Zielsetzung des Sonderforschungsbereich 666
Im Sonderforschungsbereich 666 sollen Methoden und Verfahren gefunden werden, mit deren Hilfe verzweigte Strukturen in integraler Blechbauweise im Hinblick auf ihre Funktion und Beanspruchung optimiert dargestellt werden können. Die Forschungstätigkeiten sollen die Produktentstehung in einem ganzheitlichen Sinn repräsentieren und sich daher von der Definition der Anforderung über die Produktgestaltung und -herstellung bis zur Produkterprobung erstrecken, sowie die virtuelle Produktentwicklung einschließen.
In vielen Fällen ermöglichen verzweigte Strukturen die Realisierung einer gewünschten Funktion auf kleinstem Raum oder mit kleinster Masse. Durch das gezielte Einbringen von Verzweigungen in Strukturen lassen sich diese, beispielsweise in Hinblick auf Statik und Stabilität, optimieren. In vielen Fällen ist die Natur das Vorbild für die Anwendung verzweigter Strukturen zur Optimierung von Eigenschaften und Funktionen von Produkten.
Das Spektrum in der Natur reicht von Leichtbauaspekten, wie am Beispiel von Knochenstrukturen, bis zur gezielten Beeinflussung von Strömungen. So erreichen bestimmte Vogelarten durch eine entsprechende Gefiederausbildung eine turbulente Umströmung ihrer Flügel, wodurch sich die Geräuschemission stark vermindert. Oberflächenvergrößerungen, wie sie bei Fischkiemen zur verbesserten Sauerstoffaufnahme oder bei den zur Detektion von Geruchsstoffen verwendeten Antennen von Insekten verwendet werden, werden in vielen technischen Fachdisziplinen nachgeahmt. So wird etwa zur effizienten Wärmeabfuhr eine Oberflächenmaximierung bei Kühlrippen angestrebt. Ebenso werden in der Natur hochstabile Strukturen mit einem minimalen Materialeinsatz bei gleichzeitig niedrigem Gewicht realisiert. Deutlich wird dieser Aspekt beispielsweise an dem Aufbau der Farne oder auch an den Verzweigungen eines Blattgerippes.
Parallelen finden sich in der Technik insbesondere im Flugzeugbau bei der Konstruktion von Tragflächen, ebenso wie im Brücken- und Gebäudebau in Form von Fachwerken. Als Beispiele für den Leichtbau können des weiteren Kasten-, Sandwich- oder Stringerkonstruktionen angegeben werden. Die Natur verwendet verzweigte Strukturen nicht nur zur Optimierung eines bestimmten Aspekts, sonderen erreicht vielfach eine Funktionsintegration. So dient etwa die verzweigte Struktur in Schachtelhalmgewächsen zunächst dazu, mit geringem Materialeinsatz Statik und Stabilität der Halmkonstruktion zu gewährleisten. Gleichzeitig werden jedoch die so entstandenen Kapillaren zum Transport von Wasser und Nährstoffen genutzt. Das gleiche Prinzip findet in den Blättern von Laubbäumen Anwendung, in deren ausgesteifer Form der komplexe Vorgang der Fotosynthese abläuft. Das technische Pendant hierzu sind multifunktionale Produkte.
Den in der Natur zu findenden Lösungen können also vergleichend technische Realisierungen gegenübergestellt werden. Insbesondere lassen sich Potenziale verbesserter Strukturen durch mechanische, thermodynamische und strömungstechnische Untersuchungen zeigen. Diese Strukturen zeichnen sich insbesondere durch folgende Eigenschaften aus:
- Multifunktionalität
- Funktions- und Beanspruchungsgerechtheit
- Festigkeitsoptimalität und Betriebsfestigkeit
- Gewichtsoptimierung
- Optimierung hinsichtlich Wärmeleitung und Übertragung
- Optimierung hinsichtlich Wechselwirkungen und Strömungen
- Prägung durch integrale Bauweise
Stand der Technik zur Fertigung von verzweigten Strukturen sind integrale und differentielle Bauweisen. Bei der differentiellen Bauweise werden die Strukturen aus Einzelkomponenten gefügt, während bei der integralen Bauweise das gesamte Bauteil aus einem einzigen Teil besteht. Integrale Bauweisen speziell bei metallischen Werkstücken haben den Vorteil der geringeren Fehleranfälligkeit oder aber der besseren Wärmeleitfähigkeit durch den vorhandenen, durchgängigen Stoffschluss. Ebenso ist die Korrosionsneigung oftmals wesentlich geringer. Bauteile mit differentieller Bauweise leiden oftmals unter unerwünschten thermischen Beeinflussungen des Gefüges, bsp. Schweißverbindungen, oder auch in schädlichen lokalen Spannungskonzentration, die etwa von Schraub- oder Nietverbindungen hervorgerufen werden. Integralbauweisen werden derzeit vorwiegend durch Umform- oder Zerspanprozesse realisiert. In der Umformtechnik werden hierzu die Verfahren der Massivumformung, wie z. B. Strangpressen, Warmwalzen oder Schmieden angewandt. Mit diesem Stand der Technik können Verzweigungen momentan nur durch das Einbringen von Sicken oder durch Materialdopplungen realsiert werden. Diese entsprechen aber nicht der mathematischen Defintion einer Verzweigung und bringen auch nicht die gleichen optimierten Eigenschaften mit sich wie tatsächlich verzweigte Strukturen. Weitere Argumente, die Technologieinnovation im Herstellungsprozess für verzweigte Strukturen bedingen, sind ökonomische Gesichtspunkte als auch momentan vorherrschende Fertigungsrestriktionen, die dem Erzeugen beliebiger verzweigter Strukturen Grenzen setzen. So werden zum Teil filigrane verzweigte Strukturen durch Zerspanung aus einem massiven Ausgangsprodukt erzeugt, da keine Alternativmethoden existieren.
Die neuen Spaltverfahren Spaltprofilieren und Spaltbiegen bieten erfolgversprechende Möglichkeiten, die genannten Defizite zu beheben. Erste Grundlagen hierzu wurden im Rahmen des DFG-Projekts GR 1818/7-2 statuiert. Mit dem SFB 666 „Integrale Blechbauweisen höherer Verzweigungsordnung“ sollen die Verfahrensgrenzen erweitert werden und ein auf Bleche in Integralbauweise gerichteter Produktenstehungsprozess konzipiert und implementiert werden.
Die gemeinsamen langfristigen Forschungsziele und Erkenntnisinteressen des SFB 666 liegen daher auf folgenden Gebieten:
- Erarbeiten von Methoden zur systematischen Entwicklung und Nachweis ihrer Tragfähigkeit am Beispiel integraler Blechbauteile mit verzweigten Strukturen
- Herstellung integraler verzweigter Blechstrukturen
- Bewertung und Optimierung von Bauteilen mit verzweigten Blechstrukturen hinsichtlich multifunktionaler Eigenschaftsprofile
Zusammenhänge, Fragestellungen und Zielsetzungen dieser drei Schwerpunkte werden nachfolgend motiviert und dargestellt.