Dank der gezielten lokalen Verstärkung von thermoplastischem Spritzguss durch 3-dimensionale duroplastische Skelettstrukturen lassen sich Bauteile mit besten mechanischen Eigenschaften und gleichzeitig guter Kosten- und Materialeffizienz fertigen. Dieser Ansatz für eine innovative Leichtbauweise wird in der Dissertation von Phillip Bauer zum Thema „Lastpfadoptimierte Strukturbauteile aus duroplastischen Wickelstrukturen mit thermoplastischem Spritzguss“ verfolgt. „Die Motivation zur Themenstellung meiner Arbeit liegt in der Idee, das gut etablierte und industriell breit angewendete thermoplastische Spritzgussverfahren so weiterzuentwickeln, dass eine automatisierte Fertigung von Strukturbauteilen mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht wird“, erklärt der Pforzheimer Doktorand. Der wissenschaftliche Mitarbeiter im „Labor für Leichtbau & Smart Structures (LSS)“ der Hochschule Pforzheim entwickelte hierfür ein robotergestütztes 3D-Faserwickelverfahren, das hoch-automatisiert die benötigten ultra-leichten Skelettstrukturen mit hoher Präzision und Geschwindigkeit erstellen kann. Darüber hinaus wurde ein speziell abgestimmter Plasma-Prozess erforscht, der die Oberflächenmodifikation für eine belastbare und dauerhafte Anbindung zum thermoplastischen Spritzguss gewährleistet.

Die automatisierte Fertigung ist eine wichtige Voraussetzung, um komplexe Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen und Multi-Material-Systemen zu ermöglichen, die durch einen hohen Materialausnutzungsgrad ressourcenschonende und kostengünstige Produkte erlauben. Derartige automatisierte Fertigungsverfahren für hochbelastbare Strukturbauteile, die auf gut reproduzierbaren, additiven Prozessen beruhen, stecken derzeit noch weitgehend in den Kinderschuhen und schöpfen ihr vorhandenes Potenzial bei Weitem nicht aus.

Mit Hilfe von endlosfaserverstärkten Kunststoffen können hochbelastbare Strukturbauteile gefertigt werden – allerdings ist die Formgebung insbesondere bei filigranen Details eingeschränkt. Für andere Technologien wie beispielsweise das Spritzgießen bestehen diese Einschränkungen nicht, allerdings können hierbei selbst mit Langfaserverstärkung keine hochbelastbaren Bauteile erzeugt werden. Was aktuell noch in der Fertigungslandschaft fehlt, ist ein hochautomatisierter, schneller Fertigungsprozess mit hoher Designfreiheit und hoher Bauteilqualität für hoch belastbare Strukturbauteile.

Im Rahmen der Dissertation von Philipp Bauer wird ein Verfahren entwickelt und beschrieben, welches duroplastische Faserverbund-Material als Einleger mit dem bereits gut bekannten thermoplastischen Spritzgussverfahren kombiniert. Der daraus entstehende hybride Werkstoff vereint die günstigen Eigenschaften der beiden eigentlich artfremden Kunststofftypen im jeweiligen Bauteil. Das verwendete TowPreg-Material, als Werkstoff für die Skelettstruktur, besteht aus Kohlenstofffasern, welche durch einen duroplastischen Kunststoff (Epoxidharz) vorimprägniert werden. Bereits geringe Mengen, die lastgerecht an der richtigen Position im Gesamtbauteil eingebracht werden, steigern die Belastbarkeit des hybriden Materials gravierend gegenüber reinem Spritzguss und verbessern zudem das bislang nachteilige Versagensverhalten.

Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals dieser relativ neue Ansatz, duroplastische endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischen kurzfaserverstärkten Kunststoffen zu kombinieren, intensiv wissenschaftlich beschrieben und eine konkrete Prozesskette entwickelt und untersucht – von der Oberflächentechnik über die numerische Optimierung der Skelettstrukturen bis hin zur automatisierten Fertigung.

Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Untersuchungen wurden auf mehren internationalen Fachtagungen vorgestellt und in einer Reihe von Publikationen veröffentlicht.

„Phillip Bauers Dissertation mache beispielhaft deutlich“, so sein Pforzheimer Doktorvater Professor Ingolf Müller, stellvertretender Leiter des Institute for Smart Bicycle Technology (ISBT), „dass die Forschungsergebnisse der Pforzheimer Promovenden nicht nur im wissenschaftlichen Bereich von Interesse sind, sondern zukunftsfähige technische Themen, die für den Wirtschaftsstandort Baden-Württemberg und Deutschland von großer Bedeutung sind, bearbeiten“.

Hintergrund:
Philipp Bauer beendete 2017 sein Bachelor-Studium im Studiengang Fahrzeugtechnik an der Technischen Universität Ilmenau. Nach dem anschließenden Master-Studium der Fahrzeug- und Motorentechnik an der Universität Stuttgart begann er seine kooperative Doktorarbeit, die von Prof. Dr.-Ing. Joachim Hausmann vom Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe Kaiserslautern als Erstgutachter und Prof. Dr.-Ing. Ingolf Müller von der Hochschule Pforzheim zusammen mit PD Dr.-Ing. habil. David May vom Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe Kaiserslautern als Zweitgutachter betreut wurde. Philipp Bauer konnte am Freitag, 28. April 2023, erfolgreich seine Promotion verteidigen. Seit Anfang April 2023 arbeitet Philipp Bauer als Entwicklungsingenieur bei der Canyon Bicycles GmbH in Koblenz.

Forschungslabor „Leichtbau und Smart Structures (LSS)“ am „Institute for Smart Bicycle Technology (ISBT)“

Das Forschungslabor für „Leichtbau und Smart Structures (LSS)“ beschäftigt sich zum einen mit ultra-leichten und automatisiert herstellbaren Tragstrukturen für Mobilitätsanwendungen; zum anderen werden sogenannte „Smart Structures“ erforscht, die Sensoren und Aktoren in den Werkstoff einbetten, um so neue Anwendungen im Bereich der Echtzeit-Schadenserkennung und des Energy Harvesting für Leichtbau-Strukturen zu ermöglichen.

Das Institute for Smart Bicycle Technology (ISBT) bündelt zudem Forschungsprojekte und Entwicklungsaktivitäten der Hochschule Pforzheim in den Bereichen der Fahrradtechnologie. Gegenwärtige Schwerpunkte sind neben der Entwicklung neuer mechatronischer Fahrerassistenzsysteme für Pedelecs die Komponenten- und Prüfstandentwicklung für Fahrräder.