Um was es geht
Der Elektromotor bildet das Herzstück des elektrischen Antriebs, indem er elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Elektrische Antriebe kommen in zahlreichen industriellen Bereichen zum Einsatz, darunter Metallverarbeitung, Industrieproduktion, Bergbau, Energieerzeugung, Schiffbau sowie der Öl- und Gasbranche. Zu ihren Vorteilen zählen Umweltfreundlichkeit, die einfache Übertragung der benötigten Energie über große Distanzen, ein hoher Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und eine hohe Verfügbarkeit.
Ziele des Forschungsprojekts
In der zweiten Projektphase (2024–2026) von EA 2.0 setzen die Forschungs- und Industriepartner ihre Arbeit fort, um die Entwicklung und Produktion elektrischer Antriebe in zwei zentralen Bereichen weiter zu optimieren. Ziel ist es, die Fertigung effizienter zu gestalten sowie den Material- und Energieeinsatz weiter zu reduzieren, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Die in Phase 1 (2020–2023) gewonnenen Erkenntnisse dienen dabei als Ausgangspunkt für weitere Fortschritte.
Motivation
Elektrische Antriebe sind weit verbreitet, und ihr Stellenwert nimmt mit dem fortschreitenden Klimawandel weiter zu. Klassische Verbrennungsmotoren weichen zunehmend elektrischen Antrieben. Neben Verfügbarkeit und Wirkungsgrad rücken die höhere Leistungsdichte (Leistung im Verhältnis zur Masse) und Nachhaltigkeit (Materialauswahl & -ausnutzung, Recycling, Lebensdauer, Energieeffizienz) in den Fokus der Entwicklung neuer elektrischer Maschinen. Die Umsetzung dieser Anforderungen sowie die Einhaltung kurzer Lieferzeiten im globalen Wettbewerb stellen klassische Produktionsstandorte vor wachsende Herausforderungen.
Um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben, sind daher disruptive Ansätze gefragt, die elektrische Maschinen grundlegend neu konzipieren und fertigen. Die Digitalisierung eröffnet in diesem Bereich enorme Chancen.
Dieses Projekt wird kofinanziert von der Europäischen Union.
Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexander Rüdiger
Neben thermo-mechanischen Wechselbelastungen führen vor allem tribologische Anteile beim Strang-pressen von Bunt- und Schwermetallen zu einem schnellen Verschleiß an den Matrizen. Die tribologi-sche Belastung resultiert aus der Interaktion zwischen dem Umformgut und den Werkzeugoberflächen unter hohen Flächenpressungen. Die zentrale Aufgabe des Vorhabens ist die Untersuchung und Identi-fikation dieser Vorgänge, um dadurch eine Verschleißreduzierung oder auch Produktoptimierung zu erreichen. Dies sind wesentliche Ansätze, um die Produktion von Profilen aus Kupfer oder Messinglegie-rungen, insbesondere moderner bleifreier Legierungen, deutlich wirtschaftlicher gestalten zu können.
Dieses Projekt wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Ansprechpartner: M. Sc. Stefan Kuhnke
Basierend auf durchgeführten Simulationsrechnungen und begleitenden praktischen Vorversuche werden die Konzeption und Entwicklung einer modularen Werkzeugtechnologie deren Werkzeugkomponenten hinsichtlich der erforderlichen Formgebungsgeometrie, insbesondere bzgl. Tragarmen, Verschweiß-Kammer etc. abgeleitet werden. Zugleich sollen durch eine entsprechende Werkstoffauswahl der Einzelkomponenten (z. B. Keramik- und Hartmetalleinsätze, Kobalt- bzw. Nickelbasis-Legierungen etc.) sowie die zugehörige Beschichtungs-technologie (z. B. CVD-Beschichtungen bzw. Hartchromschichten oder Stellit-Panzerungen) beim Strangpressen der Buntmetalle, insbesondere von bleifreien Messing- und Kupferlegierungen die Neigung zu Abrasion und Adhäsion minimiert und damit die toleranzgenaue Herstellung schwer beherrschbarer Hohlprofile u. a. für die Bereiche Lüftungs- und Klimatechnik ermöglicht werden.
Dieses Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Ansprechpartner: M. Sc. Stefan Kuhnke
Im Leichtbau werden Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Festigkeit und ihrer leichten Verarbeitbarkeit für vielseitige Anwendungen verwendet. Graphen verfügt über herausragende Festigkeits- und Steifigkeitswerte sowie eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit, sodass es ein attraktives Material für den Einsatz als Verstärkungsphase in Aluminium darstellt. Für eine effektive Steigerung der Werkstofffestigkeit ist es erforderlich, dass das Graphen in der Al-Matrix möglichst homogen verteilt vorliegt. Gesamtziel des beantragten Projekts ist es daher, zu erforschen mit welchen prozesstechnischen Verfahren eine möglichst homogene Dispersion erreicht werden kann. So soll zum einen für eine bessere Anbindung an die Matrix eine geeignete Funktionalisierung des Graphens vorgenommen werden. Weiterhin sollen Al-Pulver und Graphen-Partikel einerseits trocken mechanisch und andererseits nass vermischt werden. Nachdem vorkompaktierte Verbundpresslinge erzeugt wurden, soll untersucht werden wie sich die Umformverfahren des Strangpressens sowie der Scherumformung (ECAP) auf die Dispersion des Graphens auswirken. Anschließend erfolgen Analysen der Mikrostruktur und eine Charakterisierung der erzeugten Verbundwerkstoffe hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften unter Zugbeanspruchung. Abschließend ist es ein Ziel die elektrische Leitfähigkeit dieser neuartigen Verbundwerkstoffe zu ermitteln. Damit soll in Erfahrung gebracht werden, ob diese als Leiterwerkstoff und damit als leichte und günstigere Alternative zu Kupfer verwendet werden können.
Dieses Projekt wird durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Maik Negendank
Die zunehmende Forderung nach innovativem Leichtbau verlangt den Einsatz von Magnesium als Konstruktionswerkstoff. Mittels verschiedener Legierungselemente und Fertigungsprozessen konnten die mechanischen Eigenschaften von Magnesium stetig gesteigert werden. Besonders hervorzuheben ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Magnesium durch die Behandlung mit Servere-Plastic-Deformation-Prozessen. Jedoch weißt Magnesium nach dem Strangpressen oder Walzen durch seine Hexagonale Gitterstruktur und die Notwendigkeit der Zwillingsbildung zur Verformung Unterschiede der Fließgrenzen in Abhängigkeit von Druck- oder Zugspannung (Strength Differential Effect, SDE) sowie der Belastungsrichtung im Verhältnis zur Strangpress- bzw. Walzrichtung (Anisotropie) auf. Da in der Realität vorwiegend mehrachsige Spannungszustände auftreten, stellen der SDE und die Anisotropie einen Nachteil von Magnesium dar. Um das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten von Magnesiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff zu erhöhen, sind grundlagenwissenschaftliche Kenntnisse über die Beeinflussung des SDE bzw. der Anisotropie von großer Bedeutung. In diesem Projekt sollen durch innovative Prozessführung die Mikrostruktur und letztendlich die mechanischen Eigenschaften zum einen durch eine Verstärkung der Schubspannungsanteile, zum anderen durch eine Erhöhung der Druckspannungsanteile beeinflusst werden. Dabei wird der Schubspannungsanteil konstruktiv durch Integration der ECAP-Umformung und durch Vorkammern in der ursprünglichen Pressmatrize erhöht. Der Druckspannungsanteil wird durch die Bolzenvorbehandlung mittels Schmieden vor dem Strangpressen erhöht.
Dieses Projekt wird durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Ansprechpartner: M. Sc. Martin Jähnke
Wesentliche Fragestellungen für die Lieferanten von Aluminiumprofilen und die Automobilhersteller für eine Crashanwendung betreffen die optimale Kombination von Festigkeit, Duktilität und Profilgeometrie. Die finalen mechanischen Eigenschaften von Aluminiumprofilen hängen von der chemischen Zusammensetzung, den Strangpressparametern, den anschließenden Wärmebehandlungen (Abschreckung, Warmauslagerungen) und der Belastungssituation ab. Da die Anzahl der Einflussfaktoren umfangreich und das Prozessfenster nicht deutlich ist, sind für eine gegebene Legierung keine einfachen Beziehungen zwischen den Prozessparametern und den gewünschten mechanischen Merkmalen für ein optimiertes Crashverhalten vorhanden.
Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer für KMU umsetzbaren Methodik zur Bewertung der Crashtauglichkeit stranggepresster Aluminiumprofile auf Basis von Prozessparametern und spezifischen mechanischen Merkmalen. Die Arbeitshypothese besteht darin, dass die Zusammenhänge des Crashverhaltens von unterschiedlichen Profilen mit den Fertigungsschritten mit Hilfe von ausgewählten Merkmalen aus Proben- und Komponentenversuchen sowie Simulationen unter Einsatz mathematischer Prozessmodelle wie künstlichen neuronalen Netzwerken zuverlässig zu ermitteln sind. Dabei wird ein zweistufiger Modellansatz entwickelt. Das erste Teilmodell (Strangpress-Modell) liefert quantitative Aussagen zu den Profilmerkmalen. Diese Werte stellen die Eingangsgrößen für das zweite Teilmodell (Crashtest-Modell) dar. Das vorgeschlagene Projekt beinhaltet eine Untersuchungskette von der Herstellung von strangpressten Aluminiumprofilen über die Ermittlung ihrer mechanischen und Mikrostruktur-Merkmale bis zur Bestimmung ihres gesamten Crashverhaltens. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen werden Prozess- und Crashsimulationen sowie mathematische Analysemethoden zur Identifizierung von verschiedenen Merkmalen und zur Bestimmung der Korrelationen zwischen diesen Merkmalen und dem Crashverhalten eingesetzt.
Mit der Methode sollen Fertigungsprozesse hinsichtlich der Crashtauglichkeit optimiert und die zu erwartenden Crasheigenschaften bei variierenden Prozessparametern vorhergesagt werden können.
Dieses Projekt wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Ansprechpartner: Dipl.-Ing. René Nitschke