
Forschungsprojekt
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RWN-Mobil
Im Zuge der weltweiten CO2 – Gesetzgebung und der potenziellen Einführung von „Zero-Emission-Areas“ wird der Elektrifizierungsgrad der Fahrzeuge, insbesondere im Bereich der individuellen Mobilität und Kurzstrecken-Fahrzeugen, in den kommenden Jahren ansteigen…Mehr
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Eine Wirkungsgradverbesserung über die Rekuperation der sogenannten “Verlustenergieströme” kann jedoch durch die Anwendung von Restwärmenutzungstechnologien erzielt werden.
Durch den zunehmenden Elektrifizierungsgrad der Fahrzeuge bis in die Regionen eines Mild-Hybrids eröffnen sich neue Freiheitsgrade, insbesondere im Bezug der zeitlichen Entkopplung aufgrund vorhandener Batteriesysteme, für die Rekuperation der Restwärme.
Die Herausforderung ist die verschiedenen Systeme zur Restwärmenutzung in einem Fahrzeug sinnvoll zu kombinieren.
Zur Umwandlung der Energie wird eine Expansionsmaschine zum Einsatz gebracht, die für die mobile Anwendung sowie den Rankine Prozess geeignet ist. Eine Gleichdruckturbine, wie sie hier entwickelt werden soll, birgt die Vorteile einer kompakten Bauart und der damit verbundenen Gewichtsersparnis sowie einer schmiermittelfreien Betriebsweise im Arbeitsraum. Dies ist notwendig, da ein reines Fluid für den Prozess mit Ruths-Speicher benötigt wird, welches im Zweiphasengebiet ein Reinstoffverhalten aufweist. Die zu entwickelnde Gleichdruckturbine arbeitet dabei in einem dem Wärmeangebot angepassten niedrigen Leistungsniveau im Einstelligen Kilowattbereich.
Für die Umsetzung der Gleichdruckturbine soll für eine hohe Effizienz der Turbine das Laufrad mit dünnwandigen Schaufeln bestückt werden. Dank der neuartigen SLM-Fertigungstechnologien und einer geeigneten Werkstoffwahl können beide Anforderungen gleichzeitig berücksichtigt werden. Des Weiteren kann die Gestaltfreiheit der zu fertigenden Bauteile durch das SLM-Verfahren positiv ausgenutzt werden und somit die Nachteile der urformgebenden Verfahren, wie z.B. Vermeidung von Hinterschnitten, zum Teil gänzlich kompensiert werden.
Teilnehmer des Forschungsprojektes sind:
- BRIGHT Testing GmbH
- Rosswag Engineering GmbH
- Fraunhofer ICT
Hier dazu ein Video aus dem Technologietransferprogramm „ Innovative Mobilitätstechnologien“::
LONGWisE
BRIGHT Testing produziert individuelle Prüfstände für Gesamtsysteme (wie Kfz-Motoren). Die Komponenten sind mittelgroß mit flächiger Bauart, hochbelastet und dauerschwingbeansprucht. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CfK) eignet sich ideal für … Mehr
LONGWisE
BRIGHT Testing produziert individuelle Prüfstände für Gesamtsysteme (wie Kfz-Motoren). Die Komponenten sind mittelgroß mit flächiger Bauart, hochbelastet und dauerschwingbeansprucht. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CfK) eignet sich ideal für diese Anwendung. BRIGHT wurde in der Vergangenheit bereits von Kunden auf die Fertigung aus CfK angesprochen, da die bewegten Massen bei großen Prüfständen zunehmend an Grenzen stoßen und zu einem nicht nachhaltigen Energiebedarf des Teststands führen. Es kommt immer wieder vor, dass Prüfstandkomponenten aus Metall den Belastungen aufgrund der Anregung der Eigenfrequenzen nicht standhalten. Die geringe Stückzahl rückt die Einzelkosten für Komponenten in den Hintergrund. Allerdings ist die Auslegung und Herstellung von CfK Komponenten deutlich zeit- und kostenaufwändiger als von Metallstrukturen. Diese Mehrkosten werden maßgeblich durch das nötige Formwerkzeug verursacht, welches für die Formgebung nötig ist. Daher muss sowohl ein vereinfachtes Auslegungsverfahren sowie ein bei Stückzahl „eins“ kostengünstiges Herstellungsverfahren gefunden werden, um CfK in dieser Anwendung kosteneffizient einsetzen zu können.Ziel des Projektes ist der Aufbau einer bedienerfreundlichen Umgebung zur Simulation und Optimierung faserverstärkter individueller CfK-Bauteile und einem zugehörigen Herstellungsprozess samt Anlagentechnik. Dazu wird ein Materialkatalog in Form eines „Klick-Tool“ aufgebaut. Dieser ermöglicht es mit CfK unerfahrenem Personal anhand der Lasten und Belastungsarten eine Materialkombination auszuwählen. Der Katalog basiert auf zu erforschenden Materialcharakterisierungen, welche auch als Input für eine Struktursimulation nutzbar gemacht werden. Die Simulation bei BRIGHT basiert auf einer Siemens NX Umgebung. Damit werden derzeit isotrope Materialien in der Konstruktion statisch und dynamisch für die Auslegung simuliert. Diese muss durch eine eigene Subroutinenlösung befähigt werden anisotrope Materialien wie Carbonfasern darstellen zu können. Dafür ist die Materialmodellierung neu aufzubauen und mit entsprechendem Testing zu validieren. Darauf aufbauend ist eine Optimierung zu implementieren. Ziel ist die automatisierte Anpassung der Faserablage an einen gegebenen Lastfall. Dem Endanwender soll durch die entwickelten Algorithmen und Randbedingungen der Großteil der Simulationsaktivität abgenommen werden. Dafür ist eine eigenständige Softwareroutine nötig, welche ähnlich dem „Klick-Tool“ die komplexen Randbedingungen runterbricht und autonom mit der NX-Umgebung interagiert, um eine Optimierung ausführen zu können. Die Herausforderungen sind die Interaktion und der Aufbau einer interaktiven Anwendung zur vereinfachten Auswahl der Randbedingungen. Um die Wertigkeit weiter zu steigern wird eine Modalanalyse integriert. Diese errechnet einen Wertebereich der zu erwartenden Eigenfrequenz des optimierten Bauteils. Auf diese Weise kann das Alleinstellungsmerkmal des CfK Bauteils weiter gesteigert werden.
Die optimierte Faserablage wird anschließend von der Software in ein Stickmuster überführt, um einen individuellen Formling zu generieren.
Die Verarbeitung eines solchen „Sticklings“ zu einem Bauteil erfordert ein formstabiles Werkzeug. Dieses gibt dem Bauteil die Endkontur. Daher muss es für jede Bauteilform einzeln gefertigt werden und verursacht entsprechend hohe Gesamtkosten bei einer Kleinserie. Durch die niedrige Bauteilzahl sind die Werkzeugkosten ein maßgeblicher Faktor und rechtfertigen kein Werkzeug aus Metall oder Verbundmaterialien. In diesem Projekt wird ein Prozess für ein 3d-gedrucktes Werkzeug entwickelt. Um die Kosten entsprechend gering zu halten wird ein kunststoffbasiertes Werkzeug gedruckt. Ziel ist es ein technisches (d.h. günstiges) Polymer als Ausgangsmaterial zu nutzen und eine Druckstrategie samt Austragseinheit zu entwickeln, um eine Nachbearbeitung der Oberfläche überflüssig zu machen. Im Fokus steht zunächst die Auswahl eines geeigneten Materials welches den auftretenden Belastungen (mechanisch, thermisch, chemisch) standhalten kann. Durch den Einsatz von Kurzfaserverstärkungen im Druckmaterial wird sowohl die niedrige Wärmeleitung als auch die mechanische Belastbarkeit von Polymeren verbessert. Diese Verstärkung erhöht jedoch die Porenbildung im Druckprozess. Aus diesem Grund sind Kombinationen mit nicht verstärktem Material für das Oberflächen-Finish zu untersuchen. Da das Finish eine sehr ebene Oberfläche erfordert, soll der klassische Stufeneffekt in gedruckten Bauteilen durch das Drucken gekrümmter Schichten und die Nutzung von variablen Layerhöhen verringert werden. In diesem Kontext ist auch die Düsenaußenform zu untersuchen. Durch die gekrümmten Bahnen und eine zu entwickelnde Düse, welche durch einen breiteren Aufbau das Material beim Ablegen bessert verteilt, ist ein Prozess zu entwickeln, welcher ohne Nachbearbeitung eine ausreichend feines Oberflächen-Finish generiert. Auf diese Weise wird das sonst übliche Überfräsen der gedruckten Werkzeugkavität unnötig gemacht.
Teilnehmer des Forschungsprojektes sind:
- BRIGHT Testing GmbH
- TUM (Technische Universität München)


MethMag Projekt – Entwicklung eines hocheffizienten Verbrennungsmotor
Um unseren Kunden nachhaltige Lösungen und Anwendungen für die zukünftige Mobilität und neu, innovative Fertigungsverfahren anbieten zu können, wirken wir bei einigen Forschungsprojekten und Arbeitsgruppen aktiv mit. Wer in der Prüftechnik einen Mehrwert … Mehr
MethMag project – Development of a highly efficient combustion engine
Um unseren Kunden nachhaltige Lösungen und Anwendungen für die zukünftige Mobilität und neu, innovative Fertigungsverfahren anbieten zu können, wirken wir bei einigen Forschungsprojekten und Arbeitsgruppen aktiv mit. Wer in der Prüftechnik einen Mehrwert für seine Kunden bieten möchte, muss innovativ, interdisziplinär und agil sein. Aus diesem Grund, wollen wir Ihnen unser neuestes Projekt vorstellen.
In unserem MethMag Projekt entwickeln wir gemeinsam mit dem @Fraunhofer ICT, der @Ford-Werke GmbH, der @Rosswag GmbH und dem @Forschungsinstitut für Kraftfahrtwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart einen hocheffizienten Verbrennungsmotor für die Anwendung in leichten Nutzfahrzeugen. Dabei wird ein innovatives Mager-brennverfahren in Verbindung mit synthetischem Methan genutzt. Wie das alles funktioniert?
Dazu warden ein Einzylinder-Versuchsmotor sowie brennverfahrensrelevante Komponenten konstruiert, als Versuchsdemonstrator aufgebaut und auf dem eigenen Prüfstand getestet. Begleitend werden zahlreiche Simulationen durchgeführt, darunter 1D-Ladungswechsel- und Performancesimulationen zur Abschätzung der Betriebsbereiche und Optimierung motorischer Parametern sowie 3D-Strömungssimulation zur Auslegung des Kühlwassermantels. Anschließende CHT- und FEM-Simulationen stellen die thermische sowie mechanische Betriebsfestigkeit des Versuchsträges sicher. Das Projekt hat eine Gesamtlaufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Das von uns entwickelte Prüfkonzept befähigt zum Betrieb von methangas-betriebenen Motoren. Eine spezifische Gasverbrauchsmessung mit -konditionierung ist hierbei eine der Schlüsselkomponenten. Zudem wäre mit einem kleinen Umbau auch der Betrieb mit Wasserstoff möglich. Neben der Modernisierung der Infrastruktur war BRIGHT bei diesem Projekt auch für die Beschaffung von Komponenten des Einzylindermotors verantwortlich.
Mehr Infos findest du hier: https://www.ict.fraunhofer.de/de/projekte/MethMag.html
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Leonardo
Scardigno
Senior Expert Additive
Manufacturing & Bionic Desig
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