Seit 2025 leitet das Fraunhofer IWU das Forschungsfeld Leichtbau. Dieser Zusammenschluss bündelt die Kompetenzen von 16 Fraunhofer-Instituten und bildet damit eine leistungsstarke, interdisziplinäre Plattform entlang der gesamten Wertschöpfungskette des Leichtbaus – von der Materialentwicklung bis zur validierten Anwendung im Produkt. Ziel ist es nach Mitteilung des Fraunhofer IWU, Unternehmen integrierte Forschungs- und Entwicklungsleistungen aus einer Hand bereitzustellen und Innovationen effizient in industrielle Anwendungen zu überführen.
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz, koordiniert nun diese Aktivitäten. Aus wegweisenden Ideen werden erst dann Innovationen, wenn sich Konzepte auch in Produkte übersetzen lassen: Diesem Gedanken folgend, legt das Fraunhofer IWU den Fokus auf den werkstoff- und fertigungsgerechten Leichtbau. Ein zentraler Ansatz ist der sogenannte Systemleichtbau, bei dem Materialien, Konstruktion und Produktionsprozesse ganzheitlich optimiert werden. Ziel dabei ist es, Gewicht zu reduzieren, Ressourcen zu sparen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Bauteilen für Anwendungen etwa im Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau zu erhöhen.
Leichtbau für großvolumige Bauteile: Die neu entwickelte flexible Fräskinematik auf einer Linearachse bearbeitet ein CFK-Flugzeugseitenleitwerk im Maßstab 1:1 mit hoher Präzision (© Fraunhofer IFAM)
Beispiel 3D-FiberTrain
In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Projekt 3D-FiberTrain zeigten die Institute Fraunhofer IWU und Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Industriepartnern, wie durch die Kombination von großformatigem 3D-Druck und dem 3D-Tapelegeverfahren die werkzeugfreie Herstellung von komplexen und hochbelastbaren thermoplastischen Faserverbundbauteilen für Schienenfahrzeuge gelingt. Der Verzicht auf Formwerkzeuge, der hohe Automatisierungsgrad und der Einsatz von wiederverwendbaren Thermoplast-basierten Ausgangsmaterialien senken die Herstellkosten ebenso wie den CO2-Fußabdruck. Dies gilt besonders für die Herstellung kleiner und mittlerer Stückzahlen.
Innerhalb von drei Jahren realisierte das Konsortium zwei großformatige Demonstratoren: eine Frontschürze sowie eine Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszuges. Das eingesetzte glasfaserverstärkte Polycarbonat wurde gezielt so ausgewählt und modifiziert, dass es die extrem hohen, schienenfahrzeugspezifischen Brandschutzanforderungen erfüllt. Der integrierte Flammschutz stellt besondere Herausforderungen bei der Verarbeitbarkeit im 3D-Druck dar. Diesen begegneten die Forschenden mit vorangestellten Prozesssimulationen, die beispielsweise den thermisch bedingten Bauteilverzug oder Delaminationen vorhersagen können und so kostspielige Fehldrucke vermeiden.
Anlage für multifunktionale und smarte Oberflächenveredelungen, beispielsweise für optische Funktionen oder zur Erzielung von Antihaft- beziehungsweise antibakteriellen Eigenschaften. Auch Dünnschichtsensorik kann aufgebracht werden (© Fraunhofer IST)
Pyrolyseofen des Fraunhofer IGCV zur Untersuchung des Recyclings faserverstärkter Kunststoffe (Separation von Fasern und Matrix mittels Pyrolyse); kreislaufwirtschaftliche Ansätze spielen für die Akzeptanz von Composites eine wachsende Rolle (© Fraunhofer IGCV / Thomas L. Fischer)
Darüber hinaus ermöglichten spezielle Strukturoptimierungsmethoden, die Anzahl der aufgebrachten Verstärkungstapes auf das mechanisch notwendige Minimum zu reduzieren; neben dem Entfall von Formwerkzeugen ein entscheidender Hebel für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. In weiterführenden Arbeiten soll zukünftig die direkte Verarbeitung von Rezyklat im großformatigen 3D-Druck untersucht werden, um die Kreislaufführung von thermoplastischen Schienenfahrzeugkomponenten weiter voranzutreiben. Das Projekt belegt damit das Potenzial von additiver Fertigung, Entwicklungszeiten im Schienenfahrzeugbau drastisch zu verkürzen und gleichzeitig nachhaltige, recyclingfähige Leichtbaustrukturen zu realisieren.
Fraunhofer-Forschungsfeld Leichtbau: Starke Allianz aus 16 Instituten
Das Forschungsfeld vereint umfassende Kompetenzen für die Entwicklung und Optimierung hochmoderner Fertigungsprozesse für Leichtbaustrukturen, darunter hybride Thermoplast-Bauteile, RTM- und Hochdruck-
RTM-Verfahren, automatisierte Tape- und Prepregverarbeitung sowie innovative Ansätze zur Nutzung von recycelten Fasermaterialien. Ergänzt wird dies durch Expertise in Verbindungs- und Oberflächentechnologien, etwa in der Klebtechnik, Laserbearbeitung und funktionalen Oberflächenveredelung, um multifunktionale und langlebige Produkte zu realisieren.
Für die Absicherung der entwickelten Lösungen stellt das Forschungsfeld eine umfangreiche Test- und Validierungsinfrastruktur bereit. Diese reicht von hochauflösender zerstörungsfreier Prüfung, etwa mittels Hochenergie-CT für große Bauteile, bis hin zu realitätsnahen Prüfständen für komplette Fahrzeuge. Ergänzt wird dies durch spezialisierte Verfahren wie Röntgendiagnostik bei Crashbelastungen sowie umfassende Prüf- und Bewertungsmethoden für neuartige Werkstoffe, einschließlich biobasierter und naturfaserverstärkter Materialien.
Neben diesen technologischen Kernkompetenzen steht das Fraunhofer-Forschungsfeld für Kreislaufwirtschaft und entwickelt Lösungen für das Recycling von Composites, die Wiederverwendung von Materialien sowie digitale Ansätze zur Optimierung von Recyclingprozessen.
Einen weiteren Schwerpunkt bildet der Leichtbau für batteriegetriebene Fahrzeuge. Hier werden funktionsintegrierte Strukturen, neue Batteriekonzepte und CO2-reduzierte Leichtbaulösungen entwickelt, die sowohl die Energieeffizienz als auch die Reichweite zukünftiger Mobilitätslösungen erhöhen. Das Fraunhofer IWU ist dabei federführend in der Erforschung von Metallschaum als innovative Lösung für leichte und robuste Batteriegehäuse mit optimiertem Thermomanagement.
Mit Carbon Lab Factory Lausitz errichtet das Fraunhofer IAP eine Pilotanlage zur Herstellung von Carbonfasern (© Fraunhofer IAP / Kristin Stein)
Perfekte Ergänzung: das Fraunhofer IAP
Jüngstes Mitglied im Forschungsfeld ist seit einem Jahr das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Das Fraunhofer IAP konzentriert seine Leichtbauaktivitäten insbesondere auf polymerbasierte Werkstoffe und Faserverbundtechnologien. Es entwickelt maßgeschneiderte Leichtbaulösungen von der Synthese spezieller Polymere über Halbfabrikate und Prototypen bis hin zu industrietauglichen Fertigungsprozessen für Hochleistungsbauteile. Auch die Nachhaltigkeit zirkulärer Werkstoffe, etwa durch die Entwicklung biobasierter Polymere und Carbonfasern sowie recyclinggerechter Verbundwerkstoffe, wird durch das Fraunhofer IAP vorangetrieben. Dabei adressiert das IAP gezielt End-of-Life-Szenarien und Strategien zur Wiederverwertung von Leichtbaustrukturen. Nicht zuletzt arbeitet das Institut an Leichtbaulösungen für Wasserstoffspeicher und hoch effiziente Rotorblätter für Kleinwindanlagen, bei denen Konstruktion, Aerodynamik und Fertigung gemeinsam optimiert werden.
- www.iwu.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Großformatiger 3D-Druck im vom BMWE geförderten Projekt 3D-FiberTrain: Druck der Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszugs (© Fraunhofer IWU)
