WEBVTT

00:00.000 --> 00:03.400
Unsere Autos leiden an chronischem Übergewicht.

00:03.860 --> 00:07.420
Jede neue Modellgeneration bringt mehr auf die Waage.

00:07.900 --> 00:11.460
Das hat mit verbesserter Sicherheit zu tun, aber auch immer weiter

00:11.460 --> 00:16.800
wachsende Ansprüche an den Komfort tragen dazu bei, dass manche SUVs

00:16.800 --> 00:20.000
inzwischen zwei Tonnen und mehr auf die Waage bringen.

00:20.300 --> 00:23.760
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen schlägt das Gewicht der

00:23.760 --> 00:27.340
Batterien mit 300 bis 400 Kilogramm zu Buche.

00:27.940 --> 00:32.560
Gewicht aber bedeutet höheren Verbrauch und damit auch mehr CO2

00:32.560 --> 00:36.940
-Ausstoß, bei E-Fahrzeugen eine geringere Reichweite.

00:37.280 --> 00:41.920
Diesen Trend umzudrehen, daran arbeiten Forschende am Institut für

00:41.920 --> 00:45.860
Fahrzeugsystemtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie.

00:46.440 --> 00:51.580
Mit neuen Werkstoffen Fahrzeuge deutlich leichter zu machen, ohne dass

00:51.580 --> 00:54.100
das einen Verlust an Sicherheit bedeutet.

00:54.400 --> 00:57.420
Das ist in der Tat ein Dilemma, dass die Autos immer schwerer werden.

00:57.540 --> 00:59.920
Ich kann nicht nachvollziehen, warum sich dieser Trend so entwickelt.

01:00.140 --> 01:04.220
Also der Bedarf an Komfort scheint zu überwiegen gegenüber dem

01:04.220 --> 01:06.060
Gedanken bezüglich der Nachhaltigkeit.

01:06.320 --> 01:09.540
Und ein leichteres Fahrzeug, ein kleineres Fahrzeug verbraucht weniger

01:09.540 --> 01:12.280
Kraftstoff und das sollte das Ziel sein.

01:12.580 --> 01:16.340
Es ist natürlich so, wenn zwei Fahrzeuge gegeneinander stoßen, dann

01:16.340 --> 01:20.100
einfach durch Impulserhalt hat das leichtere Fahrzeug den Nachteil.

01:20.180 --> 01:23.040
Aber der Trend darf eigentlich nicht sein, dass dadurch ein

01:23.040 --> 01:26.480
gegenseitiges Aufrüsten passiert, dass die Fahrzeuge immer schwerer

01:26.480 --> 01:29.960
werden, weil der Fahrzeughalter oder die Fahrzeughalterin sich dann

01:29.960 --> 01:30.720
sicherer fühlt.

01:31.080 --> 01:33.360
Also der Trend sollte eigentlich in die andere Richtung gehen, dass

01:33.360 --> 01:36.780
die Fahrzeuge leichter werden, denn dann die Unfälle haben auch

01:36.780 --> 01:40.080
weniger Personenschaden und weniger Schaden an der Karosserie, wenn

01:40.080 --> 01:41.100
die Fahrzeuge leichter sind.

01:41.440 --> 01:44.500
Ich möchte gerne, dass sie leichter werden die Fahrzeuge und dass wir

01:44.500 --> 01:48.900
von der Faserverbundseite her das durch unsere Simulationsmethoden

01:48.900 --> 01:49.680
unterstützen können.

01:49.800 --> 01:52.380
Dass die Gesellschaft sich so entwickelt und die Politik so

01:52.380 --> 01:55.340
entwickelt, dass die Fahrzeuge leichter werden.

01:55.520 --> 01:59.120
Die Professorin Luise Kerger arbeitet am Institut für

01:59.120 --> 02:03.040
Fahrzeugsystemtechnik des Carlsruher Instituts für Technologie.

02:03.620 --> 02:07.980
Ihr Forschungsschwerpunkt ist der Einsatz von Computersimulation zur

02:07.980 --> 02:11.100
Optimierung von Verbundwerkstoffen im Fahrzeugbau.

02:11.660 --> 02:14.900
Optimierung sowohl der Bauteile selbst als auch ihres

02:14.900 --> 02:16.220
Herstellungsprozesses.

02:16.880 --> 02:21.400
Sogenannte Faserverbundwerkstoffe können auch bei tragenden Elementen

02:21.400 --> 02:26.080
der Karosserie eingesetzt werden und sind fünfmal leichter als Stahl.

02:26.540 --> 02:30.940
Sie bestehen aus zwei Hauptkomponenten, der Matrix und den

02:30.940 --> 02:32.500
verstärkenden Fasern.

02:32.680 --> 02:37.380
Die Fasern haben sehr sehr dünne Durchmesser, Mikrometerbereich und

02:37.380 --> 02:40.660
haben eine extrem hohe Festigkeit und Steifigkeit in die Faserrichtung

02:40.660 --> 02:43.420
und damit können sie sehr sehr hohe Lasten abtragen.

02:43.500 --> 02:46.580
Und die Matrix schützt die Fasern, damit die nicht geschädigt werden

02:46.580 --> 02:49.500
und verbindet auch die Fasern, dass eine Lastübertragung zwischen den

02:49.500 --> 02:50.520
Fasern stattfinden kann.

02:50.820 --> 02:54.220
Und damit können insgesamt durch diesen Verbundwerkstoff sehr hohe

02:54.220 --> 02:56.780
Tragfähigkeiten erreicht werden bei geringem Gewicht.

02:56.960 --> 03:01.300
Das Material der Fasern können Kunststoffe wie Duromere oder

03:01.300 --> 03:02.640
Thermoplaste sein.

03:03.080 --> 03:06.840
Am leistungsfähigsten aber sind Fasern aus Kohlenstoff.

03:07.000 --> 03:10.040
Die, die wirklich Hochleistungsfaserverbund ermöglichen,

03:10.900 --> 03:13.460
Hochleistungstragfähigkeit, das sind Kohlenstofffasern, gibt aber auch

03:13.460 --> 03:18.600
Glasfasern und es gibt auch Polymerfasern, die dann verstreckt sind

03:18.600 --> 03:21.760
entsprechend und höhere Treibigkeiten, Festigkeiten ermöglichen, als

03:21.760 --> 03:24.040
das Matrixmaterial, was auch ein Polymer ist.

03:24.180 --> 03:27.640
Entscheidend beim Design eines Karosserieteils aus einem

03:27.640 --> 03:31.760
Faserverbundwerkstoff, die Richtung der höchsten Belastung muss

03:31.760 --> 03:32.700
bekannt sein.

03:33.060 --> 03:36.700
Das ist generell so, wenn man eine Struktur auslegt, zum Beispiel eine

03:36.700 --> 03:40.620
Karosseriestruktur, dann kennt man die Lasten und dafür wird die

03:40.620 --> 03:43.840
Struktur ausgelegt und dann sollte das Material möglichst dort liegen,

03:44.000 --> 03:45.780
wo es auch Lastgut abtragen kann.

03:46.160 --> 03:48.920
Das ist dann der sogenannte Strukturleichtbau, dass man die Topologie

03:48.920 --> 03:50.360
von der Struktur optimiert.

03:50.700 --> 03:53.520
Wenn man dann noch zusätzlich ein leichtes Material hat, wie die

03:53.520 --> 03:56.940
Faserverbunde, dann hat man den Materialleichtbau, kann damit Gewicht

03:56.940 --> 03:57.300
sparen.

03:57.620 --> 04:01.060
Und bei den Faserverbunden ist noch zusätzlich wichtig zur Geometrie,

04:01.420 --> 04:05.180
dass man auch die Ausrichtung der Fasern mit auslegt, also mit vorab

04:05.180 --> 04:08.600
optimiert, an welcher Stelle sollen die Fasern in welche Richtung

04:08.600 --> 04:08.900
liegen.

04:09.080 --> 04:11.940
Man hat eine Hauptlastabfrag, in dieser Richtung liegen die meisten

04:11.940 --> 04:15.840
Fasern, um auch Anisotropie, sagt man, auszunutzen, dass der Werkstoff

04:15.840 --> 04:18.080
in unterschiedliche Richtungen unterschiedliche Eigenschaften hat.

04:18.700 --> 04:21.060
Allerdings legt man auch in andere Richtungen noch ein paar Fasern,

04:21.060 --> 04:24.500
damit das Ganze stabil ist und auch Schwankungen, Streuungen in der

04:24.500 --> 04:26.300
Lasteinleitung mit abfangen kann.

04:26.500 --> 04:30.720
Darüber hinaus unterscheidet man Kurz- und Langfaserverbünde.

04:31.000 --> 04:33.740
Endlossfasern gehen kontinuierlich über das gesamte Bauteil.

04:33.980 --> 04:37.280
Die ermöglichen also die höchsten Steifigkeiten und Festigkeiten, die

04:37.280 --> 04:40.620
werden im Automobil für die Tragstrukturen eingesetzt und auch im

04:40.620 --> 04:41.080
Flugzeug.

04:41.140 --> 04:43.840
Im Flugzeug ist ja auch Phasenverbund-Einsatz schon sehr lange

04:43.840 --> 04:44.460
verbreitet.

04:44.720 --> 04:45.840
Das sind die Endlossfaserverbünde.

04:46.280 --> 04:49.900
Und die Kurz- und Langfasern, die ermöglichen eine höhere

04:49.900 --> 04:50.740
Designfreiheit.

04:50.860 --> 04:53.560
Also man kann komplexere Geometrien damit formen, aber die

04:53.560 --> 04:55.540
Steifigkeiten und Festigkeiten sind etwas geringer.

04:56.020 --> 04:59.140
Die sind in der Regel günstiger in der Herstellung, also vom Material

04:59.140 --> 05:01.480
auch günstiger und auch an der Produktion günstiger.

05:02.020 --> 05:05.820
Für die Tragstrukturen werden Endlossfaserverbünde eingesetzt und eben

05:05.820 --> 05:09.100
auch für den Unterboden und die B-Säule und so weiter.

05:10.000 --> 05:14.160
Und für Sekundärstrukturen, die nicht so eine hohe Tragwirkung haben,

05:14.280 --> 05:16.660
dafür setzt man die Lang- und Kurzfasern ein.

05:16.980 --> 05:19.880
Also zum Beispiel ein Heckdeckel oder die Motorhaube vorne.

05:20.260 --> 05:21.400
Das wären so typische Beispiele.

05:21.480 --> 05:24.520
Auch Felgen können auch aus Phasenverbund gefertigt werden.

05:24.820 --> 05:28.060
Oder jetzt in der Elektromobilität auch Motorgehäuse, zum Beispiel

05:28.060 --> 05:30.840
wenn die Temperaturen nicht so hoch sind wie beim Verbrennungsmotor,

05:31.100 --> 05:33.360
kann man da auch Phasenverbund-Kunststoffe einsetzen.

05:33.360 --> 05:37.800
Auch sicherheitsrelevante Teile des Fahrzeugs, wie die Crashzone,

05:38.200 --> 05:41.480
können aus Phasenverbund-Werkstoffen hergestellt werden.

05:41.620 --> 05:45.140
Die Phasenverbünde haben ein sehr gutes Energieabsorptionsvermögen,

05:45.280 --> 05:47.620
also sind sehr gut geeignet für Crash prinzipiell.

05:48.000 --> 05:50.120
Man muss nur aufpassen, dass es nicht splittert.

05:50.240 --> 05:52.880
Wenn also ein Unfall in der Nähe von Personen, Fußgängern, die

05:52.880 --> 05:55.920
außerhalb sind, passiert, dass dann nicht die Carbon-Splitter

05:55.920 --> 05:56.820
umfliegen.

05:57.040 --> 05:58.980
Aber ansonsten ist es sehr gut geeignet für Crash.

05:58.980 --> 06:02.980
Reparaturen, wie man sie von Stahlblechen her kennt, sind bei Teilen

06:02.980 --> 06:05.640
aus Phasenverbund-Werkstoffen nicht möglich.

06:05.900 --> 06:08.300
Da muss eigentlich das ganze Teil ausgetauscht werden.

06:08.800 --> 06:12.780
Man kann im Designprozess das schon vorhersehen, dass man Reparier-

06:12.780 --> 06:16.540
und Recyclingfähigkeit beim Entwickeln eines Bauteils mit

06:16.540 --> 06:20.000
berücksichtigt, um Anschlussstellen an bestimmten Stellen zu schaffen.

06:20.760 --> 06:23.780
Und dann ist auch wieder beim Reparieren hat man mehr Möglichkeiten

06:23.780 --> 06:27.420
mit einem thermoplastischen Polymer, weil man es schmelzen kann und

06:27.420 --> 06:30.120
damit Schweißen, eine Art Schweiß, Thermoplastschweißen dann

06:30.120 --> 06:30.760
durchführen kann.

06:31.220 --> 06:35.720
Bei einem Duromer, das ist irreversibel, chemisch vernetzt, reagiert,

06:36.120 --> 06:37.880
das kann man nicht wieder einschmelzen.

06:37.980 --> 06:40.620
Das muss man dann auftrennen und neu fügen.

06:40.960 --> 06:44.580
Und auch das Recycling der neuen Leichtbauteile ist noch eine

06:44.580 --> 06:46.700
Herausforderung für die Forschung.

06:46.820 --> 06:49.820
Die ganzen Recyclingverfahren funktionieren unterschiedlich.

06:50.060 --> 06:52.760
Je nachdem, was man für ein Polymer hat, muss man da andere Verfahren

06:52.760 --> 06:56.140
und mit anderen Randbedingungen durchführen, um das zu trennen, auch

06:56.140 --> 06:58.240
die Fasern wieder von der Matrix zu trennen.

06:58.340 --> 07:01.140
Oder man kann es auch klein häckseln, dass man es mechanisch

07:01.140 --> 07:03.480
zerkleinert und dann wieder als Zuschlagstoff nutzt.

07:03.660 --> 07:04.940
Das ist dann ein Downcycling.

07:05.200 --> 07:08.960
Aber immerhin besser, als es gleich wegzuwerfen oder zu verbrennen.

07:09.900 --> 07:12.240
Kohlenstofffasern, das wird hoffentlich irgendwann gehen.

07:12.460 --> 07:15.700
Die brauchen sehr hohe Temperaturen, über 1000 Grad, um gefertigt zu

07:15.700 --> 07:15.900
werden.

07:16.000 --> 07:18.600
Dadurch sind die so teuer, durch den hohen Energiebedarf.

07:19.140 --> 07:23.240
Und bei Thermoplasten, da gibt es Ansätze, um das Polymer zu trennen

07:23.240 --> 07:23.880
von der Faser.

07:23.980 --> 07:25.360
Dann kann man die wiederverwenden.

07:25.660 --> 07:27.580
Dann gibt es auch sogenannte Stapelfasern.

07:27.680 --> 07:30.700
Das sind dann recycelte Fasern, die man wieder miteinander verbindet,

07:31.120 --> 07:35.140
damit kontinuierliche Faserbündel wieder entstehen aus rezyklierten

07:35.140 --> 07:35.620
Fasern.

07:36.100 --> 07:39.300
Kurzfasern und Langfasern kann man auch rezykliert schon verarbeiten,

07:39.540 --> 07:41.820
auch in Form von Fliesen zum Beispiel.

07:42.040 --> 07:45.520
Da werden auch rezyklierte Kohlenstofffasern verwendet und Glasfasern.

07:45.520 --> 07:49.020
Optimierung der Faserverbundstofftechnologien durch

07:49.020 --> 07:54.380
Computersimulationen vom Design bis hin zum Produktionsablauf ist das

07:54.380 --> 07:58.100
Alleinstellungsmerkmal der Leichtbauforschung am Institut für

07:58.100 --> 08:00.380
Fahrzeugsystemtechnik des KIT.

08:00.740 --> 08:03.140
Wir haben einen Fokus auf Simulationsmethoden.

08:03.240 --> 08:07.200
Wir entwickeln Simulationsmethoden, Materialmodelle, um das Verhalten

08:07.200 --> 08:10.000
der Faserverbünde virtuell beschreiben zu können.

08:10.400 --> 08:13.500
Das ist herausfordernd auf der einen Seite, um das Material alleine zu

08:13.500 --> 08:17.080
beschreiben, wie sich das verhält im Prozess, wenn die Polymere noch

08:17.080 --> 08:20.900
fließfähig sind und die Fasern sich auch noch verformen, leicht

08:20.900 --> 08:21.600
verformen lassen.

08:21.740 --> 08:24.200
Das ist ein anderes Verhalten als später im Bauteil.

08:24.520 --> 08:27.260
Später im Bauteil ist die Herausforderung, das Schädigungsverhalten

08:27.260 --> 08:29.620
richtig darzustellen, richtig zu modellieren.

08:29.700 --> 08:31.420
Da gibt es noch viel Forschungsbedarf.

08:31.920 --> 08:35.860
Und wir verknüpfen die einzelnen Prozessschritte zu einer virtuellen

08:35.860 --> 08:39.560
Prozesskette und auch bis zum Ende den Einsatz des Bauteils im

08:39.560 --> 08:44.240
Betrieb, dass wir die Fertigungseffekte mit berücksichtigen können bei

08:44.240 --> 08:45.540
der Auslegung des Bauteils.

08:46.020 --> 08:48.920
Also spricht man von der sogenannten virtuellen Prozesskette oder CAE

08:48.920 --> 08:52.280
-Kette, die jeden einzelnen Prozessschritt virtuell berücksichtigt und

08:52.280 --> 08:55.900
immer die Fertigungseffekte weitergibt an den nächsten Prozessschritt.

08:55.980 --> 08:58.100
Man hat bei der Fertigung mehrere Prozessschritte.

08:58.300 --> 09:00.920
Also es geht mit der Umformung los, dann wird es infiltriert, kommt

09:00.920 --> 09:05.640
Harz in das trockene Halbzeug hinein, dann härtet das Material aus,

09:05.760 --> 09:07.340
kühlt ab, da erhält man Verzug.

09:07.640 --> 09:10.720
All das sind verschiedene Prozessschritte, die simuliert werden müssen

09:10.720 --> 09:14.060
und vorhergesagt werden müssen, damit keine Defekte passieren und auch

09:14.060 --> 09:16.840
dann virtuell optimiert werden können und am Ende das

09:16.840 --> 09:18.600
Strukturverhalten im Einsatz.

09:18.980 --> 09:22.120
Wir arbeiten sehr eng mit dem Fraunhofer Institut für Chemische

09:22.120 --> 09:24.900
Technologie zusammen, dem Fraunhofer ICT in Pfinstal.

09:25.380 --> 09:28.380
Diese Kooperation ist ganz eng, weil dort die Prozesse entwickelt

09:28.380 --> 09:30.740
werden und untersucht werden und analysiert werden.

09:30.840 --> 09:34.040
Wir haben also die Möglichkeit, dort Experimente durchzuführen, um

09:34.040 --> 09:36.100
unsere Modelle zu entwickeln und zu validieren.

09:36.740 --> 09:39.700
Und wir arbeiten auch am KIT mit dem Materialwissenschaftlichen

09:39.700 --> 09:44.660
Institut, dem IAM, IAMWK zusammen und mit Herstellungsunternehmen zum

09:44.660 --> 09:45.220
Teil auch.

09:45.660 --> 09:49.900
Fahrzeugteile aus Faserverbundstoffen sind immer noch teurer als das

09:49.900 --> 09:51.420
Äquivalent aus Stahl.

09:51.780 --> 09:56.020
Ein Grund ist die Zeit, die für die industrielle Herstellung benötigt

09:56.020 --> 09:56.360
wird.

09:56.440 --> 10:00.200
Die Zykluszeiten, das ist immer bei der Fertigung die Prozesszeit, die

10:00.200 --> 10:03.540
man benötigt, um einen Bauteil zu fertigen, die soll möglichst

10:03.540 --> 10:07.420
reduziert werden von mehreren Minuten auf nur ein, zwei Minuten pro

10:07.420 --> 10:07.700
Teil.

10:07.940 --> 10:10.120
Das ist der hauptsächliche Kostentreiber.

10:10.540 --> 10:13.740
Und die Energie, die benötigt wird für die Fertigung, also bei welchen

10:13.740 --> 10:16.940
Temperaturen, bei welchem Druck muss das Bauteil hergestellt werden.

10:17.180 --> 10:20.900
Und da besteht also noch enormer Bedarf bei der Prozessoptimierung,

10:21.020 --> 10:25.400
auch um es zuverlässig herzustellen, damit es am Ende auch die Gestalt

10:25.400 --> 10:26.600
hat, die man haben möchte.

10:26.860 --> 10:31.200
Dass man Verzug vermeidet zum Beispiel, und die Auslegung dadurch,

10:31.360 --> 10:34.080
dass die Materialien eben nicht isotrop in jede Richtung sich gleich

10:34.080 --> 10:37.760
verhalten, sondern anisotrop sind, ist die Auslegung deutlich

10:37.760 --> 10:38.380
komplexer.

10:38.560 --> 10:42.420
Und dazu helfen dann virtuelle Methoden, Simulationsmethoden oder zum

10:42.420 --> 10:44.860
Teil wird jetzt auch KI eingesetzt, um es zu optimieren.

10:45.060 --> 10:47.260
Da steckt man aber noch in den Kinderschuhen, um das zuverlässig

10:47.260 --> 10:48.140
anwenden zu können.

10:48.400 --> 10:49.240
Aber gibt es Entwicklungen.

10:49.940 --> 10:54.100
Und eben, dass man simulativ die Strukturen optimiert, sowohl vom

10:54.100 --> 10:56.980
Design her, als auch den Prozess kann man auch durch Simulation

10:56.980 --> 10:57.580
optimieren.

10:57.580 --> 11:01.340
Stefan Fuchs Karlsruher Institut für Technologie