Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, BayreuthDie computergestützte Material- und Bauteilentwicklung (ICME) umfasst heutzutage als zentrales Kriterium auch die Material- und Energieeffizienz bei Produktion und Einsatz von Bauteilen. Moderne Methoden der Topologieoptimierung ermöglichen es, anwendungsspezifisch keramische und metallische Komponenten mit minimaler Masse und Wärmekapazität zu entwickeln. Dank der Fortschritte bei Formgebungsverfahren wie der Additiven Fertigung, dem Spritzguss oder textilen Verfahren können die dafür nötigen, oft komplexen Geometrien (z.B. zelluläre Strukturen) auch industriell gefertigt werden. Das Fraunhofer-Zentrum HTL nutzt bewährte Verfahren zur automatischen Topologieoptimierung wie dichtebasierte-, Level-Set- oder Gitter-basierte Algorithmen zum Bauteildesign. Es entwickelt im Rahmen von aktuellen F&E-Projekten die Methodik mit Blick auf effiziente Thermoprozesse weiter. Die benötigten Materialeigenschaften können am HTL gemessen und Prototypen hergestellt und getestet werden. Aktuelle Beispiele sind die Entwicklung topologieoptimierter, leichter Brennhilfsmittel und die Auslegung von mehrschichtigen thermischen Isolationen und Strahlungsschirmen.
Forschungsschwerpunkte:
ICME
Topologieoptimierung
Für die thermische Prozessierung, insbesondere das Sintern, werden in fast allen Fällen hochtemperaturbeständige Brennhilfsmittel benötigt, in oder auf denen das eigentliche Erwärmungsgut im Ofen gelagert ist. Gerade bei Durchlauföfen kann die für das Aufheizen der Brennhilfsmittel benötigte Wärmemenge den größten Teil der Energieverluste im Prozess ausmachen. Um dieses erhebliche Energieeinsparpotenzial zu heben, entwickelt das Fraunhofer-Zentrum HTL auf Basis von mechanischen und thermischen Finite-Elemente-Analysen topologieoptimierte Brennhilfsmittel mit minimaler Wärmekapazität, die dennoch die Anforderungen an Steifigkeit, Kriechstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit erfüllen. Als Nebenbedingung wird ggf. auch die effektive und homogene Aufheizung des Erwärmungsgutes als Kriterium in der Topologieoptimierung berücksichtigt. Je nach Anwendung können hier entweder nur die Stützstrukturen filigraner gestaltet oder alle Brennhilfsmittel als zelluläre/ gitterbasierte Struktur ausgelegt und z.B. durch additive Fertigung umgesetzt werden. Ein Ansatz für preisgünstigere Brennhilfsmittel, der papiertechnische Herstellungsverfahren für die keramische Formgebung nutzt, wird gerade entwickelt.
Ein Spezialfall der Topologieoptimierung ist die Auslegung von mehrlagig aufgebauten thermischen Isolierungen. Hierzu wurde eine eigenständige Software (User-App auf Basis von COMSOL) entwickelt, mit der bei manuell vorgegebener Materialfolge und Gesamtdicke die optimalen Dicken der Einzelschichten für minimalen Wärmedurchgang automatisch ermittelt werden. Dabei wird auch der Wärmetransport durch Strahlung in Spalten bzw. an Strahlungsschirmen simuliert. Die Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften wird in den Modellen berücksichtigt, ebenso die maximalen Einsatztemperaturen der Materialien. Für eine umfassendere Neukonzeption von Isolierungen erfolgt zusätzlich eine systematische Materialauswahl und bei Bedarf weiterführende, auf die konkrete Anwendung bezogene FE-Analyse zur mechanischen und thermischen Belastung der Isolierung. Die benötigten Materialdaten zur Wärmeleitfähigkeit und Emissivität können am Fraunhofer-Zentrum HTL temperaturabhängig gemessen werden. Die Simulationsrechnungen können an Spezialöfen experimentell validiert werden.
Leistungsangebot:
- Erstellung von Studien zu topologieoptimierten Bauteilen
- Herstellung topologieoptimierter Prototypen mit 3D-Druck
- Auslegung und Herstellung topologieoptimierter textiler Strukturen
- Entwicklung energiesparender Brennhilfsmittel
- FE-Modellierung des Einsatzverhaltens bei thermischen und mechanischen Lasten
- Konzeptionierung thermischer Mehrschicht-Isolationen und Strahlungsschirme
- Entwicklung kundenspezifischer Software für die Auslegung von Ofenwänden und anderen thermischen Isolationen
- Messung von Materialeigenschaften für die Erzeugung topologieoptimierter Strukturen