Ressourceneffiziente Integration multifunktionaler Lasermaterialbearbeitungsverfahren im Prozessnetz für die Leichtbau-Fertigung - RESILIENT

Abstract

Der anthropogen beschleunigte Klimawandel zählt zu den zentralen globalen Herausforderungen. Nach der Energiewirtschaft (29,8 %) sind Industrie (24,1 %) und Verkehr (19,7 %) die größten CO₂-Emittenten. Neben der Treibhausgasproblematik stellt die nachhaltige Ressourcennutzung innerhalb planetarer Grenzen eine eng damit verknüpfte Herausforderung dar. Ökologisch verträgliches Wachstum ist nur durch deutlich effizientere Ressourcennutzung möglich. Hier setzt das Konsortialvorhaben RESILIENT an, indem es durch integrierte, multifunktionale Lasersystemtechnik eine effizientere Produktfertigung, einen optimierten Ressourceneinsatz mittels Leichtbaukomponenten sowie ein verbessertes Prozess- und Produktdesign durch digital gesteuerte Fertigungsrouten ermöglicht. Im Rahmen des Projekts wurde ein fasergekoppeltes 2 kW-Diodenlasersystem speziell für die Aluminiumbearbeitung entwickelt und dessen Systemwirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen IR-Diodenstrahlquellen experimentell untersucht. Darüber hinaus wurde eine methodische Grundlage zur ökologischen Bewertung von Fertigungsrouten entwickelt und in einem modularen Prozessnetz implementiert. Auf Basis von Topologieoptimierung, Struktursimulation und spezifischen Konstruktionsrichtlinien für die Multi-Tool-Prozesskette entstand ein bionisch gestaltetes Demonstratorbauteil. Ergänzend wurde ein digitaler Zwilling der Projektanlage, des Fertigungsprozesses und des Demonstratorbauteils erstellt. Anhand dieses Demonstratorbauteils konnte nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz von Topologieoptimierung, bionischer Leichtbaukonstruktion und einer laserbasierten Multi-Tool-Prozesskette (LMD/LBW/LBC) Materialeinsparungen von rund 50 % bei gleichbleibender Funktionalität erzielt werden können. Der in der Produktionsphase erhöhte Energiebedarf infolge der Laseranwendung kann in der Nutzungsphase überkompensiert werden, sodass der bauteilbezogene Carbon Footprint Wert in bestimmten Szenarien über den gesamten Lebenszyklus eines Pkw Bauteils um bis zu 8,6 Prozent reduziert werden kann.