Sicher. Digital. Nachhaltig. Jahresbericht 2022

Inhalt 2022 im Überblick Einblicke Sicher. Digital. Nachhaltig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Aktuelle Mitglieder des Kuratoriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Das Fraunhofer LBF in Zahlen 2022 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Forschung mit System! Digital Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Smart Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Reliability Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Circular Economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Lightweight Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Future Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Einblicke Veranstaltungs-Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Forschungsbereiche Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Adaptronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Einblicke LBF Management Team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Der Jahresbericht 2022 – digital www.lbf.fraunhofer.de/jahresbericht 3

Einblicke Sicher. Digital. Nachhaltig. Sehr geehrte Kunden und Partner des Fraunhofer LBF! Sicher. Digital. Nachhaltig. – Dieses Motto definiert die Zukunftsagenda unseres I nstituts. Auch 2022 haben wir zentrale Forschungsthemen danach ausgerichtet: von der Entwicklung digitaler Modelle für Bauteile und Systeme über Entwicklungsmethoden und Simulationskonzepte für die Auslegung, Analyse und Absicherung funktions- kritischer Produkte bis hin zur Gestaltung spezifischer, kreislauffähiger Material- und Systeml ösungen. In einer Vielzahl von Forschungsprojekten entwickeln wir unsere wissenschaftlich-technologischen Marktangebote hinsichtlich der polymertechnischen Materialien, des betriebsfesten und intelligenten Leichtbaus, der Strukturdynamik und der experimentellen, numerischen und cyberphysischen Simulation weiter. Es ist uns wichtig, unsere Kunden und Partner bei der Erhöhung von Ressourcen- und Energie- effizienz, Nachhaltigkeit und Innovation in allen Produktlebensphasen sowie über alle Wertschöpfungsstufen bestmöglich zu unterstützen. Zu den Highlights der Arbeiten im Kontext »Safe & Reliable« zählte 2022 die Implementierung des »Smart Lab for Future Mobility Chassis Systems«. Mit der Integration dieses modularen Systems verfügt unser Institut über eine hochmoderne Laborumgebung für die Betriebslastensimulation komplexer, auch aktiver Baugruppen fahrzeugtech nischer Systeme. Konzipiert als Kompetenz- und Anwendungszentrum fördert das Smart Lab zudem den Transfer von Forschungsergebnissen in die Industrie. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) sind seit Jahren ein fester Bestandteil der Forschungsarbeiten des Fraunhofer LBF und im Themenkomplex »Smart & Digital« Gegenstand vieler Projekte im Bereich der Mobilität und Infrastrukturtechnik. Jüngstes Highlight in diesem Bereich ist die Entwicklung prototypischer Lärmschutzwände zur Untersuchung von Möglichkeiten der Entlastung von durch Verkehrslärm belasteter Anwohner. Der Einsatz dieser Metamaterialien erzielt deutlich bessere Transmissions- werte als durch konventionelle Erhöhung der Lärmschutzwanddicke möglich sind. Praxiseinsätze seitens der österreichischen ASFINAG sind in Planung. Gleich mehrere Projekte im letzten Jahr befassten sich im Kontext »Green & Clean« mit dem Thema Nachhaltigkeit. Dazu gehören Forschungsarbeiten zur Entwicklung von sowohl biobasierten und bioabbaubaren als auch technisch hochwertigen Kunst- stofflösungen aus Rezyklatmaterial. Hier haben wir auch 2022 unsere Kompetenzen im Feld der kreislauffähigen Kunststoffe ausgebaut. Daneben konnten mehrere neue Projekte in unserem Kernthema des betriebsfesten, smarten Leichtbaus sowie der 5

Einblicke Aktuelle Mitglieder des Kuratoriums Vielen Dank! Dr. Xenia Beyrich-Graf BASF SE, Ludwigshafen Dr. Matthias Decker Audi AG, Ingolstadt Dr. Mathias Glasmacher Diehl Stiftung & Co. KG, Nürnberg Dr. Martin Hillebrecht EDAG Engineering GmbH Prof. Dr. Tim Hosenfeldt Schaeffler­Technologies­AG­&­Co.­KG,­ Herzogenaurach MinR’in Dr. Ulrike Mattig Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Wiesbaden Prof. Dr. Matthias Oechsner Technische­Universität­Darmstadt Dr. Kurt Pötter BMW Group, München Rainer Salomon FOSTA­–­Forschungs­vereinigung­ Stahlanwendung e. V., Düsseldorf Florian Sprenger Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach MinR a. D. Norbert Michael Weber 7

Das Fraunhofer LBF in Zahlen 2022 29,2 Millionen € Gesamthaushalt 33,3 % Wirtschaftserträge 10,4 % Rest 20,0 % EU 69,6 % Deutschland 26,1 % Öffentliche Erträge 10,9 % EU 89,1 % Bund / Länder 1,2 % Sonstige Gesamthaushalt 2022 [T €] Wirtschaftserträge Öffentliche Erträge Sonstige Erträge Interne Programme Institutionelle Förderung (Grufi) Summe 9.780 7.629 365 4.333 7.179 29.226 3 2 0 2 l i r p A : d n a t S 9

Ressourcen klug nutzen für sichere, stabile und effiziente Prozesse Die industrielle Wertschöpfung ist geprägt von immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitig steigender Produktviel- falt mit teils individuell maßgeschneider- ten Eigenschaften und zudem verteilter Entwicklung, Reali s ierung und Nutzung der Produkte. Dazu kommen stei gende Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressour ceneffizienz ebenso wie eine höhere funktionale Komplexität von Systemen bei unterschiedlichen Betriebs- und Nutzungsszenarien. » Wir entwickeln die Werkzeuge für Ihre effiziente, digitale Produktentwicklung.« Vor diesem Hintergrund geraten Produkt- entwicklungsprozesse immer weiter unter Effizienz-, Kosten- und Flexibilisierungs- druck, z. B. durch die Reduk tion verfüg- barer prototypischer Systeme oder den steigenden Bedarf nach frühzeitigen, entwicklungsbegleitenden Entscheidungs- und Absiche rungsprozessen. Um dennoch die Anforderungen an Qualität, Sicherheit Digital Engineering und Zuverlässigkeit der Produkte zu gewähr leisten, bedarf es daher alterna tiver Entwicklungs werkzeuge und realitätsnaher digitaler Modelle. Das Ziel dabei ist es, durch geeignete Modellbildungen die Prog no següte des tatsächlichen Bauteil- und Systemver haltens so zu erhöhen, dass u. a. die Anzahl prototypischer Systeme reduziert und physische Validierungen durch virtuelle Analysen ergänzt und optimiert werden können. Im Leistungsfeld Digital Engineering entwickeln Forscherinnen und Forscher neue Methoden und, wenn nötig, kunden- spezifisch maßgeschneiderte Werk- zeuge, welche die virtuelle Abbildung von Entwicklungs-, Ab sicherungs- oder Validierungsprozessen zum Ziel haben. Innovative Modellierungs- und Simula- tionslösungen ermöglichen z. B. die Berücksichtigung erweiterter funk t ionaler Eigenschaften in Kunststoffbauteilen und in mechanischen Systemen bereits im frühen Gestaltungs- und Realisierungspro- zess. Gleichzeitig werden Nutzungsdaten aus der Praxis, der Fertigung und dem Betrieb zur validierten Modellbildung und Simulation integriert. Hierdurch können Einflüsse, Belastungen oder Schädigungen auf Material-, Bauteil- und Gesamt- systemebene realitätsnah digital abgebil- det werden. So lässt sich bereits frühzeitig im Gestaltungs- und Entwicklungsprozess die mögliche Variantenvielfalt für eine spätere Produktreali sierung minimieren. In Verbindung mit neuen cyber -physischen Methoden und Tools kann darüber hinaus eine durchgängige, entwicklungsbeglei- tende Validierung von Produkten und Produktfunktionen auf Bauteilebene realisiert werden. 11

Digital Engineering DNAguss: Multikriterielle Optimierung von Gussbauteilen Optimierung von Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestigkeit und Validierung Zukunfts-Projekt DNAguss steht für durchgängige numerische Auslegung entlang der Prozesskette von Guss- bauteilen und ist ein Forschungspro- jekt, das sich auf die Optimierung der Konstruktion von Gussbauteilen am Beispiel des Werkstoffs EN-GJS- 400­18­LT­konzentriert.­Ziel­ist,­alle­ Softwaretools, die während des Konstruktionsprozesses von Guss- bauteilen verwendet werden, in einer einzigen Softwarekette zusam- menzufassen, um die Gießbarkeit, den Leichtbau und die zerstörungs- freie Prüfbarkeit bei sichergestellter Betriebsfestigkeit zu optimieren. Typischerweise besteht der Entwicklungs- und Konstruktionsprozess von Gussbautei- len aus mehreren Arbeitsschritten in dem unterschiedliche Softwarelösungen für verschiedene Fragestellungen und Opti- mierungsschritte zum Einsatz kommen. Im Projekt DNAguss wird ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der Topologie- und Formoptimierung, Gießprozesssimulation, Strukturmechanik und Betriebsfestigkeit vereint, um die Konstruktion von Guss- bauteilen hinsichtlich des Leichtbaus zu optimieren. Die Verkettung fortschrittlicher Software- tools ermöglicht völlig neue Möglichkeiten in der Konstruktion von Gussbauteilen! Durch die Integration aller in der Kons- truktion verwendeten Softwaretools in eine einzige Softwarekette können Gießbarkeit, Leichtbau, Betriebsfestig- keit und zerstörungsfreie Prüfbarkeit von Bauteilen optimal aufeinander abgestimmt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Strukturgestaltung, Gewichtsreduzierung und Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Betriebsfestigkeit. SOF T WAREKET TE, LEICHTBAU, OPTIMIERUNG Start Initiale Konstruktion Gießbarkeit Betriebsfestigkeit Prüfbarkeit Ende DNAguss Softwarekette Manuelle Konstruktion Gießprozess- simulation Rand- bedingungen FEM Lokales Gefüge Lebensdauer- bemessung ZfP- Simulation Fertiges Bauteil Topologie- optimierung Form- optimierung Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ dnaguss Kontakt Felix Reissner +49 6151 705-302 felix-christian.reissner@ lbf.fraunhofer.de Die DNAguss-Softwarekette stellt einen inno vativen Ansatz bereit, um das Leichtbaupotenzial gegossener Bauteile zu optimieren. 13

Digital Engineering Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ ki-schadensanalyse Schäden an Elastomeren effizient analysieren – dank KI. KI-basierte Schadensanalyse von technischen Elastomeren Prozessentwicklung zur automatisierten Erkennung von Elastomerschäden Kontakt Franziska Kirsch +49 6151 705-8646 franziska.kirsch@ lbf.fraunhofer.de Riccardo Möller +49 6151 705-408 riccardo.moeller@ lbf.fraunhofer.de Fraunhofer-Projekt Wie können Elastomerschäden schnell und einfach identifiziert­werden?­Durch­die­viel- fältigen Schadensbilder an Elastomer- bauteilen ist eine Rückführung auf die Schadensursache nicht immer leicht. Das Fraunhofer-interne Projekt »KI­basierte­Schadensanalyse­von­ technischen Elastomeren« erörtert die Möglichkeiten, Schadensfälle anhand von künstlicher Intelligenz objektiv zu bewerten. Der entstehen- de Prozess soll später auf kundenspe- zifische­Anwendungen­übertragen­ werden. Eine Analyse von Schäden der Bauteile kann mit Hilfe der VDI 3822 erfolgen. Erfahrung und Fachkompetenz sowie ähn- liche Schadensbilder bei unterschiedlichen Schadensursachen führen in diesem Pro- zess jedoch zu einer subjektiven Schadens- beurteilung. Die Fraunhofer Forschenden wollen mit der »KI-basierten Schadens- analyse von technischen Elastomeren« diesen zeit- und kostenintensiven Prozess automatisieren und objektivieren sowie die erforderlichen Rahmenbedingungen (z. B. Inputparameter, Trainingsdatenbasis, Extra- polationspotential usw.) für eine praxisrele- vante Umsetzung ausloten. Zunächst entsteht eine Prozesskette von der Bilderfassung bis zur sicheren Scha- densbewertung unterschiedlicher Bauteil- schäden, in die auch zusätzliche Material- bzw. Prozessparameter einfließen. Nach erfolgreicher Detektion, Analyse und Zuordnung von Schadensursachen und Schadensbildern wird der Gültigkeitsbe- reich eines Modellansatzes unter Variation des Bauteils sowie des Schadens detailliert analysiert. Dabei wird zum Beispiel der Ein- fluss von Skalierungseffekten oder die Lage und Ausprägung des Schadens untersucht, um Rückschlüsse auf Generalisierungs- fehler des Modells zu schließen. Ausge- hend von diesen Erkenntnissen wird die Übertragbarkeit des Prozesses auf weitere Anwendungsfälle erörtert. EL A S TO M ER E, S CH A D EN SU R S ACH EN , S CH A D EN S A N A LY SE, K I , M U LT I P L E EI N G A N GS G R Ö SSEN 15

Smart Solutions Alles im Blick und alles im Griff zur Steigerung technischer Verfügbarkeiten Intelligente Sensorik zur gezielten Erfassung und Bewer tung großer Datenmengen, die zunehmende Vernetzung, die Funk tions verteilung und die echtzeitfähige, system- übergreifende Datenkommunikation sowie die Funktions steigerung und Mechatronisierung, all dies sind Treiber für die Digitalisierung moderner Produkte. Durch künstliche Intelligenz und Data-Based-Services können nicht nur Prozessketten in der Produktion analysiert, vereinfacht und optimiert werden. Sie ermöglichen auch eine an die aktuellen Umgebungs- und Einsatzbedingun gen ange passte Strukturüberwachung sowie eine aktive Beeinflussung der z. B. schwingungs technischen Eigenschaften von Maschinen und Fahrzeugen. » Neuartige Materialien und KI-basierte Lösungen für intelligente Zustands überwachung und Lärmbekämpfung.« Im Leistungsfeld Smart Solutions erforschen und ent wickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hard- und Software-Lösungen, u. a. basierend auf Modellie- rungsansätzen des Digital Engineering, für Smart Main tenance-Anwendungen, zur Prognose und Vermeidung von unge planten Maschinen- und Systemausfällen und zur Steige rung technischer Verfügbarkeiten. Ein weiteres Thema ist die gezielte Be einflus- sung schwingungstechnischer Eigenschaften von Strukturen in mobilen Systemen, wie Fahrzeugen sowie in Maschinen und Anlagen. In beiden Fällen kommen Methoden des maschinellen Lernens zur erweiterten Analyse wachsender Datenmengen in Verbindung mit intelligenten Sensoren und Sensornetzwerken sowie integrierter Aktorik zum Ein- satz. Noch weiter gehen die Arbeiten mit sogenannten Metamaterialien. Diese haben hohes Potenzial zur strukturintegrierten Beeinflussung und Einstellung z. B. akustischer oder strukturdynami scher Eigen schaften, um unerwünschte Schwin gungen und Schall- abstrahlung zu reduzieren oder alternativ einzustellen. Die ange strebte Verknüpfung von den in der Zuverlässigkeit, Schwingungstechnik und Werkstofftechnik etablierten Methoden mit neuen datengetriebenen, digitalen An sätzen ist zudem ein wichtiger Baustein für die Entwicklung und Realisierung intelligenter Leichtbaustrukturen. 17

HyMon: Intelligente Tanks für Wasserstoff-Fahrzeuge Sensorbasierte Zustandsüberwachung von automobilen Wasserstoff- Druckbehältern aus FKV Kunststoffen besitzen dabei eine deutlich geringere Masse als reine Metalltanks mit gleichem Arbeitsdruck. Dies macht sie für die Anwendung im Mobilitäts- und Transportsektor attraktiv. Sie werden für eine Nutzungsdauer von bis zu 20 Jahren bei Betriebsdrücken von 200 bis 1000 bar ausgelegt. Die aktuell im Abstand von zwei Jahren vorgeschriebene Sichtprüfung der Behäl- ter in der Automotive-Anwendung ist eine rein äußerliche Beurteilung, die kaum Rückschlüsse auf den Zustand im Inneren des dickwandigen Faserverbunds erlaubt. Eine On-Board-Strukturüberwachung von Druckbehältern mittels geeigneter Sensoren und Auswerteelektronik kann die Bewertung auf Basis von Structural- Health-Monitoring-Daten (SHM-Daten) objektivieren und zukünftig eine dauer- hafte Überwachung in H2-Brennstoff- zellenfahrzeugen (H2-FCEV) ermöglichen. Neben der Nutzung der SHM-Daten im Reparatur- und Servicefall, eröffnet sich zukünftig die Möglichkeit, im Rahmen von Rettungseinsätzen bei Fahrzeugunfällen oder Missbrauchsfällen zielgerichtete Maßnahmen für eine sichere Fahrzeug- bergung einleiten zu können. Die automatisierte messtechnische Überwachung von Druckbehältern aus Kunststoff steigert deren Sicherheit. Zukunfts-Projekt Fraunhofer- Forschende­haben­Technologien­zur­ automatisierten Zustandsüberwa- chung­für­Hochdruck­Speichersys- teme entwickelt. Diese ermöglichen die­Unterscheidung­kritischer­von­ unkritischen Ereignissen im Betrieb. Ein rein turnusgemäßen Austausch und damit verbundene Kosten, können so vermieden werden, ohne zu Abstrichen bei der Sicherheit zu führen. Damit konnten weitere Voraussetzungen für die Verbrei- tung­der­Wasserstoff­Technologie­ geschaffen werden. Als hochbelastete Sicherheitsbauteile stellen Drucktanks zur Speicherung des gasförmigen Treibstoffs ein Kernelement von H2-Antriebssystemen für Kraftfahr- zeuge dar. Behälter aus faserverstärkten WA SSER S TO F F, H 2, TA N K , D R U CK B EH Ä LT ER , FA SER - K U N S T S TO F F -V ER B U N D, FA SERV ER B U N D Smart Solutions Kontakt Johannes Käsgen +49 6151 705-613 johannes.kaesgen@ lbf.fraunhofer.de Julia Decker +49 6151 705-491 julia.decker@ lbf.fraunhofer.de gefördert durch: Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ hymon 19

Smart Solutions Lärmschutzwände mit vibroakustischen Metamaterialien Mehr Ruhe für Mensch und Natur Industrie-Projekt Im Auftrag der Autobahnen- und Schnellstraßen- Finanzierungs-Aktiengesellschaft ASFiNAG wurde am Fraunhofer LBF der­Prototyp­einer­Lärmschutzwand­ mit vibroakustischen Metamateria- lien (VAMM) entwickelt. Vibroakus- tische Metamaterialien stellen eine neuartige­Technologie­zur­Schwin- gungs- und Lärmminderung dar. Der Ausschnitt­einer­Acryl­Lärmschutz- wand wurde mit Metamaterialien so ausgestattet, dass in dem für Verkehrslärm­typischen­Frequenzbe- reich­eine­signifikante­Reduktion­der­ Transmission­erzielt­werden­konnte. Um innovative Lösungen für den Lärm- schutz an Autobahnen zu identifizieren, rief die ASFiNAG in Zusammenarbeit mit der IÖB (Innovationsfördernde Öffentliche Beschaffung) die Challenge »Autobahnen und Schnellstraßen: Lärmlast durch Techno- logie reduzieren« aus. Das Konzept des Fraunhofer LBF, Lärmschutzwände mit Hilfe von vibroakustischen Metamaterialien hin- sichtlich ihrer Transmissionseigenschaften zu verbessern, hat sich unter vielen Einreichun- gen durchgesetzt. Es folgte ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt mit der ASFiNAG, in welchem eine Acrylglas-Lärmschutzwand mit einem Resonator- Array versehen und hinsichtlich der Schalltransmission unter- sucht wurde. Als Resonatoren wurden 3D-gedruckte Kunststoff- Membran- resonatoren verwendet, an deren Innen- seite ein Stahlzylinder als Masseelement angebracht ist. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ laermschutzwaende Messungen im Akustiklabor des Fraunhofer LBF haben gezeigt, dass mit dem Prinzip von VAMM die Transmission durch die Lärm- schutzwand wesentlich wirkungsvoller reduziert werden kann, als beispielsweise mit einer Verdopplung der Lärmschutzwand- dicke. Die Anwendung von VAMM ist auch für absorbierende Lärmschutzwände in Kassettenbauweise oder Holz-Lärmschutz- wände geeignet. Auch weitere Branchen können von der VAMM-Technologie profitieren. Kontakt Sebastian Rieß +49 6151 705-378 sebastian.riess@ lbf.fraunhofer.de Entwicklung einer Lärmschutzwand mit vibroakustischen Metamaterialien. L Ä R M S CH U T Z , V I B R OA K US T I S CH E M E TA M AT ER I A L I EN , S CH A L L S CH U T Z 21

Reliability­Design Mit weniger mehr erreichen in Bezug auf Komplexität, Stabilität und Zuverlässigkeit Immer leichtere Materiallösungen und Strukturen auf der einen Seite und immer komplexere Produkte und Systeme auf der anderen Seite prägen die Produktentwick- lung in vielen industriellen Bereichen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Zuverlässigkeit solcher Systeme. Schließlich können Ausfälle und Versagen in diesem Zusammenhang schnell kritische wirtschaftliche, öko logische oder gesundheitliche Wirkungen nach sich ziehen. » Unsere Forschungsarbeiten ermöglichen zuverlässige Produkte durch zuverlässige Prozesse.« Das Leistungsfeld Reliability Design repräsentiert eine wesentliche wissenschaftliche Ausrichtung des Fraunhofer LBF. Dabei geht es nicht nur allein um die Sicherstellung der Lebensdauer von Materialien, Komponenten und Produkten. Vielmehr zielen die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten in diesem Leistungsfeld darauf ab, alle Phasen der Produktentstehung, -nutzung und -verwertung immer umfassender mit ihren Wechselwirkungen zu verstehen und zu beschreiben, so dass Validierungs- und Absiche rungsprozesse konti nuierlich in den frühen Gestaltungsprozess vorverlagert werden können. Ganz im Sinne eines »Design to Reliability« werden Lösungen des Digital Engineering mit neuen Entwurfs- und Simu lationsmethoden verknüpft. Basie- rend auf realitätsnahen Anwendungsdaten zu typischen mechanischen, klima tischen, elektrischen und kombi n ierten multiphysikalischen Lasten entstehen damit Werkzeuge und Verfahren, die eine zuverlässige Ausle gung von Strukturen bereits im Entwurfs- stadium umfassend berücksichtigen. Heute vielfach immer noch übliche »Sicherheits- zuschläge« können so in Zukunft bei gleichbleibender oder gesteigerter Zuverlässigkeit von Materialien, Bauteilen und Produkten immer weiter reduziert werden, wodurch moderne Lösungen an Grenzen des Machbaren möglich werden. 23

Reliability­Design SmartLab4Chassis – Smart Lab for Future Mobility Chassis Systems Untersuchung von Fahrwerkssystemen aktueller und zukünftiger Fahrzeugkonzepte Zukunfts-Projekt Die europäische Automobilbranche ist im Wandel. Die Integration von Elektronik- kompo nenten und der Ausbau der Elektromobilität lassen die Fahr- zeuge­hochkomplex­und­–­­vorrangig­ aufgrund der hohen Masse der Hoch­volt­Energiespeichersysteme­–­ immer schwerer werden. Mit tradi- tionellen Verfahren der Betriebs- festigkeit können solche Fahrzeuge nicht mehr zuverlässig entwickelt und für eine Nutzungsdauer von mindestens 15 Jahren oder 300.000 km Fahrleistung abgesichert werden. Zukünftige gesellschaftliche Bedarfe lassen zudem völlig neue Fahrzeug- und Fahrwerks modelle erwarten. Das Fraunhofer LBF hat am Standort Kranichstein ein »Smart Lab« für die Ent- wicklung, den Funktionsnachweis und die Absicherung von Fahrwerken und Chassis- Systemen zukünftiger Fahrzeuge mit alter- nativen Antriebstechniken aufgebaut. Das »Smart­Lab­for­Future­Mobility­­Chassis­ Systems« soll als Kompetenz- und Anwen dungszentrum den beschleunigten Transfer von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung fördern und damit einen substanziellen Beitrag für die Entwicklung emissionsarmer Mobilitäts- konzepte liefern. Gemeinsam mit dem seit 2012 erfolgreich betriebenen Ganzfahrzeug-Straßen- simulator entsteht so eine hochmoderne Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ smartlab4chassis Laborumgebung für die Betriebslasten- simulation komplexer Baugruppen und -systeme. Im Einzelnen wurden ein Stra- ßensimulator für Fahrzeuge bis zu einem zul. Gesamtgewicht von 4,5 Tonnen und eine servohydraulische Laboreinrichtung für aktive Feder-/Dämpfersysteme und Luftfedersysteme mit der Möglichkeit einer überlagerten Umweltsimulation (Temperatur, Feuchte) beschafft und in Betrieb genommen. Beide Systeme lassen sich mit einer beistellbaren Echtzeit- hardware auch »in the Loop« ansteuern, um etwa neue Regelkonzepte zu erpro- ben oder ein Gesamtsystemverhalten abzubilden. Kontakt Marc Wallmichrath +49 6151 705-467 marc.wallmichrath@ lbf.fraunhofer.de 25 Straßensimulator zur Validierung von kompletten Fahrwerkssystemen. FA H R W ER K , LU F T F ED ER , A K T I V ER DÄ M P F ER , B E T R I EBS F E S T I G K EI T S - N ACH W EI S , F U N K T I O N S N ACH W EI S , H I L

Kunststoffe unter Strom Materialien zur Elektrifizierung und Decarbonisierung der Wirtschaft Reliability­Design Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ kunststoffe-unter-strom Industrie-Projekt Kunststoffe sind aus der Elektrotechnik und Elektro- nik nicht wegzudenken. Mit ihrer leichten Formbarkeit und ihren herausragenden Isolationseigen- schaften haben sie diese Bereiche geradezu revolutioniert. Elastomere bei­Kabelisolierungen,­Thermoplaste­ in Gehäusen oder Schaltschränken als auch Duromere in Leiterplatten- materialien oder Hochspannungs- isolatoren kommen zum Einsatz. In allen Fällen ist es erforderlich, den Kunststoff bzw. das Compound hinsichtlich der elektrischen Eigen- schaften zu charakterisieren, um ihre Einsatzfähigkeit in der jeweiligen Anwendung sicherzustellen. Während bei einigen Anwendungen z. B. beim Rückseitenmaterial für Solarzellen, eine geringe elektrische Leitfähigkeit sehr wichtig ist, um Kriechströme und Langzeit korrosion zu vermeiden, ist sie in anderen Fällen, z. B. aufgrund elektro- statischer Aufladung, problematisch. Manchmal ist eine gute elektrische Leitfähigkeit erforderlich, z. B. für Bipo- larplatten von Brennstoffzellen oder leitfähige Textilfasern. Das breite Spektrum an Anwendungen, Materialien und Formen der Bauteile (Platten, Rohre, Beschichtungen usw.) erfordert oft angepasste Mess- und Charakterisierungsmethoden. Die Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler im Fraunhofer LBF nutzen ihre umfassende Messzelle zur Messung der Volumen- leitfähigkeit und der Oberflächenleit- fähigkeit von Kunststofffolien und Kunststoffplatten. Expertise in einer Vielzahl von Projekten sowohl für die Anpassung als auch in der Entwicklung von Methoden zur Charakte- risierung der elektrischen Eigenschaften, wie z.B. die Spannungsfestigkeit, Ober- flächenleitfähigkeit oder die Permittivität, von Elastomeren, Thermoplasten und Duroplasten. Hierfür verfügt das Fraun- hofer LBF über eine umfassende, moderne Laborausstattung. Die Forschenden ent wickeln auch spezifische Messeinrich- tungen im Kundenauftrag. N ACH H A LT I G K EI T, EL EK T R I S CH E M E SSU N G , EF F I Z I EN T E P R O D U K T EN T W I CK LU N G Kontakt Dr. Dirk Lellinger +49 6151 705-8667 dirk.lellinger@ lbf.fraunhofer.de 27

Kunststoffe in Wasserstoff-Anwendungen Innovativ designen, sicher auslegen, zuverlässig testen Zukunfts-Projekt Wasserstoff und damit­verbundene­Technologien­ spielen eine wesentliche Rolle für die­Umsetzung­von­Dekarbonisie- rungszielen und die Sicherung der Energieversorgung. Für ihren Einsatz ist die Zuverlässigkeit von Materia- lien­in­entsprechenden­Systemen­ von erheblicher Bedeutung. Neben Metallen liegt ein Forschungs- schwerpunkt des Fraunhofer LBF hierbei auf Kunststoffwerkstoffen. Kunststoffe sind ein wichtiger Faktor, wenn es um nachhaltige, gewichts- optimierte Leichtbaustrukturen geht. Einsatz finden sie z. B. in Gehäusen und Bipolarplatten von Brennstoffzellen, in Drucktanks, Dichtungskomponenten oder Pipelines. Eine Vielzahl von existierenden, kunststoffbasierten Systemen sollen zukünftig auch im Wasserstoffbereich eingesetzt werden (z. B. im Erdgasnetz). Für die Mehrzahl dieser Materialien liegen aber nur sehr begrenzte Kenntnisse zu ihrem Verhalten im Wasserstoffkontext vor. Dies gilt insbesondere für das Lang- zeitverhalten. Im Fokus stehen dabei vor allem Einflüsse auf das mechanische Ver- halten, die chemische und physikalische Alterung, die Sorptions- bzw. Diffusions- eigenschaften, sowie das Quellverhalten bei Medienaufnahme. Durch die einzigartige interdisziplinäre Ver knüpfung der Expertise am Fraunhofer- LBF in den Bereichen Materialentwick- lung, Analytik, Werkstoffprüfung und Auslegungsmethoden erarbeiten wir in öffentlichen Forschungsprojekten und bilateralen Kundenprojekten Lösungen, um zuverlässige Kunststoffbauteile für die Wasserstofftechnologie zu entwickeln. Die Ergebnisse fließen in Methodenent- wicklungen für die Bauteilauslegung über Struktursimulationen ein. WA SSER S TO F F, K U N S T S TO F F, M AT ER I A L B E W ER T U N G * Die Tätigkeiten sind eingebettet in das Wasserstoff-Leistungszentrum GreenMat4H2. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ wasserstoff-anwendungen Kontakt Dr. Felix Dillenberger +49 6151 705-8753 felix.dillenberger@ lbf.fraunhofer.de 29

Reliability­Design Konzept für Lebens dauerversuche unter kombinierter mechanisch-hydraulischer Belastung Lebensdauer-Untersuchungen an Elastomer-Komponenten Am Fraunhofer LBF wurde gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH ein Konzept zur mechanisch-hydraulischen Belastung mittels Medientrennung realisiert. Zen- trales Element ist eine Medientrennung mittels Flachmembran. Mit dem neuartigen Versuchsaufbau können Elastomerbau- teile von Pumpen mit realitätsbezogenen Betriebslastsignalen zur Absicherung der Lebensdauer belastet werden. Der Ver- suchsaufbau ermöglicht die Übertragung vergleichbarer Belastungsmechanismen aus dem Feld in die Laborumgebung und damit die Verbesserung der Produktqualität. EL A S TO M ER E, W Ö H L ERV ER SU CH E, M ECH A N I S CH E U N D H Y D R AU L I S CH E B EL A S T U N G EN Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ bewertungskonzept Kontakt Riccardo Möller +49 6151 705-408 riccardo.moeller@ lbf.fraunhofer.de Experimentelle Lebensdauernachweise aus dem Fraunhofer LBF verbessern die Produktqualität. Industrie-Projekt Der Nutzen eines Komponentenlebensdauerversuches wird­durch­die­realitätsnahe­Umset- zung aller relevanten Belastungen entsprechend des realen Betriebs bestimmt. Komponenten von Pumpen unterliegen sowohl einer mechani- schen­als­auch­einer­hydraulischen­ Belastung. Die lokalen Dehnungs- maxima­an­entsprechenden­Elasto- merbauteilen resultieren dabei aus der Überlagerung beider Belastungs- arten. Für die Lebensdauer spielen diese­maximalen­Dehnungen­eine­ entscheidende­Rolle.­Die­synchrone­ Umsetzung­beider­Belastungen­dient­ zur Absicherung der Lebensdauer und erhöht­die­Produktqualität.­ Druckumsetzer können hervorragend zur Generierung hydraulischer Belastungen auf Komponenten eingesetzt werden. Diese verwenden als Medium typischer- weise Hydrauliköl zur Ansteuerung und zum Druckaufbau. Komponenten aus Elastomeren sollten im Versuch lediglich mit den tatsächlich im Betrieb verwende- ten oder hierzu kompatiblen Medien in Kontakt treten. Der direkte Kontakt mit Hydraulikölen ist auszuschließen, sofern nicht explizit vorgesehen. Den hervorra- genden Schmiereigenschaften von Hydrau- likölen auf Seite der Druckerzeugung zur Verschleißvermeidung der Kolben-Zylin- der-Paarung sowie die Medienverträglich- keit der Elastomerproben muss demnach besondere Beachtung geschenkt werden. 31

Erschließung des Leichtbaupotenzials hochfester Aluminiumknetlegierungen Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ allegro Querschliff einer Laserstrahlschweißnaht an EN AW-7075-Blech mit überlagertem Finte Elemente-Netz. Erschließung des Leichtbaupotenzials hochfester Aluminiumknetlegierungen Bewertung unkonventioneller Prozesstechnologien für Aluminiumknetlegierungen der 7xxx-Serie Zukunfts-Projekt Der Bedarf an größeren Reichweiten von Elektro- fahrzeugen macht es erforderlich, das Potenzial von Leichtbauwerk- stoffen weiter auszuschöpfen. ­Al­Zn­Mg­Cu­Legierungen­der­7xxx­ Serie weisen aufgrund ihrer hohen statischen Festigkeiten bei geringer Massendichte ein hohes Leichtbau- potenzial auf. Aufgrund der Heraus- forderungen­beim­Umformen­und­ Fügen dieser Legierungen nimmt die prozessbedingte Betriebsfestigkeit eine Schlüsselrolle für den zukünf- tigen Einsatz in Leichtbauanwen- dungen ein. Im LOEWE-Schwerpunkt »ALLEGRO« wurden Umform- und Schweißprozesse zur Realisierung qualitativ hochwertiger Verbindungen, bestehend aus der hoch- festen Legierung EN AW-7075, entwickelt. Dabei führte das Fraunhofer LBF Schwing- festigkeitsuntersuchungen durch, in denen eigens entwickelte elektro-mechanische und piezo-aktorische Kleinlastprüfstände zum Einsatz kamen. Diese ermöglichen energieeffiziente Untersuchungen an minia- turisierten und lokal entnommenen Proben mit einer minimalen Länge von 35 mm. Kontakt Durch »Reverse Engineering« und auf Basis von 3D-Laserscans sowie metal- lographischen Querschliffen wurden Simulationsmodelle der Fügezone erstellt. Obwohl die Legierung EN AW-7075 als nur bedingt schweißbar gilt und nach aktuellem Forschungsstand artfremde Verbindungen mit additiv gefertigten Strukturen häufig zu fehlerbehafteten Verbindungen führen, konnte anhand des Kerbspannungskonzepts für laserstrahlge- schweißte Stumpfstöße und überlappend magnetimpulsgeschweißte Verbindun- gen mit additiv gefertigtem AlSi10Mg eine Verbindungsqualität nachgewiesen werden, deren Schwingfestigkeit im Bereich von geschweißten 5xxx- und 6xxx-Aluminiumknetlegierungen liegt. P R OZ E SS B ED I N G T E B E T R I EBS F E S T I G - K EI T, L EB EN S DAU ER KO N Z EP T E, Z Y K L I S CH E S M AT ER I A LV ER H A LT EN Andre Jöckel +49 6151 705-652 andre.joeckel@ lbf.fraunhofer.de Dr. Benjamin Möller +49 6151 705-8443 benjamin.moeller@ lbf.fraunhofer.de 33

Nachwachsende und upcycling- fähige Rohstoffe auch für anspruchsvolle technische Anwendungen Kunststoffe sind ein integraler Bestand- teil unseres Alltags. Sie bieten vielfältigste materialtechnische Lösungs möglichkeiten für eine breite Anzahl von Anwendun- gen. Dabei lassen sich gezielt vielfältige Eigenschaften ein prägen: Lebensmittel werden mittels Kunststoffen hygienisch sicher und haltbar verpackt; als Dämm- und Dichtungsmaterialien mit besonderen Brandschutzeigen schaften sind sie ein modernes Baumaterial und als techni- sche Kunststoffe bieten sie in Primär- und Sekundär bauteilen – oft hochkomplex geformt mit definierten isolierenden, vibrationsdämmenden, sensorischen oder aktorischen Funktionen – effektive und effiziente Funk tionsmerkmale und Leichtbaupotenziale. Doch Kunst stoffe werden trotz ihrer unstrittig außerordentlich positiven tech- nischen Eigenschaften zunehmend kritisch diskutiert. Sie stehen exemplarisch für moderne Umwelt probleme in Form von Mikroplastik oder die Verschmut zung der Meere, die wir mit unserer Forschungs- arbeit zu reduzieren helfen. Circular­Economy Im Leistungsfeld Circular Economy arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF an nachhaltigen, dauerhaften und umwelt- verträglichen Kunststofflösungen, vom Molekül über die Formulierung, von der chemisch-physikalischen Charakterisierung über die Synthese bis hin zur Validierung, von der Nutzung über den »End of Life« zur Wiederverwertung – und ändern line- are in zirkuläre Prozesse. Die besondere Stärke des LBF ist die massive Kompetenz in der Additivierung von Kunststoffen, um ganz spezifische Materialeigenschaften einzustellen. So können Biopolymere aus nach wachsenden Rohstoffen auch für anspruchsvolle technische Anwendungen hinsichtlich Lebensdauer, Degradation oder Leistungsfähigkeit eingestellt und ertüchtigt werden. Andererseits ermög- lichen innovative Additivsysteme eine ver- besserte Prozessierbarkeit und verbesserte Endeigen schaften von Rezyklatmaterial. Darüber hinaus können durch Additivsys- teme im Sinne eines Upcyclings die Mög- lichkeiten des werkstofflichen Recyc lings herkömm licher Polymere deutlich erwei- tert werden. Ein weiteres Forschungs feld liegt in der Entwicklung von Bioadditiven als Substitute für kommerzielle Systeme, welche hinsichtlich Qualität und Leistungs- fähigkeit mit herkömmlichen Additiven vergleichbare Eigenschaften erreichen und diese teils deutlich übertreffen, z. B. für die Witterungsbeständigkeit oder den Flammschutz von Polymeren. 35

­Circular­Economy Sortierte und gewaschene Polyethylen-Post-Consumer- Abfälle in Flakes-Form. Rezyklatanalytik: Entwicklung einer modernen Analytik für Post-Consumer-Abfälle Analyse von sortierten PE- und PP-Abfällen Industrie-Projekt Kunststoffpro- dukte­aus­recycelten­Materialien­ gewinnen an kommerzieller Bedeu- tung und fördern die Kreislaufwirt- schaft. Das Fraunhofer LBF hat für sortierte PE und PP-Post-Consumer- Abfälle eine moderne, leistungs fä- hige­Analytik­erarbeitet,­die­eine­ detaillierte Charakterisierung ermög- licht. Diese liefert Gehaltsangaben über­Fremdpolymere,­Additive,­flüch- tige Bestandteile (VOC) und metalli- sche Verunreinigungen, welche für eine Bewertung der anwendungsrele- vanten Eigenschaften essenziell sind. Daraus ergeben sich neue Perspek- tiven für die zielgerichtete Entwick- lung­innovativer­Rezyklate. Ein zweites Leben für Kunststoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) sind neben Polyethylenterephthalat (PET) die kommerziell relevantesten Kunst- stoffe mit den breitesten Anwendungs- portfolios. Eine zentrale Herausforderung bei der zielgerichteten Entwicklung von Rezyklatkunststoffen aus diesem Stoffstrom besteht darin, unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der sortierten PE- und PP-Abfälle detailliert zu bestimmen und die Analysenergebnisse repräsentativ für die gesamte Abfallcharge darzustel- len. Am Fraunhofer LBF werden daher maßgeschneiderte Probenentnahme- und -präparations-Strategien erarbeitet, die unter Berücksichtigung von Statistik eine Optimierung der Repräsentativität gewährleisten. Kontakt Dr. Frank Malz +49 6151 705-8763 frank.malz@ lbf.fraunhofer.de Dr. Robert Brüll +49 6151 705-8639 robert.bruell@ lbf.fraunhofer.de Diese analytische Bandbreite eignet sich für ein breites Spektrum an Abfallströmen. Sie spricht mit der Analyse von nichtpolymeren Verunreinigungen auch regulatorische Bedenken und Verarbeitungshindernisse an, was Entwicklern und Verarbeitern von Rezyklaten neue Perspektiven für ihre Material- und Prozessentwicklung aufzeigt. K R EI S L AU F W I R T S CH A F T, R E Z Y K L AT E, A N A LY T I K Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ rezyklatanalytik 37

­Circular­Economy Fluktuierende Stoffströme besser beherrschen. PET-Sekundärmaterialien aus unter- schiedlichen post-consumer Quellen Einfluss von Rezyklatqualitäten und Formulierung auf die Werkstoffeigenschaften Zukunfts-Projekt Das Fraunhofer LBF hat zusammen mit der EASICOMP GmbH die Grundlagen geschaffen, um­auch­aus­post­consumer­Rezyk­­ laten jenseits des bekannten Flaschen- ­kreislauf­auf­Basis­von­Polyethylen­ terephthalat­(PET)­langglasfaser- verstärkte­Thermoplasten­(LFT)­ herstellen zu können. Die wesent- lichen Herausforderun gen waren die Identifikation geeigneter und die Beherrschung der im Ver gleich zu­Neuware­oder­Flaschen­PET­ stärker fluktuierenden Stoffströme hinsichtlich Materialzusammen- setzung, Alterungszustand und Darreichungsform. Im Projekt »UpcyclePET« wurde bereits ein neuer LFT-Werkstoff auf Basis gebrauchter PET-Getränkeflaschen ent- wickelt. In »UpcyclePETPlus«, wollte das Forscherteam Sekundär-Rohstoffquellen erschließen, für die heute noch keine hochwertige Wiederverwertung möglich ist. Als neue post-consumer-Rohstoff- quellen für die LFT-Werkstoffe sollten die PET-Schalenfraktion aus dem Gelben Sack und Ströme aus Gewerbe- und gewerbe- müllähnlichen Abfallströmen erschlossen werden. Um für den jeweiligen Stoffstrom die passende Additivierungsstrategie zu identifizieren, ist eine genaue Kenntnis über die Zusammensetzung des Eingangs- Stoffstroms erforderlich. Kritische Ver- unreinigungen müssen ermittelt und beur- teilt werden. Danach werden Rückschlüsse auf Art und Gehalt geeigneter Additive abgeleitet und die Rezeptur angepasst. Die Fraunhofer-Forschenden konnten LFT aus den neuen Stoffströmen entwickeln, die sich durch vergleichbare Eigenschaften auszeichnen wie im Vorgänger-Projekt. Im Vergleich zu LFT auf Basis von Flaschen-PET, die nach einer orientierenden Ökolbilan- zierung des Öko-Instituts mit 5,1 CO2- Äquivalenten/kg einhergehen, wurde der CO2-Fußabdruck mit 3,8 – 4,4 CO2-Äqui- valenten/kg nochmals deutlich reduziert. KUNSTSTOFFADDITIVIERUNG, UPCYCLING, NACHHALTIGKEIT, SEKUNDÄRROHSTOFFE Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ upcyclepetplus Kontakt Dr. Frank Schönberger +49 6151 705-8705 frank.schoenberger@ lbf.fraunhofer.de Shilpa Khare +49 6151 705-8739 shilpa.khare@ lbf.fraunhofer.de 39

Lightweight Design Mit Leichtigkeit mehr Effizienz für kommerziell erfolgreiche Produkte Leichtbau ist schon lange keine »techni- sche Nischenlösung« für Flugzeuge oder innovative Sportfahrzeuge mehr. Viel- mehr sind bezahlbare Leichtbaulösungen zur best möglichen Masse- und Energie- effizienz in allen beweg lichen Systemen wie in der Produktion und im Betrieb von systemtechnischer Ebene. Darüber hinaus werden Methoden des Material- sowie des konstruktiven und des systemischen Leichtbaus zusammengeführt. Das Fraunhofer LBF bündelt seine Kompeten- zen in den Forschungsbereichen Kunst- stoffe, Betriebsfestigkeit und Adaptronik und entwickelt zudem neuartige Lösun- gen des funktionsintegrierten, intelligen- ten Leichtbaus, immer unter Berücksich- » Mit unserer Forschung erweitern wir die Grenzen des Machbaren und entwickeln radikal leichte, eigenschafts optimierte Strukturlösungen.« Produkten ein Schlüssel zum Erreichen der klima politischen Ziele im Fahrzeugbau, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Ener- gie- oder der Baubranche. Ohne Leichtbau sind kommerziell erfolgreiche Produkte, wie z. B. in der Elektromobilität, immer weniger oder gar nicht möglich. Und erfolgreicher, sicherer Leichtbau erfordert zwingend umfassendes Know-how in Zuver lässigkeit und Betriebsfestigkeit. Im Leistungsfeld Lightweight Design geht das LBF noch weiter an die Grenzen des Machbaren. Basis ist das ganzheit- liche Wissen auf werkstoff-, bauteil- und tigung der Zuverlässigkeit, Nach haltigkeit und Bezahlbarkeit der technischen Produkt lösung. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen interdisziplinär und entwickeln Lösungen z. B. für funk - tionalisierte Polymere, funktionsintegrier- te Faser-Verbund-Systeme, Mono- und Multimaterialsysteme, numerische und experimentelle Methoden der Zuver - lässigkeits- und Lebensdauerbewertung von Leichtbau lösungen sowie der Nut- zung integrierter Sensoren und Aktoren zur Über wachung und Eigenschaftsopti- mierung von Strukturen. 41

Lightweight Design MetaVib – Vibroakustische Metamaterialien zur Lärm- und Schwingungsminderung Neues Leichtbaupotenzial für Fahrzeuge und Maschinen Fraunhofer-Projekt Damit Maschi- nenbau und Mobilität noch wirt- schaftlicher und nachhaltiger werden, müssen die dort einge- setzten Komponenten effizienter hergestellt und leichter gestaltet sein. Bei solchen Konstruktionen treten jedoch oft Schwingungs- probleme auf. Im Projekt »MetaVib« wurden vibroakustische Metama- terialien als neuartige Lärm- und Schwingungsminderungsmaßnah- me erforscht und entwickelt. Sie bieten neue Gestaltungsfreiräume zur gezielten vibroakustischen Optimierung von Bauteilen unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Leichtbaukriterien. Vibroakustische Metamaterialien sind weltweit ein aktuelles Forschungsthema im Bereich Lärm- und Schwingungs- minderung. Mit ihnen können die Amplituden von schädlichen Struktur- schwingungen und Lärm so tief und breitbandig reduziert werden, wie das mit konventionellen Maßnahmen nie möglich wäre. Sie werden auf üblicher- weise periodisch angeordneten passiven oder aktiven lokalen Resonatoren auf dem zu beeinflussenden Bauteil aufgebracht. Die lokalen Resonatoren werden auf die adressierte Eigenfrequenz abgestimmt und mit Abständen kleiner als die halbe Wellenlänge der zu beeinflussenden Fraunhofer hat neue Konzepte und Ferti- gungstechnologien für VAMM entwickelt. Frequenz auf der Grundstruktur platziert. In diesem Frequenzbereich entstehen dann sogenannte Stoppbänder in der Über- tragungsfunktion – Bereiche, in denen keine Wellenausbreitung möglich ist. Im Projekt »MetaVib« konnten Fraunhofer Forschende eine effiziente Körperschall- minderung von bis zu 20 dB in definierten Frequenzbereichen erzielen. Die Erkennt- nisse sind in einer Toolbox verfügbar, die Design und Optimierung von Strukturen als vibroakustische Metamaterialien auf unterschiedlichen Detaillierungsstufen ermöglicht. Der Auslegungsprozess ist anwendungsunabhängig und ermöglicht eine effiziente Prototypenentwicklung in industriellen Folgeprojekten. V I B R OA K US T I S CH E M E TA M AT ER I A L I EN , PA SS I V E S CH W I N G U N GSM I N D ER U N GS - M A SS N A H M EN , S T R U K T U R DY N A M I K Kontakt Heiko Atzrodt +49 6151 705-349 heiko.atzrodt@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ metavib 43

Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ cooperate Bessere Ökobilanz und mehr Nachhaltigkeit in der Produktentwicklung. Starke CO2-reduzierte Bauteile aus faserverstärkten Biopolymeren Entwicklung nachhaltiger, langlebiger Bauteile für anspruchsvolle Einsatzbedingungen Zukunfts-Projekt Kunststoff- bauteile bieten großes Potenzial zur Reduktion von Emissionen. Im Projekt­»COOPERATE«­entwickelt­ das Fraunhofer LBF mit Partnern Methoden, um die Produktgestal- tung und die Auslegung hinsicht- lich Ökobilanz und Nachhaltigkeit grundlegend zu verbessern. Die Kombination von Substitution erdöl- basierter Kunststoffe durch bioba- sierte Alternativen und die Entwick- lung verbesserter Methoden zur materialsparenden Auslegung von Bauteilen, wird den CO2-Bedarf von Kunststoffbauteilen in anspruchs- vollen, industriellen Anwendungen und Gebrauchsgütern um bis zu 75 Prozent reduzieren. Durch Verbesserung von Designprozes- sen wird das Leichtbaupotential und die damit einhergehende Ressourceneffizienz auch im Downstream gesteigert. Dabei entwickeln die Projektpartner gemeinsam materialsparende Konstruktionsmethoden und biobasierte Komposite für langlebige und hochbeanspruchbare Bauteile. Konkrete Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Fahrzeugtechnik dienen als Maßstab. Da biobasierte Materialien eine andere Performance als konventionelle Werkstoffe erreichen, werden in diesem Projekt die klimaneutralen Substitute weiterentwickelt und praxisrelevante Untersuchungen der Materialeigenschaften hinsichtlich struk- turell wichtiger Kennwerte durchgeführt. Im Rahmen des Projekts entstehen u. a. neue Berechnungsmethoden, welche die Einflüsse der Herstellung auf das quasista- tische und das dynamische Verhalten der Werkstoffe berücksichtigen. Die neuen Methoden und die verbesser- ten Materialeigenschaften ebnen den Weg für den Einsatz von neuen Kunst- stoffen in weiteren Technologiefeldern. NACHHALTIG, POLYMER, LEICHTBAU Kontakt Georg Stoll +49 6151 705-8528 georg.stoll@ lbf.fraunhofer.de 45

Future­Mobility Bündelung von Kompetenzen für nachhaltige, vernetzte und autonome Mobilität Die Mobilität befindet sich in einem nach- haltigen Trans formationsprozess. Sie wird zunehmend als vernetztes System unter- schiedlicher Mobilitätsträger und Betrei- bermodelle verstanden. Nicht zuletzt durch die Kritik hinsichtlich zunehmender Belastungen im Kontext des Klimawan- dels und der nötigen Dekarbonisierung sind die Anforderungen an die mobile Ressourceneffizienz nochmals massiv gestiegen. Sie fordern die Entwicklung neuer Antriebstechnologien, leichterer Bauweisen und alternativer Mobilitäts- konzepte heraus. Die fortschreitende Elektrifizierung mobiler Systeme, die Intermodalität der Verkehrsträger und die Einführung zuneh- mend auto matisierter Fahrfunktionen sind in technischer und organisatorischer Sicht ein wesentlicher Baustein der zukünftigen Mobilität. Gleiches gilt für die verstärkte Nutzung und Entwicklung neuer Klein- und Kleinst fahrzeuge im Individualver- kehr, wie z. B. Pedelecs, Lastenfahrräder, E-Scooter – oder auch zunehmend Drohnen. Das Thema Shared-Mobility bietet ebenfalls technische Herausforde- rungen von smarten digitalen Lösungen, App-Entwicklungen, verteilten Funktionen bis hin zur Materialtechnologie – zumal hier gänzlich neue Nutzungsszenarien zu beherrschen sind. Neue zukünftige Mobilitätslösungen, egal ob zu Lande – auf Straße oder Schiene –, zu Wasser oder in der Luft müssen vordergründig sicher und zuver- lässig funktio nieren, gleichzeitig jedoch kostengünstig und effizient realisiert und betrieben werden können. Darüber hinaus müssen sie aber auch den weiter steigenden Anforde rungen an Anzahl der Mobilitätsträger, an Individua li sierung und an Nachhaltigkeit im Personen-, im Nutzfahrzeug- und im Sonderfahr- zeugbereich genügen. Damit verbunden sind Fragen nach geeigneten Leichtbau- lösungen, zuverlässiger Auslegung von Systemen, intelligenten Struktur- und Überwachungsfunktionen, nachhaltigen Materialien bis hin zu der Nutzung von Biowerkstoffen zu beantworten. Das Leistungsfeld Future Mobility am Fraunhofer LBF bündelt in diesem Zusammen hang die Arbeiten der ande- ren Leistungsfelder hinsicht lich deren Anwendung in Mobilitätslösungen, z. B. cyber physische Methoden zur entwick- lungsbegleitenden Validierung neuer Mobilitätstechnologien, alternative Antriebskonzepte, bauteilintegrierte Batteriesysteme oder neuartige Ultra- leichtbaulösungen. Einen Schwerpunkt der Arbeiten bildet die Elektromobilität sowohl mit batterie-elektrischen als auch Brennstoffzellensystemen. 47

Designfreeze der eVTOL-Drohne für den autonomen Gütertransport. ALBACOPTER®: Das eVTOL-Leitprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft Highlight-Projekt In der emis- sionsneutralen­Urban­Air­Mobility­ (UAM)­leistet­Fraunhofer­einen­ wichtigen Beitrag und entwickelt eVTOL­­Drohnen­für­den­autonomen­ Gütertransport. Dabei ist das Fraunhofer LBF eines von sechs beteiligten Fraunhofer- Instituten. Batterieentwicklung, aero dynamische Auslegung und Konstruk tion des Flug- gerätes, sind zentrale Arbeiten am Institut. Die Methodenentwicklung zur Auslegung der Struktur erfolgt missions- orientiert unter Berück sich tigung der damit verbundenen Anforderungen an beispielsweise Aerodynamik und Festig- keit aus den verschiedenen Flugphasen sowie multiplen Randbedingungen aus Konstruktion und Fertigungsverfahren. Der Rumpf wird für die Integration und Adaption der unterschiedlichen System- komponenten ausgelegt und ent worfen. Dies umfasst Batterie- und Notrettungs- system sowie Elektronik und Junctionbox bis hin zu Sensorsystemen in Rumpf und Flügelspitzen sowie die Anbindung der Antriebe über Motortragarme an den Flügel. Das Fraunhofer LBF leitet das Teilprojekt »Materialien und Aerodynami- sche Strukturen« und kombiniert eigene Auslegungsmethoden mit den Fertigungs- technologien des Fraunhofer ICT. Dabei sind u. a. eine Skelettkonstruktion des Rumpfes aus pultrudierten Rohrprofilen und nachhaltige, skalierbare und leicht recycelbare Transportboxen entstanden. Im Teilprojekt »Antriebe« entwickelt das Fraunhofer LBF den Energiespeicher und trägt damit wesentlich zur Umsetzung des vollelektrischen Albacopter bei. Mit dieser Entwicklung will das Konsortium unter Leitung des Fraunhofer IVI einen maßgeblichen Beitrag zur zukünftigen Transportkultur leisten, die umweltscho- nend, flexibel und sicher werden soll. AU TO N O M E S F L I EG EN , L EI CH T BAU, T R A N SP O R T, T H ER M O P L A S T L e i t p r o j e k t Kontakt Dr. Saskia Biehl +49 6151 705-282 saskia.biehl@ lbf.fraunhofer.de Dr. Sven Herold +49 6151 705-259 sven.herold@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ albacopter 49

Future­Mobility Cyberphysikalische Validierung von Brenn- stoffzellensystemen im Fraunhofer LBF. Elektromobilität: Zuverlässigkeitsbewertung von Wasserstoff-Brennstoffzellen Einzigartige experimentelle Validierungsumgebungen für Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme Zukunfts-Projekt Wasserstoff- Brenn­stoffzellensystemen­sollen­ schnell in die breite Anwendung kommen. Dabei spielt ihre zuverläs- sige und effiziente Gestaltung eine wichtige Rolle. Werkstoffe, Kompo- nenten­sowie­das­System­müssen­ frühzeitig möglichst entwicklungs- begleitend, betriebsnah und kosten- effizient validiert werden, ohne dass das­Gesamtsystem­fertiggestellt­ oder­vorhanden­sein­muss.­Cyber­ physikalische­Test­­und­Validierungs- methoden sind hierfür die Lösung. Für den Wandel hin zu einer klimaneutra- len Mobilität stellt die elektrochemische Energiebereitstellung mit Wasserstoff- Brennstoffzellen eine wichtige System- lösung für Nutzfahrzeuge dar. Gleichzeitig bedeutet ihr instationärer Einsatz und die damit verbundenen multiphysikalischen und chemischen Beanspruchungen beson- dere Herausforderungen an die zuverlässi- ge Gestaltung. Das Fraunhofer LBF erweitert seine Forschungsanlagen um eine Wasser- stoffinfrastruktur zur Versorgung von Brennstoffzellenstapel bis 200 kW, Schwingerreger in Kombination mit Klima- kammern für Vibrationsuntersuchungen unter Umwelteinflüssen sowie Analyseum- gebungen für metallische und polymere wasserstoffbeaufschlagte Werkstoffe- und Komponenten. Mittels cyberphysikali- scher Validierungsszenarien können somit zukünftig Brennstoffzellsysteme und deren Komponenten über eine geschickte Kombination von experimentellen Testum- gebungen, modellbasierten Simulationen und moderner Informationstechnik mit betriebsnahen Beanspruchungen kosten- effizient und flexibel analysiert werden. Mit »CyPhyFuelCell – Cyberphysikalische Validierung von Brennstoffzellensystemen für die Zukunftsmobilität« entsteht ein einzigartiger Kompetenz- und Anwen- dungsschwerpunkt am Standort Darmstadt – wichtig für unsere nachhaltige Mobilität. B R EN N S TO F F Z EL L E, WA SSER S TO F F, Z U V ER L Ä SS I G K EI T U N D S I CH ER H EI T gefördert durch: Kontakt Dr. Benedict Götz +49 6151 705-8524 benedict.goetz@ lbf.fraunhofer.de Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ h2brennstoffzellen 51

» Veranstaltungs-Highlights Wie Rezyklate zu High Performance Rohstoffen werden, diskutiert das Praxisforum Kunststoffrezyklate.« Prof. Dr. Rudolf Pfaendner, Chairman Forum Plastic Recyclates Veranstaltungs- Highlights 2022 Endlich wieder im persönlichen Kontakt: Unsere­Forschenden­Teams­waren­auf­ 15 Messen unterwegs, live vor Ort in Darmstadt organisierten wir »Bürgerdialoge« und Workshops zu Spezialthemen. Auch unsere virtuellen Veranstaltungsformate haben wir fortgeführt. 53

V o r O r t a m F r a u n h o f e r L B F Kunststoffe – alles Müll? Darmstädter waren zum »Open Lab« am Fraunhofer LBF eingeladen Vor Ort Die Besucher lernten viel Neues über »gute« Kunststoffe. In Führungen, Kurz- vorträgen, Exponaten und verblüffenden Experimenten rund um Recycling und Kreislauf- wirtschaft gab es einige Highlights. Ein greifbares Ergebnis waren Einkaufwagen-Chips aus Grasfasern. Sie wurden live im Technikum hergestellt. Falsche oder stark verschmutzte Abfälle im gelben Sack oder in der gelben Tonne führen dazu, dass wenig Kunststoff sortenrein getrennt und weiterverarbeitet wird. Viele Kunststoffabfälle landen dann in Müllver brennungsanlagen oder werden als Ersatzbrennstoff verwertet. Mehr Kunststoffe recyclen, Müll richtig trennen – die Mitmachaktion für Groß und Klein gab wertvolle Tipps. Ganz im Zeichen von H2 Forum Plastic Recyclates Online-Event Auf dem Forum Plastic Recyclates, 2022 in virtueller Form, gab es erstmalig eine ganze Session, wie Rezyklate auf Neuware-Niveau entstehen können. Um das volle Potenzial von Rezyklaten auszuschöpfen, müssen die Rezyklatströme analysiert werden und die Frage, ob ana ly - tische Fingerabdrücke eine zirkuläre Kunst- stoffwirtschaft voranbringen können, beantwortete das Fraunhofer LBF. Kunst- stofferzeuger- und verarbeiter, sowie Recycler und Interessierte aus den Anwen- derindustrien Fahrzeug, Weißware, Bau und Verpackung nutzten diese exzellente Möglichkeit für ein Wissens-Update. Vor Ort Im Rahmen des Leistungs- zentrums GreenMat4H2 organisierte das Fraunhofer LBF H2-Stammtische und einen »OpenLab Day«. Mit Impulsvor- trägen, Technologiedarstellungen und Führungen werden insbesondere regiona- le Partnerschaften neu entwickelt. Mehr als 300 Teilnehmende fanden sich zusammen. Forschung zum Anfassen Highlight »Krasse Kunststoffe« Mit diesem Event beteiligten wir uns an den Jubiläums- aktionen zu »25 Jahre Wissenschaftsstadt«, diesen Ehrentitel erhielt Darmstadt als erste Stadt in Deutschland. Übrigens ... Das Forum Plastic Recyclates 2023 brachte live mehr als 100 Teilnehmende zusammen, die Planungen für März 2024 in Darmstadt beginnen in Kürze. Weitere Informationen online www.lbf.fraunhofer.de/ veranstaltungen 55

Betriebsfestigkeit Die Betriebsfestigkeit, als eine der leistungsfähigsten Methoden zur lebens- dauerorientierten Bemessung von Bau teilen und Strukturen, bildet seit der Gründung des Fraunhofer LBF das Fundament unserer Forschungsaktivitäten. » Wir machen. Leichtbau. Zuverlässig.« geschrieben. Heute verknüpfen wir die modernsten numerischen, messtechni- schen und experimentellen Verfahren der Betriebsfestigkeit zu einer Lösungsqualität, die unserem hohen Anspruch entspricht und gezielt verwandte material- und ingenieurwissenschaftliche Disziplinen mit einbezieht. Methoden und Verfahren zur lebensdauerorientierten Bemessung von Strukturen und der Nachweis von Sicherheit und struktureller Integrität sind unsere Kernkompetenzen. Diese finden Sie in erfolgreichen Produkten, in Werk- stoff- und Bauteilinnovationen sowie in neuartigen Prozessen, wie z. B. in der additiven Fertigung, wieder. Im Zuge der Digitalisierung werden diese Kernkompe- tenzen um leistungsfähige Instrumente der cyberphysischen Simulation und einer vom LCF- bis hin zum VHCF-Regime durchgängigen Beschreibung zyklischer Werkstoffeigenschaften erweitert. Die Mobilitätsindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau wie auch die Energie- technik profitieren von gleichermaßen leichten und für die gesamte Betriebs- und Nutzungsphase sicher und zuver- lässig gestalteten Produkten. Mit hoher Anwendungsorientierung forschen und arbeiten wir für die lebensdauerorien- tierte Gestaltung sicherer Bauteile, Bau- gruppen und Systeme im Straßen- und Schienenfahrzeugbau, in der Schifffahrt, in der Luftfahrt, aber auch im Kran- bau oder für Windenergieanlagen. Wir haben mit dem 8-Stufen Blockprogramm von Ernst Gaßner einen wichtigen Teil in der Geschichte der Betriebsfestigkeit Vom Werkstoff bis zur kompletten Struk- tur: die Abteilungen »Werkstoffe und Bauteile« und »Baugruppe und Systeme« sind spezialisiert auf Betriebsfestigkeits- fragen und geben Ihnen Antworten zur Betriebsfestigkeitsbewertung von metal- lischen Werkstoffen und Bauteilen, der Entwicklung von numerischen Methoden, der Beschreibung komplexer Kinematiken mittels Mehrkörpersimulation (MKS), dem Aufbau und der Verifikation entsprechen- der Modelle von der Komponente bis zum Gesamtfahrzeug oder der Ableitung zeitgeraffter Versuchsprogramme für die Laborerprobung. Forschungsbereiche Bereichsleiter Betriebsfestigkeit Dr. Christoph Bleicher +49 6151 705-8359 christoph.bleicher@ lbf.fraunhofer.de www.lbf.fraunhofer.de/ betriebsfestigkeit 57

Forschungsbereiche Bereichsleiter Kunststoffe Prof. Dr. Rudolf Pfaendner +49 6151 705-8605 rudolf.pfaendner@ lbf.fraunhofer.de www.lbf.fraunhofer.de/ kunststoffe Kunststoffe Spitzenprodukte können heute nur über einen zuverlässigen und schnellen Zugang zu innovativen und leistungsfähigen Mate- rialien und Werkstoffen wettbewerbsfähig auf den Weltmärkten angeboten werden. Maßgeschneiderte Kunststoffe, Kunst- stoff-Additive und Kunststoff-Verbunde sowie Kunststoffverarbeitungstechno- logien tragen wesentlich dazu bei, die großen globalen Herausforderungen auf den Gebieten Mobilität, Energie, Umwelt, Kommunikation, Gesundheit, Ernährung und Sicherheit zu meistern. Kunststoffe bieten ein immenses Energie- und Res- sourceneinsparpotenzial sowie vielfältige Leichtbauoptionen. Insbesondere faser- verstärkt, partikelgefüllt, geschäumt oder in Sandwich-Strukturen integriert, können Kunststoffe höchsten Belastungen Stand halten und erhebliche Mengen an Energie absorbieren. Sie können mit zusätzlichen Funktionalitäten etwa zum Schutz vor UV-Strahlung und Witterungseinflüssen sowie im Interesse reduzierten Brand- verhaltens, zur Entwicklung spezieller optischer Eigenschaften, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, sensorischer und aktuatorischer Funktion versehen werden. Gleichzeitig erfordern zunehmen- de Anforderungen an Nachhaltigkeit neue Lösungen hinsichtlich Kreislaufwirtschaft und Recycling oder der Entwicklung von Biokunststoffen. Alle zur Realisierung anspruchsvoller Kunststoffanwendungen relevanten Kom- petenzen, beginnend bei den grundlegen- den naturwissenschaftlichen Disziplinen wie Chemie und Physik über die Mate- rialwissenschaft und Werkstofftechnik in der Verarbeitung bis hin zur Expertise in Analytik, Versuch und Modellierung, sind auf hohem Niveau unter einem Dach vereint. Dafür stehen die vier fachlich und methodisch sich untereinander ergänzen- den Fachabteilungen »Additivierung und Dauerhaftigkeit«, »Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung«, »Materialanalytik und Charakterisierung« sowie »Synthese und Formulierung«. » Wir entwickeln langlebige und sichere Kunststoffe mit verbesserter Recyclingfähigkeit sowie neue Technologien für eine effiziente Kreislaufwirtschaft.« 59

Institutsleitung Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. T. Melz tobias.melz@lbf.fraunhofer.de Bereich Kunststoffe Stabsstellen Prof. Dr. rer. nat. R. Pfaendner +49 6151 705-8605 rudolf.pfaendner@lbf.fraunhofer.de Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung Dr.-Ing. C. Beinert +49 6151 705-8735 christian.beinert@lbf.fraunhofer.de Materialanalytik­und­Charakterisierung Dr. rer. nat. R. Brüll +49 6151 705-8639 robert.bruell@lbf.fraunhofer.de Additivierung und Dauerhaftigkeit Dr. rer. nat. E. Metzsch-Zilligen +49 6151 705-8609 elke.metzsch-zilligen@lbf.fraunhofer.de Synthese­und­Formulierung Dr. F. Schönberger +49 6151 705-8705 frank.schoenberger@lbf.fraunhofer.de Assoziiertes Fachgebiet Systemzuverlässigkeit,­Adaptronik­ und Maschinenakustik Prof. Dr.-Ing. T. Melz www.sam.tu-darmstadt.de Wissenschaftsmanangement Prof. Dr.-Ing. T. Bein +49 6151 705-463 thilo.bein@lbf.fraunhofer.de Strategisches Management Dr.-Ing. S. Biehl +49 6151 705-282 saskia.biehl@lbf.fraunhofer.de Wissenschaftlich­Technische­ Betriebsorganisation Dr. K. Burlon +49 6151 705-8899 konrad.burlon@lbf.fraunhofer.de Technologiemarketing­ und Kommunikation H. Hahnenwald +49 6151 705-8330 heiko.hahnenwald@lbf.fraunhofer.de Organisationsentwicklung I. Langer +49 6151 705-648 ilona.langer@lbf.fraunhofer.de Arbeitsschutz R. Wirth +49 6151 705-332 reinhard.wirth@lbf.fraunhofer.de 61

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