Leichtbau macht Produkte wettbewerbsfähig und nachhaltig. Sicherheit und zuverlässige Funktion müssen dabei gewährleistet sein. Vielversprechende neue Ansätze für nachhaltige und effiziente Fertigungsverfahren mit naturfaserverstärkten Materialien und das Leichtbaupotenzial durch vibroakustische Metamaterialen zeigten die Exponate aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt auf der „Highly advanced materials for a circular world“ vom 14. bis 16. November 2023 in Jönköping/Schweden.
Damit Maschinenbau und Mobilität noch wirtschaftlicher werden, müssen die dort eingesetzten Komponenten effizienter hergestellt und leichter gestaltet werden. Treiber sind nicht nur strengerer Emissionsregeln, sondern auch das wachsende Bewusstsein für Umwelt und Nachhaltigkeit in der Gesellschaft.
Aktuelle Fraunhofer-Forschungslösungen für den nachhaltigen Leichtbau sind beispielsweise eigenschaftsoptimierte, besonders leichte Strukturlösungen für den funktionsintegrierten, intelligenten Leichtbau – immer unter Berücksichtigung von Zuverlässigkeit, Nachhaltigkeit und Bezahlbarkeit der technischen Produktlösung.
Auf der bedeutenden Messe für die technische Zulieferindustrie in Skandinavien demonstrierte das Fraunhofer LBF mit dem „nachhaltigen Batteriegehäuse für E-Bikes“ das Potenzial für die Serienfertigung und die „Autotür“ zeigte exemplarisch, wie industrielle Anwendungen von vibroakustischen Metamaterialen profitieren.
Leicht und mobil mit naturfaserverstärkten Kunststoffen
Um individuell auf Kundenwünsche einzugehen und der gesellschaftlichen und politischen Verantwortung nachzukommen, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer LBF in Zusammenarbeit mit der Ansmann AG das Forschungsprojekt „BioBattery“ zur Entwicklung von naturfaserverstärkten Kunststoffen für den Einsatz in Li-Ionen Batteriegehäusen durchgeführt. Die naturfaserverstärkten Kunststoffe zeichnen sich durch ihre geringe Dichte, gute mechanische Eigenschaften, geringe Neigung zum Splittern sowie die vergleichsweisen geringen Kosten aus.
Am Fraunhofer LBF wurden mit einem neuen Verfahren unterschiedliche Naturfasergewebe mit Kunststoffschmelze, bei gleichzeitiger Reduktion der Kontaktzeit, imprägniert und anforderungsgerecht modifiziert. Basierend auf einem angepassten Bauteil-Design des Batteriegehäuses, zur Erfüllung der zahlreichen Normen, wurden mittels eines innovativen Spritzgussverfahrens lokale Naturfaserverstärkungen in das Gehäuse eingebracht.
Das resultierende Gehäuse überzeugt, im Vergleich zum ursprünglichen Gehäuse, durch eine Gewichtsreduktion von 30 %, bei gleichzeitiger Steigerung der Steifigkeit um 15 % und adressiert gleichzeitig den zentralen Leitgedanken einer effizienten und umweltschonenden Ressourcennutzung unter Vermeidung von Treibhausgasen.
Vibroakustische Metamaterialien: Mehr Komfort für die Mobilität
Bei leichten Konstruktionen treten oft Schwingungsprobleme auf, welche die Lebensqualität und den Komfort im Alltag maßgeblich beeinflussen. Konventionelle Ansätze zur Schwingungs- und Lärmreduktion stoßen oft an ihre Grenzen. Im Fraunhofer LBF werden Anwendungen mit vibroakustischen Metamaterialien für das optimierte strukturdynamische Verhalten entwickelt. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) stellen eine neuartige Maßnahme zur Schwingungsminderung dar und haben Vorteile in der Beeinflussung des Schwingungsverhaltens gegenüber konventionellen Maßnahmen. Sie kommen als Schwingungsminderungsmaßnahme in den verschiedensten Branchen zum Einsatz, beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau oder in der Raumfahrt. VAMM mindern störenden Körper- oder Luftschall und helfen, Gerätschaften zu stabilisieren und Komfort zu steigern.
Bei VAMM handelt es sich um Strukturen mit speziell, meist periodisch, angeordneten strukturdynamischen und/oder akustischen Resonatoren. Die hohe Wirksamkeit von VAMM beruht auf der gezielten Auslegung und Anordnung der Einheitszellen im Verbund und der damit stattfindenden Interaktion der Einheitszellen untereinander.
