Leichtbau

„Leichtbau ist eine Geisteshaltung“ – Heinrich Timm, geistiger Vater des Audi-Aluminium-Spaceframes, bringt es auf den Punkt. Effektiver Leichtbau entsteht, wenn konsequent alle Potentiale erkannt und genutzt werden – wenn Leichtbau als übergeordnetes Entwicklungsziel definiert wird. Dieser Maxime folgend, forschen wir an Methoden, die den gesamten Leichtbauentwicklungsprozess unterstützen. Schwerpunkt unserer Forschung bilden Methoden zur Analyse von Leichtbaupotentialen im Gesamtsystem, die Systemsynthese mittels Multi-Material-Design sowie Methoden zur Gestaltsynthese und Strukturoptimierung isotroper und anisotroper Werkstoffe.

FF Leichtbau

Forschungsschwerpunkte

  • Identifikation von Leichtbaupotenzialen im Gesamtsystem
  • System Design
  • Strukturoptimierung und Simulation
  • Validierung

Systeme

  • Fahrzeugkarosserie
  • Getriebe für verbrennungsmotorische und elektrische Fahrzeugantriebsstränge
  • Strukturbauteile in Stahl und Kunststoff
  • Hochvoltspeicher
  • Klimageräte

Methoden

  • Statische und Dynamische Berechnung mittels der Finiten-Elemente-Methode
  • Analyse von Leichtbaupotenzialen im Gesamtsystem
  • Packageoptimierung im Hochvoltspeicher
  • Stoffleichtbau im Fahrzeuggetriebe
  • Design Richtlinien zum leichtbaugerechten Konstruieren von Faserverbundkunststoffen
  • Strukturoptimierung
  • Mehrzieloptimierung
  • Mehrkörpersimulation

Prozesse

  • Systematische Verknüpfung der Produktfunktion mit Masse, Kosten und CO2-Impact "Target Weighing
  • Optimierung von Systemen mit Hilfe der Topologie-, Form- und Parameteroptimierung
  • Optimierung von Fahrzeuggetrieben hinsichtlich Massenträgheiten, Bauraum und Gewicht
  • Gekoppelte Simulation und Optimierung
  • Optimierung von Endlosfaserverbunden für eine ideale Materialausnutzung
  • Berücksichtigung der Robustheit bei der Optimierung von Langfaserverbunden
  • Optimierung von Energiespeichern
  • Sickenoptimierung
  • Integration von Fertigungsrestriktionen in Optimierungsmethoden

Ausstattung

  • Software:
    • Finite Elemente Methode: Abaqus, Nastran, Ansys, Adina, ...
    • Mehrkörpersimulation: ADAMS, LMS.Motion, MatLab/Simulink, ...
    • Optimierung: TOSCA, OptiStruct, Dakota, MatLab, …
  • Hardware:
    • Versuchsaufbau zur Untersuchung der elektrischen Isolation seriell verschalteter Batteriezellen zur Evaluierung verschiedener Kühlfluide für den Einsatz im Batteriemodul
    • Prüfaufbau zur Untersuchung verschiedener Batteriezellanordnungen im Modul, hinsichtlich der Effizienz der Temperierung
    • Mehrere Rechenserver
      • AMD EPYC 7702, insgesamt 128 Kerne, 1 TB RAM
      • AMD EPYC 9374F 32 Kerne, 128 GB RAM
      • 2x AMD Ryzen 9 7950X, 16 Kerne, 128 GB RAM
    • Zugang zum bwUniCluster 3.0 des Steinbuch Centre for Computing (SCC)

 

Im Kontext der Produktentwicklung werden vor allem die Leichtbaustrategien System-, Form-, Material- und Fertigungsleichtbau adressiert. Dabei werden die Leichtbauaktivitäten im Sinne der SGE – Systemgenerationsentwicklung auf Basis eines Referenzsystems, welches beispielsweise Wettbewerberprodukte oder Vorgängergenerationen enthält, bei Prinzip- und Ausprägungsvariation durchgeführt. Darüber hinaus stehen dem Produktentwickler Prozesse, Methoden und Werkzeuge sowie das Wissensmanagement unterstützend zur Verfügung, um möglichst effizient und zielführend Leichtbau zu betreiben.

                                                                          

Die grundlegenden Leichtbaustrategien definieren sich wie folgt.

                     

Ausgewählte Veröffentlichungen im Forschungsfeld


2024
Innovative Leichtbaumaßnahmen an einer permanenterregten Synchronmaschine – Simulationsbasierte Einflussanalyse auf das thermische Verhalten
Dewald, A.; Kern, J.; Bause, K.; Ott, S.
2024, Juni 10. NAFEMS DACH Konferenz : Konferenz für Berechnung & Simulation im Engineering (2024), Bamberg, Deutschland, 10.–12. Juni 2024
Design, Manufacturing and Recycling of Selectively Reinforced Hybrid NFRP Components
Frank, N.; Baur, J.; Strohl, C.; Albers, A.; Düser, T.; Middendorf, P.; Graf, T.
2024. DS 133: Proceedings of the 35th Symposium Design for X (DFX2024), 135–142, The Design Society. doi:10.35199/dfx2024.14
2022
Lightweight Multi-Material-Design of a Liquid Cooled 18650 Cell Holder
Nöller, M.; Holoch, J.; Pagel, S.; Rombach, J.; Legat, J.; Bonten, C.; Bause, K.
2022. Karlsruher Institut für Technologie (KIT). doi:10.5445/IR/1000144258
Simulation-based evaluation of high-speed PEEK gears in automotive powertrains and design of a validation environment for high-speed gears
Lagier, F.; Freund, N.; Bause, K.; Ott, S.; Albers, A.
2022. 22nd International VDI Congress: Dritev, 223–240, VDI Verlag. doi:10.51202/9783181024010-223
2019
Function-Based Material Selection for Cross-Component Lightweight Design Within the Extended Target Weighing Approach
Revfi, S.; Kaspar, J.; Vielhaber, M.; Albers, A.
2019. Proceedings of the Design Society: International Conference on Engineering Design, 1 (1), 2715–2724. doi:10.1017/dsi.2019.278
Agile Lightweight Design - The Extended Target Weighing Approach in ASD - Agile Systems Design Using Functional Modelling with the C&C2-Approach
Albers, A.; Matthiesen, S.; Revfi, S.; Schönhoff, C.; Grauberger, P.; Heimicke, J.
2019. Proceedings of the Design Society: International Conference on Engineering Design, 1 (1), 2667–2676. doi:10.1017/dsi.2019.273
Cross-Component Material and Joining Selection for Functional Lightweight Design based on the Extended Target Weighing Approach - A Detailed Application Example
Kaspar, J.; Revfi, S.; Albers, A.; Vielhaber, M.
2019. Procedia CIRP, 84, 694–700. doi:10.1016/j.procir.2019.04.192
Function-based benchmarking to identify competitor-based lightweight design potentials
Albers, A.; Revfi, S.; Kraus, F.; Spadinger, M.
2019. Procedia CIRP, 84, 526–531. doi:10.1016/j.procir.2019.04.231
Manufacturing-oriented Bead Patterns for Long Fiber-Reinforced Polymer Structures
Revfi, S.; Spadinger, M.; Albers, A.
2019. NAFEMS World Congress 2019, Québec, CDN, June 17-20, 2019, NAFEMS
2018
Potential of lightweight design of a vehicle transmission by usage of high strength steels
Reichert, U.; Busch, F.; Ott, S.; Bause, K.
2018. VDI-Kongress "Dritev – Getriebe in Fahrzeugen", Bonn, 27. - 28. Juni 2018
2017
Design Guidelines 2.0 to support design process of fibre-reinforced plastics
Butenko, V.; Gladysz, B.; Nicolini, M.; Albers, A.
2017. SAMPE Europe Conference 2017 Stuttgart, Leinfelden-Echterdingen, 14. - 16. November 2017
Extended target weighing approach : Identification of lightweight design potential for new product generations
Albers, A.; Revfi, S.; Spadinger, M.
2017. Proceedings of the 21st International Conference on Engineering Design (ICED 17), Vol 4 : Design Methods and Tools, Vancouver, Canada, 21st - 25th August 2017. Ed.: A. Maier, 367–376, The Design Society
Coupling of Computer-aided Methods : Supporting Product Developer during Embodiment Synthesis
Albers, A.; Spadinger, M.; Serf, M.; Reichert, S.; Heldmaier, S.; Schulz, M.
2017. WCSMO 12 : Proceedings of the 12th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation, Braunschweig, Germany, 5-9 Juni 2017
2013
Macroscale modeling of long-fiber-reinforced composite parts with varying material properties for robust rib optimization
Troll, D.; Marston, M. P.; Albers, A.
2013. NWC 2013, NAFEMS world congress : SPDM, International Conference Simulation Process & Data Management : 9 - 12 June, Salzburg, Austria, NAFEMS
Design for Energy Efficiency: Structural Optimization Process for Mechanical Parts in Dynamic Systems
Sander, C.; Kellner, M.; Albers, A.
2013. NWC 2013, NAFEMS world congress SPDM, International Conference Simulation Process & Data Management, Salzburg, Austria, 9. - 12. June, 2013, Bernau am Chiemsee NAFEMS Deutschland
Target weighing - A new approach for conceptual lightweight design in early phases of complex systems development
Albers, A.; Wagner, D.; Ruckpaul, A.; Hessenauer, B.; Burkardt, N.; Matthiesen, S.
2013. Proceedings of the 19th International Conference on Engineering Design (ICED13) Design For Harmonies, Vol. 5: Design for X, Design to X, Seoul, Korea 19-22.08.2013, 301–310, The Design Society
2011
Approaches for the macroscale curvilinear modeling of composites based on the fiber patch preforming (FPP) technology
Albers, A.; Majic, N.; Troll, D.
2011. Proceedings of the 3rd ECCOMAS Thematic Conference on the Mechanical Response of Composites, Hannover, Germany, September 21-23 2011. Ed.: R. Rolfes, Leibniz Universität

Übersicht aller Veröffentlichungen

Eine Übersicht aller Veröffentlichungen des IPEK finden Sie hier.