fürdiedynamischeSystemsimulation(Betriebsfestigkeit/

Fahrdynamik)einschließlichModellparametrierung

Contact:MarcWallmichrath·Telephone:+496151705-467

Contact: Matthias Schmidt, Marc Wallmichrath, Dr. Ingo Alig [email protected], [email protected], [email protected]

N E U E P E R S P E K T I V E N | N E W P R O S P E C T S


• ErforschungundEntwicklungneuerLagerungskomponenten

(z.B.aktiveAggregatlager,Polymerwerkstoffeund

elektroaktivePolymere)

• ParametrierungundValidierungnumerischerModelle

• TransferpfadanalyseimRahmenvonNVHTestsimFahrzeug

• NachfahrenvonBetriebsmessungenamPrüfstandzurErpro-

bungundzumTestvonaktivenLagernundderenRegelung

Contact:MatthiasSchmidt·Telephone:+496151705-452

Customer Benefi tsTheFraunhoferLBF’srangeofservicesin

thefieldofelastomericmaterialsandcomponentshasbeen

extendedsignificantlyoverthepasttwoyears.Interdisciplinary

researchprojects,e.g.onthetopicofelastomeraging,have

additionallystimulatedandacceleratedthedevelopment

ofsystem-basedservices.TheFraunhoferLBFistherefore

adevelopmentpartnerformaterialcharacterization,the

developmentofactivebearings,experimentalandnumerical

fatiguelifeanalysisofcomponentsandmodelinginthe

disciplinesoffatiguestrength,systemdynamicsandNVH.

Theinstitutestillcontinuestoofferitscomprehensiverange

ofestablishedresearchservices.

2) Charakterisierung von Materialverhalten und

Netzwerkstruktur, Medieneinwirkung und Alterung

(s. Seite 88)

• Temperatur-,FrequenzundAmplitudenabhängigkeitder

Materialeigenschaften(Spannungs-Dehnungsverhalten,

mechanischeRelaxation,Kriechen,Druckverformungsrest,

elektrische,dielektrischeundelektromechanischeEigenschaften)

• CharakterisierungdesElastomer-undFüllstoffnetzwerkes

(dynamisch-mechanischeAnalyse,Kernresonanz-

spektroskopie,Quellungsexperimente)

• UntersuchungvonAlterungundMedienbeständigkeitsowie

Langzeitvorhersage(thermo-oxidativeAlterung,Abbauvon

Antioxidantien,DiffusionvonWeichmachernusw.)

• BereitstellungundValidierungvonMaterialmodellen

fürdieFEM(viskoelastischeEigenschaften,Temperatur-

Frequenz-Superposition,nichtlinearesVerhalten)

Contact:Dr.IngoAlig·Telephone:+496151705-8659

3) Neue Entwicklungsmöglichkeiten für

Automotive sowie Maschinen- und Anlagenbau

(s. Jahresbericht 2013)

• HochfrequenteCharakterisierungvonElastomerbauteilen

sowievonpassivenundaktivenLagernbis2000Hz

Elastomerprüfkörper nach verschiedenen Zeiten der thermischen Alterung.Elastomeric specimen after different times of thermal aging.

Quellungsexperimente und Lösungsmittelextraktion an Elastomerproben.Swelling experiments and solvent extraction on elastomeric samples.


DasThemaKomfortistindenletztenJahrenfürSchiffspassa-

gierealsQualitätskriteriumimmerwichtigergeworden.Störende

GeräuscheundungewollteSchwingungenkönnensichzudem

negativaufdieSicherheitanBordauswirken.Eigentümerund

Werften folgendaherdemTrendund setzenniedrigeGrenz-

werte fürLärmundVibrationenan,diewährenddesSchiffs-

betriebeszubeachtensind.

Effi ziente Vorhersage von Schwingungen

WerftenstellenüberwiegendUnikateher,weshalbihnendie

Möglichkeitfehlt,ihreProdukteanphysikalischenPrototypen

zuverfeinern.Einefrühzeitigeundeffizienterechnergestützte

VorhersagedesvibroakustischenVerhaltensvonSchiffs-

entwürfenkanndaherhelfen,akustischeAuffälligkeitenzu

identifizieren,dasSchiffsdesignzuoptimierenundkostspielige

NacharbeitimAnschlussanProbefahrtenzuvermeiden.

AmFraunhoferLBFwurdeeinmethodischesVorgehen

basierendaufparametrischer,modularerundhierarchischer

Modellbildungentwickelt.DerFokuslagaufdereinfachen

Austauschbarkeitsowieeinerschnellenundunkomplizierten

InitialisierungdereinzelnenTeilmodelle.Durchdengewählten

AnsatzkanndasGesamtmodellwährenddesgesamten

Entwurfsprozessesverwendetwerden,dadiezunächstsehr

einfachenTeilmodelleimLaufedesEntwurfsdurchdetailliertere

BeschreibungenersetztoderMachbarkeitsuntersuchungen

unterVerwendungunterschiedlicherKomponentendurch-

geführtwerdenkönnen.Weiterhinistesmöglich,durch

ParametervariationendenEinflusssensitiverParametereiner

Komponentezubestimmen.

UmdieÜbertragungvonGeräuschenundVibrationenindie

Schiffsstrukturenzusimulieren,habendieWissenschaftlerdes

FraunhoferLBFdierelevantenKörperschallquellennumerisch

modelliert.AlsAnwendungsbeispielewurdenHauptmaschinen

undPumpenuntersucht,ModelleaufgebautundmitMess-

datenvalidiert.DervorgeschlageneSimulationsansatzwurde

aneinemskaliertenDrehschwingungsversuchsstand,welcher

auseinemVerbrennungsmotor,einemRotorundeinerWirbel-

strombremseaufgebautist,überprüft.Eswurdenhinsichtlich

Contact: Christoph Tamm · Telephone: +49 6151 705 - 8431 · [email protected]

MehrRuheanDeck–PrognosewerkzeugfürakustischeEigenschaftenvonSchiffen.More silence on deck – Software tool to predict the vibro-acoustic behavior of vessels.



SummaryInanearlyphaseofdesign,accurateandefficient

analysismethodsforpredictingthevibro-acousticbehavior

ofvesselsareofcentralimportance.Ownersandshipyards

definelowlimitsfornoiseandvibrationthatmustbemet

duringoperationoftheship.Anewlydevelopedsimulation

toolsupportsshipyardsincomplyingwithlegallimitsand

evaluatingthefeasibilityofnoisereductionmeasuresduring

thedevelopmentprocess.Noiseandvibrationonboardoccurs

duetoawidevarietyofstructure-bornenoiseexciters.Resear-

cheratFraunhoferLBFdevelopedmethodsfortheprediction

ofpowertraincomponents,whichareoneofthemainnoise

andvibrationexcitationsourcesonboard.

derQuellmodellierungumfangreicheVergleichsmessungen

zurKalibrierungderAntriebsstrang-Modelledurchgeführt.

DaraufhinwurdeeinnumerischesModellfürdenVerbren-

nungsmotorentwickeltundstationäreBetriebsbedingungen

sowietransienteEreignissewiebeispielsweiseZündaussetzer

undHochläufedesMotorsaufSystemebenemitMatlab/

Simulinksimuliert.

Customer Benefi tsTheproposednumericalmodelsarea

partofasoftwaretoolboxtopredictthevibro-acousticbeha-

viorofavesselefficiently.Oneoftheaimsofthistoolboxis

theidentificationofacousticexcitationmechanismsinanearly

phaseofdesignandalsoinparalleltothedevelopmentpro-

cess.Themodularandhierarchicmodelingschemeenablesthe

usertoeasilyreplacesubmodelstoassesstheimpactofnoise

andvibrationreductionmeasures.Furthermore,theresearch

anddevelopmentactivitiesatFraunhoferLBFcontinuesothat

themethodologiescanbetransferredandappliedontasksin

theautomotive,aviationoranyotherengineeringindustry.

Prinzipskizze einer Hauptantriebsmaschine.Schematic diagram of a main engine.

Skalierter Antriebsstrangversuchsstand zur Validierung der Simulationsergebnisse.Scaled torsional vibration test stand for the validation of simulation results.



EAP-SpacerfüraktiveFenster–vollintegriertundkostengünstig.EAP-spacer for active windows – fully integrated, low-cost solution.

FürdenPrototypdesaktivenDoppelglasfensterswurden

schmaleElektroden-undElastomerschichtengefertigtund

ineinemKunststoffgehäuseübereinandergestapelt.Dessen

Abmessungenentsprechendeneneineskonventionellen

Spacers,derdiebeidenGlasscheibenaufAbstandhält.Der

LautsprecherselbstistalsovollständigindenSpacerintegriert,

dasGehäuseübernimmtdielasttragendeAufgabedes

Originalbauteils.ÜberLöcherimDeckelwirdderSchallin

denInnenraumdesDoppelglasfenstersabgestrahlt.

Bereitsmitnureinem20cmlangenLautsprecher(ca.7%

desFensterrahmens)konnteimLaboreineReduktionder

abgestrahltenSchallleistungvon3,3dBimSummenpegel

bis500Hzerreichtwerden.EineVergrößerungderaktiven

FlächeversprichtweiteresPotential.

DieAnwendungimaktivenFensterverdeutlichtzumeinen

densteigendenTechnologiereifegradderEAPsfürdynamische

Anwendungen,zumanderenderenflexibleEinsatzmöglichkeit

inzukünftigenProdukten.

ImLOEWE-ZentrumAdRIAwurdenverschiedeneMöglichkeiten

untersucht,ummitaktivenMethodenLärmschutzfensterzu

verbessern.EineHerausforderungstelltestetsdieAktorikdar:

PiezoaktorenmusstenbisherimSichtfeldaufderScheibe

angebrachtwerden,umdortdieScheibenschwingungen

undsomitdenSchalldurchgangzumindern.Spezielle,am

FraunhoferLBFentwickelte,schlankeLautsprecheraufBasis

elektroaktiverPolymere(EAPs)könnendagegenimFenster-

rahmeneingebautwerden,waszueinemkompaktenAufbau

führtundkeinerleiSichteinschränkungmitsichbringt.Damit

kannderSchalldruckzwischendenScheibenaktivgeregelt

unddieTransmissionreduziertwerden.

EAP-StapelaktorenbestehenauseinerVielzahlabwechselnd

angeordneterElastomer-undElektrodenschichten,überdie

einhoheselektrischesFeldaufgeprägtwird.Indemneu

entwickeltenDesignansatzsinddieElektrodenmetallisch

ausgeführtundmitmikroskopischfeinenLöchernversehen.

DieserlaubtdeminkompressiblenElastomereinelokale

DeformationimBetrieb.SowohlElastomer-alsauchElektro-

denschichtenkönnennahezubeliebiggeformtsein,was

großekonstruktiveFreiheitengewährt.

Contact: Oliver Heuss, Dr. William Kaal · Telephone: +49 6151 705 - 417 · [email protected]



SpartKosten:MiniaturParallelroboterinLeichtbauweise.Saves on cost: miniature parallel robot in Lightweight Construction.

Contact: Mihail Lilov MBA · Telephone: +49 6151 705 - 336 · [email protected]

RoboterswurdeunterLinuxaufeinerLow-CostHardware

(BeagleBoneBlack)umgesetzt,diesichdurchihrekompakte

Bauweise,beigleichzeitighoherIO-DichteundLeistungsfähig-

keitauszeichnet.

DerParallelroboterstehtnunalsDemonstratorfürdieweitere

ErprobungvonRegelungs-undSteuerungskonzeptenfür

unkonventionelleAntriebssystemeinderAutomatisierung

zurVerfügung.EbensokanndasSystemalsTestumgebung

füraktiveSchwingungsminderungsmaßnahmeninderAuto-

matisierungzumEinsatzkommen.NebenderAnwendung

alsVersuchsträgerkannderParallelroboterimBereichder

AutomatisierungstechnikzurFeinpositionierungundHandling

imMikrometerbereicheingesetztwerden.

DerKostenfaktorbeiMikromontageaufgabenindustrieller

AufbauteninmanuellerHandfertigungkannsehrhoch

werden.DieMontagekostenkönnendurchdenEinsatz

vonPräzisionsroboternstarkreduziertwerden.Piezobasierte

RotationsantriebestelleneineinnovativeLösungzurUmsetz-

ungneuartiger,mechatronischersowieadaptronischer

Systemedar.

DieseAntriebsartzeichnetsichdurcheineleichteAnsteue-

rung,hoheBeschleunigungundhohePräzisionausundistin

derBenutzungnahezuverschleißfrei.DurchdenEinsatzvon

PiezoantriebenstattkonventionellerElektroantriebekönnen

beiParallelroboterndiegewünschtenhohenDynamiken

undGenauigkeitenleichtrealisiertwerden.Beisolchen

hochdynamischenSystemensolldieTrägheitundsomitdie

bewegteMassemöglichstniedriggehaltenwerden.Ineinem

KooperationsprojektzwischenFraunhoferLBFundTechnischer

HochschuleMittelhessenTHMwurdeeinportabler,piezoba-

sierterParallelroboterinLeichtbauweisemiteinemArmgestell

auskohlenstofffaserverstärktemKunststoffundGelenken

ausAluminiumundKunststoffgleitlagernentwickelt.Der

Parallelroboterwirddurchdreihochpräzise,piezobasierte

Wanderwellenmotorenangetrieben,welcheeineGenauigkeit

vonwenigenMikrometernsicherstellen.DieRegelungdes

„ Durch die Bearbeitung des Projektes am Fraunhofer LBF habe ich gelernt, mit den eng gesteckten Zielen und den Anforderungen der Industrie umzuge-hen und praktikable Lösungen für diese Herausforderungen zu erarbeiten.“

ThomasMüller,TechnischeHochschuleMittelhessen


MechanischeModelleleichterstellt:unserWerkzeugkoffer.Mechanical models easily implemented: with our Toolbox.

AlsweiteresWerkzeugwurdedie„ModelOrderReduction“

Toolboxentwickelt.DamitkönnenkomplexeSysteme,die

bereitsnumerischmitFinitenElementenuntersuchtwurden,

nachMatlab/Simulinkimportiertwerden.DieseSchnittstelle

zwischenMatlab/SimulinkundderFE-Simulationssoftware

ANSYSbieteteinegleichzeitigeReduktiondesGesamtsystems

an.DamitkönnensehrgroßeModelleihrwesentliches

GesamtsystemverhaltenbeibehaltenundaufGrundvonredu-

ziertenFreiheitsgradeneinezeitlichgutePerformanceleisten.

AmFraunhoferLBFwerdendieToolboxenentwickelt,

implementiert,dokumentiertundgetestet.Damitprofitieren

KundenjederBranchedurchdieeffektiveLösungvon

strukturdynamischenProblemstellungen.Dernumerische

Werkzeugkofferwirdab2015käuflicherhältlichsein.Wir

beratengernebeiderVerwendungderToolboxundbei

darüberhinausgehendenoffenenFragen.

SiebenötigeneinfürSiepassendesextraWerkzeug?Gerne!–

SprechenSieunsan!

InderheutigenZeittretendurchdengesteigertenWunsch

nachKomfort,LeichtbauundLanglebigkeitschwingungstech-

nischeFragenwährendundnachdemEntwicklungsprozess

auf.BranchenunabhängighabenvieleHerstellerwederZeit,

nochBudgetkapazitäten,umHardwarelösungenzufinden.

NumerischeSimulationenschaffenandieserStelleAbhilfe

undsparendurchgezieltevorherigeUntersuchungenund

AuslegungenbaresGeldundwertvolleZeit.

AmFraunhoferLBFwerdenToolboxeninMatlab/Simulink

entwickelt,umAuslegungensimulativdurchführenzukönnen.

DieToolboxenunterstützendieErstellungundAnalysevon

mechanischenundmechatronischenSystemen.Damitkönnen

Machbarkeitsstudien,wiedieUntersuchungvonStrukturen

undderenSchwingungen,durchgeführtwerden.UmdasSys-

temverhaltenvonunerwünschtenSchwingungenzubefreien,

könnenverschiedeneMaßnahmenundMethodenangewen-

detwerden.Die„StructureandVibration“Toolboxerleichtert

außerdemdieAnalyseundAuswertungderKonzeptvergleiche

durcheineinnovative,modulareSystemmodellierung.Die

Toolbox„unabhängigeModellierungstrategie“umfasstdie

stufenweiseDetaillierungderKomplexitätderModelleund

erlaubtdieEinbindungvonanalytischen,numerischensowie

messtechnischerfasstenDaten.

Contact: Jennifer Thiel · Telephone: +49 6151 705 - 8273 · [email protected]




KunststoffemitintegriertenFunktionalitätenundVerrippungen.Plastics with integrated functionalities and ribbing for mass production.

Contact: Felix Weidmann · Telephone: +49 6151 705 - 8843 · [email protected]

EndlosfaserverstärkteThermoplastehabenindenvergangenen

JahreneineVielzahlneuerAnwendungsbereicheerschlossen,

welchebisherdurchisotropemetallischeWerkstoffeoder

duroplastischeFaser-Kunststoff-Verbunde(FKV)abgedeckt

wurden.UrsächlichfürdieseEntwicklungistdasbreite

AngebothochqualitativerthermoplastischerFaser-Matrix-

Halbzeuge,wieetwaOrganoblecheundUD-Tapes.

Bauteilherstellermachensichdabeizumeinendiehohen

gewichtsspezifischenEigenschaftenzuNutze.Zumanderen

profitierensie,abgesehenvonVorteilenhinsichtlichder

ArbeitshygieneundderLager-undRezyklierfähigkeit,vor

allemvondenkurzenTaktzeitenundeinfachenWeiterverar-

beitungsmöglichkeiten,beispielsweisedurchSchweißenoder

Umspritzen.SeiteinigenJahrenwirdanneuenVerfahren

gearbeitet,dieFormgebungvonOrganoblechendurch

ThermoformenmitderAufbringungvonFunktionalitäten

undVerrippungenzukombinieren.Dabeiwerdenletztere

aufdasheißeOrganoblechimSpritzgießwerkzeugeinseitig

aufgespritzt(Outsert-Technik).Nachteiligistdabei,dasshäufig

dickwandigeunddamitkostenintensiveOrganoblechever-

wendetwerdenundweiterhindieaufgespritztenStrukturen

eineFügungdarstellen,derenAnbindungandasOrganoblech

einemöglicheSchwachstelledarstellt.

AmFraunhoferLBFisteineTechnologieinEntwicklung,die

dieseNachteilevermeidensoll.DieseTechnologiebasiert

aufdemSpritzgießprozess,beiwelchemsehrdünnwandige

OrganoblecheindiehochbelastetenRandlageneinesthermo-

plastischenSandwich-FKVangeordnetwerden.Derniedrig

belasteteKernwirddurchdieThermoplastschmelzeausgefüllt,

welcheebensoineinemProzessschrittvomSandwich-Kern

heraushomogeneFunktionalitätenundVerrippungenander

OberflächedesSandwich-Bauteilsausformt,ohnedabeieine

Fügestellezuerzeugen.

DerKundeprofitiertdabeizumeinendurchdieniedrigen

WerkstoffkostenbeigleicherBauteilbelastbarkeit.Weiterhin

stelltdieseTechnologieeinsehrkosteneffizientesVerfahren

dar,dadienötigenTaktzeitenzurHerstellungeinessolchen

funktionalisiertenSandwich-Verbundessehrgeringsind.

DamiteignetessichhervorragendfürdieFertigungvon

Großserienbauteilen.



VariabelverklebenfüreinenbetriebsfestenLeichtbau.Variable bonding for reliable Lightweight Construction.

ZielderaktuellenForschungamLBFistdieEntwicklung

einesKlebstoffsystems,mitdemeinsolcherGradientder

SteifigkeitinnerhalbeinerKlebefugeerzeugtwerdenkann.

UmdiesesZielzuerreichen,wurdeeinDual-CureKlebstoff

entwickelt,beidem,andersalsbeihandelsüblichenDual-Cure

Formulierungen,nichteinemöglichsthomogeneSteifigkeit

erreichtwerdensoll.VielmehrwirdeinerderbeidenVernet-

zungsmechanismendazuverwendet,dieNetzwerkdichtelokal

zuerhöhenundsomitdieSteifigkeitdesKlebstoffsgenau

steuernzukönnen.

BeiderEntwicklungeinessolchenKlebstoffsystemsprofitiert

dasLBFvonderengenVernetzungseinerunterschiedlichen

Teilbereiche.DasnotwendigeKnowhowzurEntwicklung

maßgeschneiderterpolymererWerkstoffeausdemBereich

KunststoffesowiedierechnerischeAuslegungundexperimen-

tellenAnalysemöglichkeitendesBereichsBetriebsfestigkeit

ermöglicheneineneffizientenundzielgerichtetenEntwick-

lungsprozess.

DieVerwendungvonKlebstoffenisteinfundamentaler

BestandteilmodernerProduktkonzepteinsbesonderebeim

EinsatzvonMultimaterialbauweisen.Füreineneffizienten

LeichtbauistdasVerklebenverschiedensterMaterialien

unerlässlich.UnterschiedlichsteMaterialienlassensichdurch

Verklebenmiteinanderverbinden,ohnedabeidieFügepartner

zuschwächen,wiebeiklassischenFügeverfahren,etwadem

SchraubenoderdemNieten.Auchkannmeistaufeinen

hohenWärmeeintrag,wiebeispielsweisebeimSchweißen,

verzichtetwerden.

EinfachüberlappendeFügungenunterschiedlichster

FügepartnerstellenimindustriellenMaßstabdieam

häufigstenverwendeteKlebtechnikdar.UnterLasttreten

indenkantennahenBereichenderKlebstoffschichtjedoch

Spannungsspitzenauf.BesondersimFalleschwingender

LastenführendieseSpannungsspitzenzueinemfrühzeitigen

VersagenderKlebefuge.Demkannjedochentgegengewirkt

werden!NimmtdieSteifigkeitderKlebschichtvonderMitte

hinzudenRandbereichenaufgeeigneteArtundWeiseab,

könnendieSpannungsspitzenreduziertwerden,unddie

GesamtfestigkeitderKlebungwirdsomiterhöht.DieLösung

istalsoeinKlebstoffmitlokalsteuerbarerSteifigkeit.

Contact: Dr. Jan Spengler · Telephone: +49 6151 705 - 8851 · [email protected]. Jens Eufi nger · Telephone: +49 6151 705-276 · jens.eufi [email protected]



IntegrativeSimulationalsWerkzeugzurAuslegunghoch-belasteterKunststoffbauteile.Integrative simulation as a design tool for highly stressed reinforced plastic components.

Contact: Sebastian Mönnich · Telephone: +49 6151 705-8751 · [email protected] Haydn · Telephone: +49 6151 705-411 · [email protected]

BeiderAuslegungvonBauteilenauskurzfaserverstärkten

Thermoplastengiltes,nebendemanisotropenMaterialver-

haltenEinflussfaktorenwiemehraxialeSpannungszustände,

hoheSpannungsgradientenoderMittelspannungsempfind-

lichkeitenzuberücksichtigen.Umeinemöglichstzuverlässige

AussageüberdieBeanspruchungenimBauteilunddiezu

erwartendeLebensdauerzuerhalten,isteinegeschlossene

numerischeProzesskette,diedenHerstellungsprozessbe-

rücksichtigt,sinnvoll.Diesewirddurchspeziellabgestimmte,

experimentelleUntersuchungenkomplettiert.

Dieentwickelte,sogenannte„IntegrativeSimulation“

begleitetdenProjektingenieurvonderSpritzgusssimulation

(MikrostrukturderFasern),überdas„Faser-Mapping“im

Finite-Elemente-ModellbishinzurBetriebsfestigkeitsbe-

wertungdurchangepassteFestigkeitshypothesen.

InsgesamthandeltessichbeidersimulativenProzesskette

umeinekomplexeAnalysedesHerstellungsprozessesund

derstrukturmechanischenBeanspruchung.Daherwurden

Methodenentwickelt,umErgebnisseausEinzelschrittenex-

perimentellzuvalidierenundsoihreVerwendunginweiteren

Simulationsschrittenabzusichern.Sowirdu.a.mithilfederam

FraunhoferLBFentwickelten,µCT-gestütztenEinzelfaseranaly-

sedieberechneteFaserorientierungüberprüftundoptimiert.

FürdiebetriebsfesteBauteilauslegungsindbeliebige

mehrachsigeSpannungszuständebeianisotropenMaterialien

besonderszubeachten,danichtnurmultiaxiale,sondern

auchuniaxialeSchwingbelastungenörtlichzumultiaxialen

Schwingbeanspruchungenführen,undzusätzlichdieMaterial-

festigkeitrichtungsabhängigist.BeiderWahleinergeeigneten

HypothesezurLebensdauervorhersageistdieszuberück-

sichtigen.D.h.,dieimisotropenFallgängigenVerfahrender

FestigkeitsbeurteilungmehrachsigerBeanspruchungszustände

(z.B.klassischeVergleichsspannungshypothesen)sindfürden

anisotropenFallungeeignet.VielmehrmüssenAnsätzezur

Anwendungkommen,dieesermöglichen,diewechselnde

mehraxialeBeanspruchunginAbhängigkeitderBeanspru-

chungshöheund-richtungzubeurteilen.

ImFraunhoferLBFwurdedieursprünglichfürdenstatischen

FallentwickeltequadratischeBruchhypothesenachTsai-Wu

dahingehendmodifiziert,dassbasierendaufexperimenteller-

mitteltenSchwingfestigkeitenunteruniaxialerBeanspruchung

beliebigemultiaxialeBeanspruchungeninfolgezufallsartiger

Belastungskollektivebewertetwerdenkönnen.DasamLBF

entwickelteVerfahrenwurdeexperimentellerprobtund

konnteamBeispielkurzfaserverstärktenPolyamidsunter

harmonischersowiezufallsartigermultiaxialerBelastung

erfolgreichvalidiertwerden.

Zyklischer Bruchkörper zur Bewertung multiaxialer Beanspruchungen.Fracture body for assessing cyclic, multiaxial loading.

Spannungsverteilung (1. HS) an einer mildgekerbten Zugprobe. Homogenisierung der Schichteigenschaften für je 5 Schichten (rechts) bzw. gesamte Bauteildicke (links).Stress distribution (1st principal) on mildly notched specimen. Homogenization of layer properties in 5 layers respectively (right) and total wall thickness (left).



Strukturintensität–Wasstecktdahinter?Structural intensity – What is behind?

AnwendungfindetdieSTIinverschiedenenBereichen.Soll

mittelseineraktivenRegelungdieSchwingungineinem

Strukturbereichgemindertwerden,sostelltderEnergiefluss

indiesenBereicheinerobusteRegelgrößedar.Weiterhinwird

inderLiteraturgezeigt,dassmittelsderSTIRisseinStrukturen

detektiertwerdenkönnen,dasichderEnergieverlaufbei

AuftreteneinesRissesstarkändert.

AufbauendaufderAnalysederSTIkönnenauchStruk-

turbereicheidentifiziertwerden,indenenderEinsatzvon

DämpfungsbelägenzurEnergiedissipationoderkonstruktive

ÄnderungenzurKörperschalldämmungbesondersaussichts-

reichsind.DieseAnwendungderSTIweisteinhohesPotenzial

zurKostenreduktioninderProduktentwicklungauf,sodass

weitereForschungindiesemBereichzurAbleitungkonkreter,

allgemeingültigerStrukturmaßnahmenwichtigist.

GeratenfesteStruktureninSchwingung,sobreitetsichin

ihnenKörperschallausundeskannlokalzuunerwünscht

starkenSchwingungenoderzueinernichterwünschten

Schallabstrahlungkommen.Entwicklungszielistesdaher,

Strukturensozugestaltenoderaktivzubeeinflussen,dass

dieseEffektevermindertwerden.DieStrukturintensität(STI),

welchedenEnergieflussdersichausbreitendenKörper-

schallwellenbeschreibt,isteinevielversprechendeGröße,

dieneueAnsätzezurgezieltenStrukturoptimierungoder

zurSchwingungskontrollebietet.

MitderSTIkannfürjedenPunkteinesFestkörpersbestimmt

werden,wievielKörperschallenergieinwelcheRichtungfließt.

SieliefertsomitkonkreteInformationendarüber,aufwelchen

PfadensichderKörperschallimInnereneinerStrukturvon

einerAnregungsstelleausgehendverbreitet.DieAnalyseder

STIermöglichtesdemAnwenderdaherzuverstehen,wieso

sicheinspeziellesSchwingverhalteninderStruktureinstellt

unddientsomitdemerweitertenStrukturverständnis.Oftmals

istohneeineAnalysederSTInichterklärbar,wiesoesbei

ähnlichenStrukturendennochzueinemunterschiedlichen

Schwingungsverhaltenkommt.

Contact: M.Sc. Clarissa Schaal · Telephone: +49 6151 16 - 6923 · [email protected]


DasFachgebietSystemzuverlässigkeit

undMaschinenakustikSzMder

TechnischenUniversitätDarmstadtist

personellundinhaltlichengmitdem

FraunhoferLBFverbunden.Esverfolgt

dasZiel,Grundlagen,Methodenund

VerfahrenzurBewertungderZuverläs-

sigkeitkomplexertechnischerSysteme

zuentwickeln.DieseThematikstellt

internationaleinneuesForschungsgebiet

dar.DurchdieIntegrationderArbeits-

gruppeMaschinenakustikimJahr2005

wurdendieKompetenzenimHinblickauf

dieEntwicklungleiserundzuverlässiger

Produktekonsequentergänzt.

TheresearchgroupSystemReliabilityand

MachineAcousticsat„TechnischeUni-

versitätDarmstadt“iscloselyinterlinked

withFraunhoferLBFbothintermsofstaff

andresearchsubjects.Itsfocusisonthe

developmentoffundamentals,methods,

andproceduresfortheevaluationofthe

reliabilityofcomplexsystems–anew

researchareaonaninternationalscale.

TheintegrationoftheMachineAcoustics

groupin2005enhancedtheunit‘s

expertiseintheareaofthedevelopment

ofquieterandmorereliableproducts.

SYSTEMZUVERLÄSSIGKEIT UND MASCHINENAKUSTIK

SYSTEM RELIABILITY AND MACHINE ACOUSTICS

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. T. MelzTelefon: +49 6151 705 - [email protected]

Dr.-Ing. J. Bös Telefon: +49 6151 16 - [email protected]

unterderPrämisse,polymerenFunktions-

materialiendenWegineinepraktische

Nutzbarkeitzuebnen.Weiterhin

wirddasVerhaltenvonPolymerenan

Grenzflächenuntersucht.Sowerden

neuartigehaft-undphasenvermittelnde

Additiveentwickelt,diefürmaßgeschnei-

derteHaftungzwischenverschiedenen

KunststoffenoderKunststoffenmit

anorganischenKomponentensorgen.

DieEntwicklungneuartigerKomposit-

undHybridmaterialienisteinweiterer

Forschungsschwerpunkt.

TheresearchgroupMacromolecular

ChemistryattheTechnischeUniversität

Darmstadtfocusesonfunctionaland

DieArbeitsgruppebefasstsichmit

funktionalenundkolloidalen

PolymersystemensowiePolymerenan

Grenzflächen.ZuderenAufbauwerden

nebenÜbergangsmetall-katalysierten

Polykondensationsprozessenvorallem

kontrollierteundlebendePolymerisati-

onsverfahrengenutzt.Besondersintensiv

werdenneuePolymerefürdie(Opto-)

Elektronikbearbeitet,i.B.organischeLEDs

undorganischeTransistormaterialien

colloidalpolymersystemsaswellaspoly-

mersatinterfaces.Forthedevelopment

ofthesepolymersmethodslikepolycon-

densation,controlledandlivingradical

polymerizationsareused.Aparticular

intensiveresearchedfieldisthedevelop-

mentofnewpolymersfororganicLEDs

andorganicfieldeffecttransistorsonthe

premisetoopenthewayforfunctional

polymermaterials.Inadditionwestudy

thebehaviorofpolymersatinterfaces.

Newinnovativeadhesionenhancingand

phasetransferadditivesfortheadhesion

betweendifferentpolymersorpolymers

withinorganicmaterialsaredevelopedto

improvethepropertiesoftechnicalused

materials.Moreoverthesearchforthe

efficientuseofcomposite-andhybrid

materialsisanothertopicourgroupis

engaged with.

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. M. RehahnTelefon: +49 6151 16 - 5278 [email protected]

MAKROMOLEKULARE CHEMIE

MACROMOLECULAR CHEMISTRY

Associated Departments.

DieassoziiertenFachgebiete.


WeitereLabor-undPrüfeinrichtungendesFraunhoferLBFfindenSieaufunsererInternetseite:www.lbf.fraunhofer.de/laborundversuch


FORSCHUNG MIT SYSTEM

VonderMaterialsynthesebiszumkomplettenSystem,vonder

KonzeptideebiszumfertigenProdukt,vonderAuslegungbis

zurEinsatzerprobung–dasFraunhoferLBFerstelltimengen

DialogmitIhnendaspassendeLeistungspaket.

DasInstitutstehtfürinnovativeLösungeninderSchwingungs-

technik,imLeichtbau,inderZuverlässigkeitundinderPoly-

mertechnik.Schwerpunkteliegenaufsicherheitsrelevanten

BauteilenundSystemen,aufMaterial-undKomponenten-

funktionensowieaufstrukturmechanischenEigenschaften.

InallenPhasenderSystementwicklungund-bewertungwerden

numerischewieexperimentelleMethodeneingesetztum

technischundwirtschaftlichvorteilhafteLösungenzuerzielen.

AlsProjektpartnerprofitierenSievonderinterdisziplinären

ZusammensetzungunsererProjektteams,insbesonderebei

komplexensystemischenFragestellungen.

Experimentelle Versuchstechniken

Variable Versuchsaufbauten:

•ElektrodynamischerotatorischePrüfungen

•ServohydraulischePrüfzylinderfürKräftezwischen5und

2500kNundTorsionsmomentebis64kNm(>200hydrau-

lischePrüfzylinder,330Kraftsensoren,Dehnungsaufnehmer)

•DiverseelektrodynamischeSchwingerreger(Shaker)fürLast-

bereichvon20Nbis27kN(RKV)undeinemFrequenzbereich

bis15kHzundBeschleunigungenbis100g

•Innendruckversuchseinrichtungenbis750bar

•VersuchseinrichtungfüraktiveSysteme

imAntriebsstrang(VaSA)

•IntegrationvonVerbrennungsantriebeninkomplexe

Prüfaufbauten

•Prüfstandsdesign,SpannzeugkonstruktionundProben-

herstellungnachKundenanforderung

Labor-undPrüfeinrichtungenfür IhreindividuellenAnforderungen.

Stationäre Versuchsaufbauten:

•8ZweiaxialeRad-/Naben-VersuchsständefürPkw,Nutz-

undSonderfahrzeugesowieMotorrädereinschließlich

BremssimulationundAntriebssimulation

•VollkinematischerRad-StraßensimulatorW/ALT

(WheelAcceleratedLifeTesting)

•25-KanalGanzfahrzeugprüfstandfürPkw,Transporter,

Elektro-undHybridfahrzeuge

•12-Kanal-AchsprüfstandfürBetriebsfestigkeitsuntersuch-

ungenkomplexerSystemevonPkw-undNutzfahrzeugachsen

•Flexibeleinsetzbarer8-Kanal-Prüfstand(Nutzfahrzeuge,

Militärfahrzeuge,Schienenfahrzeuge)

•Versuchsaufbauzur2-oder3-kanaligenPrüfungvon

Sattelkupplungen

•GetriebeprüfstandfürKomponentenimAntriebsstrang

(Antriebswellen,Gelenke,KupplungenundKomplettge-

triebe),Nenndrehmomentmax.2000Nm,Drehzahlmax.

7500U/min

•LagerprüfstandzurpraxisnahenPrüfungvon

Pkw-RadlagerninderOriginalbaugruppe

•DreiaxialerVersuchsstandzurPrüfungvon

Pkw-Anhängerkupplungen

•ServohydraulischeSäulenprüfmaschinenvon5bis2500kN

•ResonanzprüfmaschinenfürPrüfkräftevon20bis600kN

•Kleinlastprüfständeab1N

•3Tension-TorsionPrüfstände

•2Elastomerprüfstände(1-und3-Kanal)

•Fallgewichtsanlagebis11000JEnergieeintrag

•Impactprüfständevon2bis800J,z.B.fürLeichtbaustrukturen,

•StatischeZug-undDruckprüfungmitbiszu200kN,

z.B.CompressionafterImpact(CAI)

•PrüfstandzurSimulationderPerformancevonMotorlagern

•PrüfstandzurCharakterisierungvonPiezoaktoren

•BatterieprüfzentrummitgroßerKlimakammerund

leistungsstarkemmehraxialenSchwingungstisch(MAST)

•HochdynamischePrüfmaschinebisca.2000Hzzur

CharakterisierungvonpassivenundaktivenLagern

Laboratory equipment and testing facilities – the entire world of testing technology.


•ElektromechanischerPrüfstandzurparallelenPrüfung

vonWerkstoff-ProbenfürElastomer-Wöhlerlinienunter

Temperaturbeanspruchung

Messtechnik:

•KundenspezifischeanalogeSignalaufbereitung(Filter,

Messbereichsanpassung,Temperatur-undFrequenzmessung)

•Kostengünstige,flexibelaufeinenAnwendungsfallanpass-

bareBeschleunigungsaufnehmer

•MessdatenerfassungphysikalischerGrößen,Telemetrieanlagen

zurErfassunganrotierendenSystemen,Hochfrequenzanalyse

•Modulare,freiprogrammierbareMessdatenerfassungfür

LangzeituntersuchungenanKundenfahrzeugenmitAbfrage

perModem

•Wärmebildkamera,z.B.zurThermischenSpannungsanalyse

(TSA)oderLock-inThermographie

•Bildkorrelationssystem(optischeDehnungs-und

Verformungsmessung)

•EntwicklungvonSensorik,speziellanMessaufgaben

desKundenangepasst

•AbrollprüfstandfürFahrzeugräder

•RapidControlPrototypingSystemealsEntwicklungs-

umgebungfürAlgorithmenderRegelungstechnikund

Signalverarbeitung

•4Pkw/Lieferwagen-MessräderRoaDyn®S650derFirma

KistleranpassbaranverschiedeneFelgengrößenundstatische

Radlasten

•4Nfz-MessräderderFirmaKistlerIGelRoaDyn®S6HTmit

Vertikal-undLongitudinalkraftmaximal200kN,Seitenkraft

maximal100kN,undentsprechendenBrems-/Antriebs-,

Hoch-undLängsmomenteanverschiedeneFahrzeuge

undKonfigurationenanpassbar

•SystemzurOrtungvonSchädeninGroßstrukturen

(AcousticEmission)

•Farbeindringprüfung

•FaseroptischeDehnungsmesstechnikmitSpleissgerät

undmehrerenInterrogatoren

•Ultraschallhandgerätmitverschiedenen

FrequenzbereichenfürMetalleundKunststoffe

•BerührungsloseMessungderDehnungsverteilung

mit3D-Kamerasystembis400Hz

•OptischeDehnungsregelungvonWöhlerversuchen

mitKunststoffen

•ComputertomographieundRöntgenlaminographie,

z.B.fürgroßeflächigeFaserverbundstrukturen

•UnwuchterregerfürdieSimulationvonAggregaten

•DigitalVideoMikroskop

•MobilesAuswuchtsystem

•MessplatzTF-Analyzer

•Rotations-LaservibrometerfüreinexzellentesSignal-

Rausch-Verhältnisundeinenbiszu20000U/min

erweitertenDrehzahlbereich

Strukturschwingungen und Akustik:

•ReflexionsarmerAkustik-Messraum

•Schallpegelmesser,Messmikrofone(20kHz),2Mikrofonarrays

•Mehrals50ein-bzw.dreiachsigeBeschleunigungsaufnehmer

(Messbereich:0Hzbis20kHz)

•Impulshämmer,elektrodynamischeShaker

•LaserScanningVibrometer(ein-unddreidimensionale,

berührungsloseSchwinggeschwindigkeitsmessung)

•Ein16-,40-undein64-kanaligesSystemzurErfassung

undAnalysevibroakustischerMessgrößen

• Datenlogger

•LMSTestLabundLMSTestXpress

•AkustischeKamerazurLokalisierungakustischerEmissionen

•KunstkopfMesssystemfürhörgerechteserfassenakustischer

Messgrößen

•BauakustikMesssystemnachDINStandard

•Schallintensitäts-Sonde

•SchallquellenortungmittelsakustischerHolographie

•Experimentelle(EMA)undoperationelle(OMA)Modalanalyse,

Betriebsschwingformanalyse(ODS)

•Transferpfadanalyse


•AnalyseimZeit-undFrequenzbereich(z.B.Transferverhalten,

FourierAnalyse,Terzanalyse,Torsionsschwingungen,

Psychoakustik)

•Bewegungs-undVerformungsanalyseinkl.Visualisierung

mitHochgeschwindigkeitskameras

Umweltsimulation unter zyklischer Belastung:

•KlimakammernzurTrocknung;KonditionierungvonProben

undBauteilensowiezurSimulationvonUmweltbedingungen

fürTemperaturbereichevon-70 °Cbis+350°C

•Hochtemperaturversuchseinrichtungenbis1100°C

•EinrichtungenzurSimulationvonMedieneinflüssen,wie

z.B.Salz,Bremsflüssigkeit,KraftstoffemitTemperaturregelung

bis100°C,Wasserstoff

•MechanischeVibrationsbelastung(Sinus,Rauschen,Schock)

mitüberlagerterthermischerBeanspruchung

•SimulierteBewitterung(Ci4000Weather-Ometer)

•PrüfkörperfürUmwelteinflüsseanKunststoffen

(MultiTesterundMultiWeldTester)

Sonderversuchsstände:

•Kombiniertelektrisch,mechanischePrüfungvonSensoren

(z.B.DMS,FOBG)undstrukturintegriertenKomponenten

(z.B.Faserverbund-Sensor-Wechselwirkungen)

•BelastungseinrichtungenzurQualifzierungmultifunktionaler

Materialien

•HochdynamischePrüfanlagenfürAnwendungen

biszu1000Hz(z.B.zurPrüfungvonMikrosystemen,

CharakterisierungvonElastomeren,etc.)

•ElektrischeundmechanischeZuverlässigkeitsprüfung

vonAkkusundElektronik-Bauteilen

Prototypen Fertigung:

•Kunststoff-Lasersinter-SystemEOSINTP3

•Drahterodiermaschine

•Startlochbohrmaschine

•Wasserstrahlschneidanlage

•3D-Drucker

•FräsmaschineDatronM8

•ReflowOfen

Material- und Bauteilentwicklung von Kunststoffen:

FürdieEntwicklungneuerunddiekundenspezifischeAnpas-

sungetablierterMaterialien,WerkstoffeundBauteileverfügt

dasFraunhofer-InstitutfürBetriebsfestigkeitundSystemzuver-

lässigkeitLBFüberflexibelnutzbareSyntheselabore,analyti-

scheCharakterisierungsmethodenundVerarbeitungstechnika.

Polymersynthese und Additiventwickung:

•SynthesenunterverschiedenstenBedingungenvom

GrammbiszumKilogramm-Maßstab

•ModerneSyntheseverfahrenz.B.kontrolliertePolymerisation

•Oberflächenmodifizierung

•Formulierungsentwicklung

Kunststoffverarbeitung:

•CompoundierungmitDoppelschneckenextrudern

von11bis34mm

•Flachfolienextrusion

•Spritzguss

•BeschichtungvonFolienimRolle-zu-Rolle-Verfahren

•Inline-ProzesskontrolleverschiedenerKunststoff-

verarbeitungsverfahren


Realitätsnah simulieren

KomplementärzuunserenexperimentellenEntwicklungsdienst-

leistungenfindenSieimFraunhoferLBFeinumfangreiches

AngebotanSimulationslösungen.Wirbietendienumerische

AnalysevonSystemen,ihreOptimierungundauchdieNeuent-

wicklungvonpassivenundaktivenTeil-oderGesamtsystemen.

Systemanalyse und Bewertung:

WirbeurteilenIhreKomponentenundSystemenachstatischen,

dynamischen,zyklischenundmultiphysikalischenGesichtspunkten:

•NumerischeBauteilbewertungunterBerücksichtigungder

Fertigung(Urformen,Umformen,Fügen,Kerben,

Eigenspannungen)

•RechnerischeBetriebslastensimulationundLebensdauerab-

schätzungaufBasissimulierterundgemessenerBelastungen

•SimulationinhomogenerWerkstoffsysteme,z.B.

Verbundwerkstoffe

•BerücksichtigungdesnichtlinearenWerkstoffverhaltens

•Analysemechanischer,elektromechanischer,thermo-

mechanischerundvibroakustischerSysteme

•SchwingungstechnischeBewertungundOptimierung

technischerSystemeFertigungssimulationoptimiertBau-

teileigenschaften

Faserverbundlabor:

•FormenbauunterNutzungvonz.B.Rapid-Prototyping

•Prototypen-Fertigung

•HerstellungvonFaserverbundprobenmitPrepreg,

Vakuuminfusion,VAP,RTM

Polymeranalytik:

•BestimmungderchemischenIdentitätvonKunststoffen

undAdditiven

•Molekulargewichtsbestimmung-undVerteilungvonPolymeren

durchGrößenausschlusschromatographie(GPC,SEC)

•ChemischeZusammensetzungundFunktionalitätsanalyse

vonPolymeren

•MehrdimensionaleTrennverfahrenundMethodenkopplungen

Materialeigenschaften:

•ThermischeEigenschaften:z.B.Schmelztemperatur/

GlasübergangstemperaturdurchDSCoderDMA

•ThermischeStabilitätundFüllstoffgehaltevonKunststoffen

durchThermogravimetrie(TGA)

•Morphologie/KristallinitätmitStreumethoden

•BestimmungelektrischerEigenschaften,

triboelektrischeAufladung

• Rheologie

•BrandeigenschaftenvonKunststoffe

Fürverschiedene,standardisiertePrüfungen(z.B.dieRad-

prüfungimzweiaxialenRad-/Naben-Versuchsstand)istunser

InstitutakkreditiertnachDINENISO/IEC17025:2005.

Realitätsnah simulieren

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Faserverbundlabor:

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MehrüberunsereAngeboteerfahrenSieaufdenFraunhofer

LBF-Internetseiten:www.lbf.fraunhofer.de

NehmenSieKontaktzuunsauf!

[email protected]

Unser Know-how verbessert Ihren Entwicklungsprozess:

WirdimensionierenIhreKomponentenundBauteile

bedarfsgerecht:

•Topologie-undGestaltoptimierungimHinblickaufFunktiona-

lität,Betriebsfestigkeit,LeichtbauundFertigungsrestriktionen

•Lastdatenableitung,z.B.durchMehrkörpersimulation,auch

unterVerwendungdomänenübergreifenderSimulationen

•EntwicklungmechatronischerundadaptronischerSysteme

WirentwickelnModellezurrealistischenBeschreibung

desWerkstoff-,Bauteil-undSystemverhaltens:

•ModellierungvonKomponenten(AktorenundSensoren)

aufBasisvonFunktionswerkstoffenmitelektromechanischer

Kopplung(piezoelektrischeWandler,elektroaktiveElastomere,

magnetorheologischeFluide,Formgedächtnislegierungen)

•EntwicklungnichtlinearerWerkstoff-undStrukturmodelle

(z.B.Elastomermodelle,Verbundwerkstoffe)

•MultidisziplinäreSimulation–KopplungvonSimulationscodes

•OrdnungsreduktionvonFE-ModellenfürdieSystemsimulation

•IdentifikationvonSimulationsmodellenausMessdaten

•ÜberführenvonModelleninEchtzeitanwendungen

•AnpassungundOptimierungvondynamischenSimulations-

modellenzurLastdatenbestimmung

•AuslegungvonfaserverstärktenKunststoffbauteilenunter

BerücksichtigungdesHerstellungsprozesses

•MaterialkartenentwicklungfürdieKunststoffsimulation

•AufstellenvonanisotropenSteifigkeitsmatrizenüber

Homogenisierungsmethoden

DieUmsetzungvonVorschriften,NormenundZulassungs-

bedingungenineffizienteundaufdenEntwicklungsprozess

abgestimmteNachweisverfahrenderSystemeigenschaften

isteineunsererStärken.Beispiele:

•ErarbeitungkombinierterNachweisverfahren(Versuch/

Simulation)fürdieSicherheitvonBauteilen

•AbleitungvonErsatzversuchen

•EntwicklungvonMethodenzurBewertungderBetriebsfestig-

keitvonMetall-undKeramikbauteilensowievonBauteilen

ausverstärktenundunverstärktenKunststoffen

Entwicklung von Neusystemen:

ErgebnisseunsererMarktvorlaufforschungkönnenIhre

Produktevoranbringen.DieengeVerknüpfungzurTechnischen

UniversitätDarmstadtundBeteiligunganSonderforschungsbe-

reichenderDFGundandererwissenschaftlicherGroßprojekte

vernetzenunsmitderGrundlagenforschungauchimBereich

dernumerischenMethoden.AnderSchnittstellezwischen

ForschungundUmsetzungnutzenwirdieseErkenntnissezur

UnterstützungIhrerEntwicklungsaufgaben.

ProfitierenSieauchvonunserenstarkenNetzwerkenund

unsererExpertisebeiderAkquisitionvonFördermöglichkeiten

durchEU,BundundLand.


DieFraunhofer-Gesellschaft.The Fraunhofer Gesellschaft.

ForschenfürdiePraxisistdiezentraleAufgabederFraunhofer-

Gesellschaft.Die1949gegründeteForschungsorganisation

betreibtanwendungsorientierteForschungzumNutzender

WirtschaftundzumVorteilderGesellschaft.Vertragspartner

undAuftraggebersindIndustrie-undDienstleistungsunter-

nehmensowiedieöffentlicheHand.

DieFraunhofer-GesellschaftbetreibtinDeutschlandderzeit

66InstituteundForschungseinrichtungen.Knapp24.000

MitarbeiterinnenundMitarbeiter,überwiegendmitnatur-oder

ingenieurwissenschaftlicherAusbildung,erarbeitendasjährliche

Forschungsvolumenvonmehrals2MilliardenEuro.Davon

fallenrund1,7MilliardenEuroaufdenLeistungsbereich

Vertragsforschung.Über70ProzentdiesesLeistungsbereichs

erwirtschaftetdieFraunhofer-GesellschaftmitAufträgenaus

derIndustrieundmitöffentlichfinanziertenForschungspro-

jekten.Knapp30ProzentwerdenvonBundundLändernals

Grundfinanzierungbeigesteuert,damitdieInstituteProblem-

lösungenentwickelnkönnen,dieerstinfünfoderzehnJahren

fürWirtschaftundGesellschaftaktuellwerden.

InternationaleKooperationenmitexzellentenForschungs-

partnernundinnovativenUnternehmenweltweitsorgenfür

einendirektenZugangzudenwichtigstengegenwärtigen

undzukünftigenWissenschafts-undWirtschaftsräumen.

MitihrerklarenAusrichtungaufdieangewandte

ForschungundihrerFokussierungaufzukunfts-

relevanteSchlüsseltechnologienspieltdieFraunhofer-

GesellschafteinezentraleRolleimInnovationsprozess

DeutschlandsundEuropas.DieWirkungderange-

wandtenForschunggehtüberdendirektenNutzen

fürdieKundenhinaus:MitihrerForschungs-und

EntwicklungsarbeittragendieFraunhofer-Institute

zurWettbewerbsfähigkeitderRegion,Deutschlands

undEuropasbei.SiefördernInnovationen,stärkendie

technologischeLeistungsfähigkeit,verbesserndieAkzeptanz

modernerTechnikundsorgenfürAus-undWeiterbildungdes

dringendbenötigtenwissenschaftlich-technischenNachwuchses.

IhrenMitarbeiterinnenundMitarbeiternbietetdieFraunhofer-

GesellschaftdieMöglichkeitzurfachlichenundpersönlichen

EntwicklungfüranspruchsvollePositioneninihrenInstituten,

anHochschulen,inWirtschaftundGesellschaft.Studierenden

eröffnensichaufgrundderpraxisnahenAusbildungund

ErfahrunganFraunhofer-InstitutenhervorragendeEinstiegs-

undEntwicklungschanceninUnternehmen.

NamensgeberderalsgemeinnütziganerkanntenFraunhofer-

GesellschaftistderMünchnerGelehrteJosephvonFraunhofer

(1787–1826).ErwaralsForscher,ErfinderundUnternehmer

gleichermaßenerfolgreich.

www.fraunhofer.de

FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 2014 111FRAUNHOFER LBF ANNUAL REPORT 2014 111

Der Fraunhofer-Verbund MATERIALS bündelt die Kompe-

tenzen der materialwissenschaftlich orientierten Institute

der Fraunhofer-Gesellschaft.

MaterialwissenschaftundWerkstofftechnikumfasstbei

FraunhoferdiegesamteWertschöpfungskettevonderEnt-

wicklungneuerundderVerbesserungbestehenderMaterialien

überdieFertigungsverfahrenimquasi-industriellenMaßstab,

dieCharakterisierungderEigenschaftenbishinzurBewertung

desEinsatzverhaltens.EntsprechendesgiltfürdieausdenMate-

rialienhergestelltenBauteileundderenVerhalteninSystemen.

InalldiesenFeldernwerdennebendenexperimentellenUnter-

suchungeninLaborsundTechnikagleichrangigdieVerfahren

dernumerischenSimulationundModellierungeingesetzt,dies

überalleSkalen,vomMolekülbiszumBauteilundzurProzess-

simulation.StofflichdecktderFraunhofer-VerbundMATERIALS

dengesamtenBereichdermetallischen,anorganisch-nichtme-

tallischen,polymerenundausnachwachsendenRohstoffen

erzeugtenWerkstoffesowieHalbleitermaterialienab.

DerVerbundsetztseinKnow-howvorallemindenGeschäfts-

feldernEnergie&Umwelt,Mobilität,Gesundheit,Maschinen-&

Anlagenbau,Bauen&Wohnen,Mikrosystemtechnikund

Sicherheitein.ÜbermaßgeschneiderteWerkstoff-undBauteil-

entwicklungensowiedieBewertungdeskundenspezifischen

EinsatzverhaltenswerdenSysteminnovationenrealisiert.Mit

strategischenVorschauenunterstütztderVerbunddieEnt-

wicklungvonMaterialenundTechnologienfürdieZukunft.

Ziele des Verbundes sind:

•ErhöhungvonSicherheitundKomfortsowieReduzierung

desRessourcenverbrauchsindenBereichenVerkehrstechnik,

Maschinen-undAnlagenbau,Bauen&Wohnen.

•SteigerungderEffizienzvonSystemenderEnergieerzeugung,

Energiewandlung,Energiespeicherungund-verteilung.

•VerbesserungderBiokompatibilitätundderFunktionvon

medizin-oderbiotechnischeingesetztenMaterialien.

•ErhöhungderIntegrationsdichteundVerbesserungder

GebrauchseigenschaftenvonBauteilenderMikroelektronik

undMikrosystemtechnik.

•VerbesserungderNutzungvonRohstoffenundQualitätsver-

besserungderdaraushergestelltenProdukte,Recyclingkon-

zepte

Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für

•AngewandtePolymerforschungIAP

•BauphysikIBP

•BetriebsfestigkeitundSystemzuverlässigkeitLBF

•ChemischeTechnologieICT

•FertigungstechnikundAngewandteMaterialforschungIFAM

•Holzforschung,Wilhelm-Klauditz-Institut,WKI

•KeramischeTechnologienundSystemeIKTS

•Kurzzeitdynamik,Ernst-Mach-Institut,EMI

•SilicatforschungISC

•SolareEnergiesystemeISE

•System-undInnovationsforschungISI

•WerkstoffmechanikIWM

•ZerstörungsfreiePrüfverfahrenIZFP

•WindenergieundEnergiesystemtechnikIWES

sowie als ständige Gäste die Institute für:

•Techno-undWirtschaftsmathematikITWM

•Grenzflächen-undBioverfahrenstechnikIGB

•IntegrierteSchaltungenIIS.

Verbundvorsitzender:

Prof.Dr.-Ing.PeterElsner

Fraunhofer-InstitutfürChemischeTechnologieICT

Joseph-von-Fraunhofer-Straße7·76327Pfinztal

Stellv. Verbundvorsitzender:

Prof.Dr.-Ing.PeterGumbsch,FraunhoferIWM

Geschäftsführung:

Dr.phil.nat.UrsulaEul

Telephone:+496151705-262·Fax:+496151705-214

[email protected]

Fraunhofer-InstitutfürBetriebsfestigkeitund

SystemzuverlässigkeitLBF·Bartningstraße47·64289Darmstadt

www.materials.fraunhofer.de

Fraunhofer-VerbundMATERIALS.The Fraunhofer Materials Group.

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AusgründungenundBeteiligungendesFraunhoferLBF.Fraunhofer LBF spin-offs.

ISYS Adaptive Solutions GmbH – Reliable tests for reliable products

DieISYSAdaptiveSolutionsGmbHisteinSpin-OffdesFraunhoferLBFausdemBereichAdaptronikmit

SitzinDarmstadt-Kranichstein.KerngeschäftistdieEntwicklungundderVertriebvonSonderprüfmaschinen,

insbesondereprüftechnischeLösungenzurhöherfrequentenundhochpräzisenmechanischenCharakterisierungundDauerprüfung

vonMaterialproben,Klein-undKleinstbauteilen.UnterVerwendungpiezokeramischerAktorenwurdenindenletztenJahrenstandar-

disiertePrüfmaschinenentwickelt,dieaufkundenspezifischeAnforderungenangepasstwerdenkönnen.InKooperationmitdem

FraunhoferLBFkonntendiesePrüfmaschinenunteranderemfürUntersuchungendesVHCF-(VeryHighCycleFatigue)Verhaltensopti-

miertwerdenundliefernseitdemBauteil-undMaterialkennwerteäußersterPräzisionundZuverlässigkeit.EinneuerGeschäftszweig

derISYSAdaptiveSolutionsistdieApplikationvonSpezial-Dehnungsmessstreifen.AufdiejeweiligenKundenbedürfnisseangepasste

DehnungsmessstreifenwerdenauchinkleinsterAuflageentwickelt,produziertundbeiBedarffachgerechtappliziert.Darüberhinaus

bietetdieISYSinKooperationmitExpertendesFraunhoferLBFstrukturdynamischeAnalysenunddarausabgeleiteteOptimierungen

vonPrüf-undProduktionsmaschinenan.

Ansprechpartner:Dipl.-Kfm.AndréNeu·Telephone:+49615166920-0·[email protected]·www.isys-as.de

Software-Entwicklung und Vertrieb (S&S GmbH)

DieStress&StrengthGmbH(S&S)wurdeimMai2000vomFraunhoferLBFalsSpin-Offgegründet.Kern-

geschäftistEntwicklungundVertriebvonSpezialsoftwarefürdieZeitreihen-undDatenanalysesowieden

rechnerischenBetriebsfestigkeitsnachweis.DasSpin-OffbefasstsichhauptsächlichmitdersoftwaretechnischenUmsetzungvonim

FraunhoferLBFentwickeltennumerischenMethodenundvertreibtdieseSoftwareprodukte.AlsKMUistdieS&Saucherfolgreich

alsProjektpartnerfürFörder-undForschungsprojekteindenobengenanntenKompetenzbereicheneingebunden.ZieldesUnter-

nehmensistes,alsPartnermitbreitgefächerterKompetenzfürSoftwareundAlgorithmeninderBetriebsfestigkeitdieIndustrie,

vorallemindenBranchenAutomobil-,Bahn-,Luft-undRaumfahrtindustrie,Medizintechnik,OptikunddesMaschinenbausbei

ForschungundEntwicklungzuunterstützen.UnteranderemzählenfolgendeUnternehmenzuihrenKunden:AccurideWheel

EndSolutions(USA)|AlcoaWheelProductsEuropeLtd(Ungarn)|AudiAG|HyundaiMotorGroup(Südkorea)|MANNutzfahr-

zeugeAG|OttoFuchsMetallwerke|Dr.Ing.h.c.F.PorscheAktiengesellschaft|UniwheelsAutomotive(Germany)GmbH|

WheelsIndiaLtd.(Indien).

Ansprechpartner:Dipl.-Kfm.AndréNeu·Dipl.-Ing.RüdigerHeim·Telephone:+49615196731-0·[email protected]·www.s-and-s.de

Fluid Digital Control

DieFludiconGmbHistTechnologieführerimBereichderElektrorheologie.Elektrorheologische

Fluide(ERF)lassensichinihrerViskositätdurchAnlegeneineselektrischenSteuerfeldes

verändern.DarüberkönnenadaptiveKomponentenwiez.B.verstellbareDämpfer,Kupplungen,nicht-mechanischeVentile

undAktorenrealisiertwerden.Fludiconwurde2001alsSpin-OffderSchenckAGinDarmstadtgegründet.Heutesinddas

FraunhoferLBFundseinWürzburgerSchwesterinstitut,dasFraunhoferISC,anderFludiconGmbHbeteiligt.Durchdie

BeteiligungderForschungsinstituteamUnternehmenkönnenForschungsergebnisseundMarkterfordernissebesserabge-

glichenundInnovationenschnellerrealisiertwerden.FraunhoferISCundLBFbringendabeiihreExpertiseindenBereichen

derMaterialtechnologie(ISC)undaktiven,elektromechanischenStruktursystemensowiederStrukturoptimierung(LBF)ein.

Ansprechpartner:Dipl.-Ing.HeinzUlrichHensgen·Telephone:+4961512798-6·[email protected]·www.fludicon.de

Das Technologienetzwerk Rhein-Main Adaptronik e. V.

wurde 2007 auf Initiative des Fraunhofer LBF als einge-

tragener Verein in Darmstadt gegründet. Hier ist auch

die Geschäftsstelle angesiedelt.

Zu den Mitgliedern gehören kleine und mittlere Betriebe

sowie große Industrieunternehmen, hinzu kommen

Universitäten, Fachhochschulen und Forschungsein-

richtungen. Der Verein bietet damit ein breites Kompe-

tenzspektrum rund um die Adaptronik, von Materialien

und Werkstofftechnik über Sensorik und Aktorik bis hin

zu Prototyping und Prüftechnik, von der Grundlagenun-

tersuchung bis zur Anwendung.

ZieldesRhein-MainAdaptronike.V.istes,AkteureausWirt-

schaftundWissenschaft,dieanunterschiedlichenStellender

Wertschöpfungsketteforschen,entwickelnoderanwenden,zu

vernetzenundweiterePotenzialederTechnologiezuerarbeiten

undauszuschöpfen.

DerVereinbietetseinenMitgliederneinePlattformzumoffenen

Dialog,zumvertrauensvollenErfahrungsaustauschundzur

InitiierungundUmsetzunggemeinsamerProjekte.Darüber

hinauszählenu.a.InformationenzuFörderoptionenund

Fachveranstaltungen,gemeinsameMarketingaktivitätensowie

VermittlungvonKooperationspartnernzudenZielen.

Rhein-MainAdaptronike.V.richtetsichvorallemandieZiel-

märkteAutomotive,Maschinen-undAnlagenbau,Aerospace

undAutomatisierungstechnik.

DasZusammenführenvongeeignetenPartnernwirdfortge-

setztunderweitert.Perspektivischisteinebundesweite

AusweitungderVereinsaktivitätenvorgesehen.ImZugedieser

auchgeografischenAusweitungwirdsichderVerein2015in

„KompetenznetzAdaptronike.V.“umbenennen.

Vorstand:

Prof.Dr.-Ing.TobiasMelz(Vorsitzender),FraunhoferLBF

Dr.HartmutBaumgart,AdamOpelAG

Dr.phil.nat.UrsulaEul(stv.Vorsitzendeund

Geschäftsführung),FraunhoferLBF

Telephone:+496151705-262

[email protected]

www.rhein-main-adaptronik.com

Mitglieder im Netzwerk sind (Stand Dezember 2014):

•AdamOpelAG

•ContiTechVibrationControlGmbH

•DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrte.V.(DLR)

•FLUDICONGmbH

•Fraunhofer-InstitutfürBetriebsfestigkeit

undSystemzuverlässigkeitLBF

•FreudenbergForschungsdiensteKG

•InstitutfürFaserverbundleichtbauundAdaptronikdesDLRe.V.

•HochschuleDarmstadt

•ISYSAdaptiveSolutionsGmbH

•KSBAktiengesellschaft

•LORDGermanyGmbH

•MecatronixAG

•SparkasseDarmstadt(Fördermitglied)

•SchenckRoTecGmbH

•TechnischeUniversitätDarmstadt

•ts3–thesmartsystemsolutiongmbh

Rhein-MainAdaptronik:EinePartnerschaft,vieleVorteile.One partnership – many advantages.

113

Save the Date!

6.und7.April2016inDarmstadt

AllianzenundNetzwerke.Alliances and networks.


MitunseremEngagementinVerbündenundmarktorientiertenNetzwerkeninnerhalbundaußerhalbderFraunhofer-Gesell-

schafterweiternwirIhreundunsereMöglichkeitenintechnischerundwirtschaftlicherHinsicht.Dieengeundinterdisziplinäre

ZusammenarbeitmitunserenspezialisiertenSchwester-InstitutenimFraunhofer-LeistungsverbundschaffthervorragendeVoraus-

setzungenfürdenAufbauvonSystemleistungenundverstärktunsereInnovationskraftfürdieAuslegungIhrerProduktentwick-

lungen.GleichzeitigkönnenwirmitdenIndustriepartnernindenwirtschaftsnahenNetzwerkenüberdieProzesskettehinweg

neueEntwicklungenwettbewerbsfähigundeffizientgestalten.NutzenSieunsereumfangreichenMöglichkeitenineinem

NetzwerkvonExpertenausWirtschaft,WissenschaftundangewandterFuE.

Fraunhofer-Allianz Leichtbauwww.leichtbau.fraunhofer.deSprecher(komm.):Prof.Dr.-Ing.AndreasBü[email protected]

Fraunhofer-Allianz Numerische Simulation von Produkten und Prozessenwww.simulation.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:BjörnHaffke·bjö[email protected]

Fraunhofer-Allianz Hochleistungskeramikwww.hochleistungskeramik.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:Dr.-Ing.KlausLipp·[email protected]

Fraunhofer-Allianz Verkehrwww.verkehr.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]

Fraunhofer-Allianz Adaptronikwww.adaptronik.fraunhofer.deSprecher:[email protected]

Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteilewww.vwb.fraunhofer.deGeschäftsführung:[email protected]:Prof.Dr.Ing.PeterElsner(FraunhoferICT)

Fraunhofer-Allianz autoMOBILproduktionwww.automobil.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]

Fraunhofer-Innovationscluster Technologien für den hybriden Leichtbau »KITe hyLITE «, Karlsruhewww.fahrzeugleichtbau.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:Prof.Dr.-Ing.AndreasBüter·[email protected]

Fraunhofer Academywww.academy.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:Prof.Dr.-Ing.AndreasBü[email protected]

Fraunhofer-Allianz Batterienwww.batterien.fraunhofer.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]


Ourinvolvementinalliancesandmarket-orientednetworkswithinandoutsideoftheFraunhoferGesellschaftexpandsyour

technicalandeconomicpossibilities.Thecloseandinterdisciplinarycooperationwithourspecializedsisterinstitutesinthe

Fraunhoferperformancealliancelaystheoptimumfoundationsforthesetupofsystemperformancesandstrengthensour

innovationpotentialforthedesignofyourproductdevelopments.Atthesametime,wecancreatecompetitiveandvery

profitablenewdevelopmentsalongtheprocesschainwithindustrypartnersinmarket-relatednetworks.Takeadvantageof

ourextensivepossibilitiesinanetworkofexpertsfrombusiness,researchandadministration.

www.rhein-main-adaptronik.deVorstandsvorsitzender:Prof.Dr.-Ing.TobiasMelzGeschäftsführung:[email protected]

www.euceman.comAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]

www.materials-valley-rheinmain.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]

www.forum-elektromobilitaet.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:Dipl.-Ing.Rü[email protected]

www.earpa.orgAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:[email protected]

www.dvm-berlin.deAnsprechpartnerimFraunhoferLBF:Dipl.-Ing.Rü[email protected]

FraunhoferLBF– ZahlenundFakten.Fraunhofer LBF – further facts and figures.

DetaillierteInformationenfindenSieunter:www.lbf.fraunhofer.de/datenundfakten

29 x Vorlesungen Lectures

67 x AkademischeAbschlüsse (Promotionen,Master,Diplomarbeiten) Academicexaminations

234 xPresseveröffentlichungen Press releases

96 xwissenschaftliche Veröffentlichungen scientificpublications

62 xMitarbeitininternationalen FachausschüssenundGremien Workininternationalexpertcommitteesandpanels


InformationenzuwissenschaftlichenVeröffentlichungen2014,Vorträgen,Vorlesungen,Promotionen,Patentensowieunserem

EngagementinFachausschüssenbietenwirIhnenineinemgesondertenPDFan.SiefindenesaufunsererInternetseite

www.lbf.fraunhofer.de/datenundfakten. DarüberhinausinformierenwirSieaufdenFraunhoferLBF-Webseitenauchstetsüber

aktuelleVorträgeunsererWissenschaftlersowieüberVeranstaltungenundMessen,andenendasFraunhoferLBFbeteiligtist.

Informationregardingscientificpublicationsreleasedin2014,papers,lectures,doctoratespatentsandourinvolvement

invarioustechnicalcommitteeshasbeenconsolidatedinaseparatepdffile,whichyouwillfindonourwebsite

www.lbf.fraunhofer.de/datenundfaktenInaddition,ourwebsitealsoprovidesinformationonthelatestpapers

readbyourscientistsaswellasinformationonongoingeventsandtradeshowsattendedbyFraunhoferLBF.


Herausgeber | Publisher

Fraunhofer-InstitutfürBetriebsfestigkeit

undSystemzuverlässigkeitLBF

Bartningstraße47

64289Darmstadt

Telephone:+496151705-0

Fax:+496151705-214

[email protected]

www.lbf.fraunhofer.de

Institutsleitung | Acting Director of Institute

Prof.Dr.-Ing.TobiasMelz(komm.)

Redaktion | Editor

Dr.phil.nat.UrsulaEul,

AbteilungsleiterinStrategischesManagement

Koordination | Coordination

AnkeZeidler-Finsel,

PresseundÖffentlichkeitsarbeit

Koordinaten für GPS | GPS coordinates

49°54’13’’N

08°40’56’’E

DieAnfahrtsbeschreibungfindenSieimInternetunter:

www.lbf.fraunhofer.de/anfahrt

Konzeption | Conception

Dr.phil.nat.UrsulaEul,FraunhoferLBF

innos–SperlichGmbH,Göttingen,www.innos-sperlich.de

Design / Layout / PrePress

GuteBotschafterGmbH

SpezialistenfürPositionierungsdesign

HalternamSee,KölnamRhein,WienanderDonau

www.gute-botschafter.de

Fotografie | Photography

KatrinBinner,RüdigerDunker,fotolia(Assmy,Clarini,

goodluz,Gunnar,Grafvision,kmiragaya,PictureArt),

istockphoto(koi88),LBF-Archiv,JürgenMai,MEVVerlag

GmbH,FelixKrumbholz,RolandPlatz,UrsulaRaapke

Druck | Printing

gutenbergbeuysgesellschaftfürdigital-

undprintmedienmbh,feindruckerei,Hannover

www.feindruckerei.de

ISSN

1864-0958

©Fraunhofer-InstitutfürBetriebsfestigkeitund

SystemzuverlässigkeitLBF,Darmstadt,März2015

AlleRechte,insbesonderedasRechtderVervielfältigung

undVerbreitungsowiederÜbersetzung,vorbehalten.

Impressum.Imprint.

Dr. Hartmut Baumgart (Vorsitzender)

Adam Opel AG, Rüsselsheim

Dr.-Ing. Gerold Bremer

Volkswagen AG, Wolfsburg

Dr.-Ing. Mathias Glasmacher

Diehl Stiftung & Co. KG, Nürnberg

Dr. Arbogast M. Grunau

Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach

Dr.-Ing. Frank Höller

Carl Zeiss AG, Oberkochen

Dr.-Ing. Ferdinand Hollmann

Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bonn

Dr. Stefan Kienzle

Daimler AG, Ulm

Dr. Patrick Kim


Dr.-Ing. Peter Klose

Klose Engineering GbR, Hardthausen

Dr. Ulrike Mattig

Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Wiesbaden

Dr.-Ing. Andreas Müller

Dr. h.c. F. Porsche AG, Weissach

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Technische Universität Darmstadt, Darmstadt

Hermann Riehl

Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn

Dr.-Ing. Oliver Schlicht

Audi AG, Ingolstadt

Edgar Westermair


Dr. Hans-Joachim Wieland, FOSTA Forschungsvereinigung

Stahlanwendung e. V., Düsseldorf

Die Institutsleitung des Fraunhofer LBF dankt den Kuratoren im Namen aller Mitarbeiterinnen und

Mitarbeiter für ihr Engagement sowie für die fruchtbare und konstruktive Zusammenarbeit!

Das Kuratorium setzt sich aus Vertretern der Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlichen Hand zusammen. Die Mitglieder stehen dem Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft und der Institutsleitung beratend zur Seite.

Kuratorium.Board of Trustees.

Vielen Dank für Ihr Vertrauen!Thank you for your trust!

Wir danken allen Kunden und Partnern, die uns für den Jahresbericht 2014 ihr Logo zur Verfügung gestellt haben und allen, die in Projekten mit uns kooperiert haben.

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ISSN 1864-0958

www.lbf.fraunhofer.de Jahresbericht Annual report 2014

V I B R A T I O N T E C H N O L O G Y, L I G H T W E I G H T C O N S T R U C T I O N , R E L I A B I L I T Y, P O LY M E R T E C H N O L O G Y

Lbf jahresbericht 2014

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