Projekte und Transfers

Branchenübergreifende Innovation:

Ausgewählte Transfers von der Raumfahrt in den Automotive-Bereich


Wer heute in sein Kraftfahrzeug einsteigt und den Zündschlüssel herumdreht, weiß in der Regel nicht, dass die Weltraumtechnik bereits in umfangreichem Maße Einzug in die Automobiltechnik gehalten hat. Faserverstärkte Keramiken, ursprünglich für den Hitzeschutz von Raumgleitern und -kapseln entwickelt, werden von einigen Herstellern bereits für die Produktion von Bremsscheiben verwendet. Spezielle Verbundmaterialen der Raumfahrt finden sich in Fahrzeugkarosserien wieder und die Sicherheit im Rennsport wurde durch extrem steife und hochstabile Fahrerzellen, den sogenannten Monocoques, wesentlich erhöht. Diese Verbundmaterialen führen auch zur Gewichtsreduktion von Fahrzeugbauteilen was zu einer Kraftstoffersparnis führt.

 

Sensorsysteme aus der Raumfahrt erhöhen den Schutz von Fahrzeuginsassen und Fußgängern. Neben dem direkten Einsatz dieser Sensorsysteme am oder im Fahrzeug werden auch Raumfahrttechnologien zur Fahrzeug- und Komponentenentwicklung genutzt.

 

Aktive Dämpfungselemente, die ursprünglich zum Schutz von Nutzlasten auf Satelliten gegen die sehr starken Vibrationen während des Raketenstarts entwickelt wurden, reduzieren den Lärm von Abgasanlagen. Innovative Beschichtungen ermöglichen zudem die Herstellung von hochwertigen Abgaskatalysatoren.

 

Kfz-Subsysteme wie beispielsweise ABS, ESP, Brennstoffzellen, Airbag-Auslöser und Straffer von Sicherheitsgurten profitieren ebenfalls vom Know-how aus der Raumfahrt.

 

 

Hochleistungsbremsscheiben für Personenkraftwagen


(c) Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes GmbH
(c) Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes GmbH

Re-Entry-Fahrzeuge wie seinerzeit die Apollo-Kapseln und Space Shuttles müssen extreme Wiedereintrittstemperaturen von mehreren tausend Grad Celsius überstehen, die bei einer Rückkehr aus dem Weltraum von 25.000 Kilometern pro Stunde auftreten. Für das europäische wiederverwendbare Raumtransportsystem HERMES wurde eine spezielle, auf faserverstärkter Keramik (C / SiC) basierende Wärmeschutztechnologie, entwickelt. Keramische Materialien werden aufgrund einer hohen spezifischen Steifigkeit und der großen mechanischen Dimensionsstabilität (Restverformung) vermehrt in der Raumfahrtindustrie eingesetzt.


Außerdem zeigt diese Keramik eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein bemerkenswertes kryogenes Verhalten. C / SiC ist eine Verbundkeramik aus Siliziumcarbid (SiC), Silizium (Si) und Kohlenstoff (C). Ein international bekannter Hersteller von Bremsanlagen für Kraftfahrzeuge kaufte die Anlage zur Herstellung von Keramik-Kohlenstoff-Discs, Prozess-Hardware, Know-how und Unterstützung des Technologie-Gebers. Damit entwickelte er eine marktfähige Keramikbremsscheibe, die seit Jahren in Premiumfahrzeugen eingesetzt wird. Keramikbremsen sind verschleiß- und wartungsfrei, hitze- und rostbeständig. Darüber hinaus sind sie 60 Prozent leichter als Stahlscheiben und besitzen eine durchschnittliche Lebensdauer von 300.000 km.

 

 

Composites für Automobilanwendungen


(c) ACE Advanced Composite Engineering GmbH
(c) ACE Advanced Composite Engineering GmbH

Für die meisten Raumstrukturen wie Träger und Trägerbaugruppen für Satelliten oder Nutzlastverkleidungen für Raketen ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zu einem unverzichtbaren Material geworden. CFK-Verbundwerkstoffe haben ein geringeres spezifisches Gewicht und je nach Faserorientierung und Volumen eine extrem hohe Steifigkeit und Festigkeit, geringe thermische Ausdehnung und gute Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften werden insbesondere für Raumstrukturen und Weltraumanwendungen benötigt. Beispiele für solche Strukturen sind die Nutzlastverkleidungen SPELTRA und SYLDA der europäischen Trägerraketenfamilie Ariane oder Teile von Satelliten (z. B. SEVIRI, GO-MOS und CLUSTER).


Aufgrund der jahrelangen Kompetenz in diesem Bereich erfolgten seitens eines Automobilkonzernes Aufträge für die Entwicklung und Fertigung von Karosseriestrukturkomponenten aus kohlenstofffaserverstärkten Materialien. So konnte mit der CFK-Konstruktion ein neuartiges und herkömmlich nicht zu fertigendes Design einer Heckklappe realisiert und gleichzeitig das Gewicht um 30% reduziert werden. Anschließend erfolgte die Serienproduktion der Heckklappen und Interior-Bauteile für diverse Sportwagen des Automobilkonzerns und dessen Marken.

 

 

Strömungssimulation für die Null-Fehler-Produktion


(c) CFX Berlin Software GmbH
(c) CFX Berlin Software GmbH

Bei der Serienfertigung von Motor-Gummilagern im Spritzgießverfahren kam es bislang im sogenannten Kaltkanalverteiler zu Ungleichmäßigkeiten der Gummiverteilung und damit zu einer leichten Variation der Eigenschaften der Fertigprodukte. Dies hatte einen gewissen Ausschuss zur Folge. Zur Lösung des Problems wurde eine Software aus der Raumfahrt verwendet, die für die Simulation des Eintritts von Raumflugkörpern in die Atmosphäre sowie für die Hochdruck-Treibstoffpumpen des Space Shuttles entwickelt und eingesetzt wurde.

 

Diese Software ermöglicht die Simulation von Strömungen unterschiedlicher Fluide mit Wärmeübergängen für alle Geschwindigkeitsbereiche von der Schleichströmung bis zum hohen Überschall. Simulationen zeigten, dass die Ungleichmäßigkeit der Volumenströme im modellierten Verteilersystem auf die ungleiche Materialtemperatur in einzelnen Verteilerdüsen zurückzuführen war. Durch gezielte Korrekturen an den einzelnen Düsen konnte ein weitestgehend gleicher Durchsatz erreicht werden. Der anfängliche Ausschuss ließ sich dadurch auf nahezu Null reduzieren.

 

 


Sensorik zur Vermeidung von Rückenschmerzen in Fahrzeugsitzen


(c) friendly sensors AG
(c) friendly sensors AG

Nirgendwo wird die Wirbelsäule so wenig belastet wie in der Schwerelosigkeit. Dass trotzdem zwei Drittel aller Astronauten über Rückenprobleme klagen, war Ausgangspunkt der Entwicklung eines Haltungsmonitors, der mittels Ultraschalldistanzmessung die Körperhaltung und Bewegung der Wirbelsäule kontinuierlich erfasst. Das Anwendungsspektrum der genauen Analyse von Haltung und Bewegungen ist sehr vielfältig und reicht von Sport, Orthopädie und Physiotherapie bis zur ergonomischen Arbeitsplatz- und Sitzgestaltung. Dies machte das Messgerät auch für die Ingenieure im Forschungszentrum eines Automobilherstellers interessant, die es dort für biomechanische Untersuchungen einsetzen. Eine entsprechende Anwendungsmöglichkeit ist die vergleichende Betrachtung der Krümmung der Lendenwirbelsäule (Hohlrücken), die Auskunft über Bequemlichkeit oder Schmerzempfinden gibt. Dadurch werden die Forderungen von Medizinern erfüllt, dass Auto und Autositz sich dem Körper des Menschen anpassen müssen, damit es nicht zur erhöhten Belastung der Wirbelsäule und Haltemuskulatur und somit vermeidbaren Rückenschmerzen kommt.

 

 


Hauchdünner Foliensensor


(c) MIROW Systemtechnik GmbH
(c) MIROW Systemtechnik GmbH

Ursprünglich für die Analyse hochfrequenter Druckschwankungen in Grenzschichtströmungen an Wiedereintrittsflugkörpern entwickelt, weisen piezoelektrische Folien inzwischen ein breites industrielles Einsatzspektrum auf.

Piezoelektrische Folien aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) sind wenige Mikrometer dünne elektromechanische Wandler, die Verformungen durch Krafteinwirkung in elektrische Energie umwandeln. Darauf beruht ihre Nutzbarkeit als Sensor. Für Windkanalversuche sind sie ideal geeignet, weil sie dünner sind als ein menschliches Haar und dadurch nicht selbst für Turbulenzen am Messort sorgen und die Messergebnisse verfälschen.

 


Durch die Wandlung elektrischer in mechanische Energie sind sie auch als Aktuator verwendbar. Die Folien eignen sich besonders für Anwendungen im Bereich dynamischer Kraft-, Druck-, Schwingungs- und Körperschallschwankungsmessungen.

 

Aus dieser Technologie entstanden eine Reihe von Innovationsprojekten für den Einsatz der Piezofolien bei F&E-Vorhaben der industriellen Nehmer sowie für die Verwendung in neuartigen Produkten. Den räumlichen Randbedingungen und dem jeweiligen Lastzustand anpassbar, lassen sich wenige Quadratmillimeter große Dehnungssensoren herstellen. Diese können Dehnungen bei Frequenzen bis 300 kHz auf 0,0001 Promille genau auflösen und dennoch quasistatisch bis in den Bereich plastischer Verformungen messen. Aus diesem Grund werden die Folien in der Entwicklung von Fahrzeugen eingesetzt, wie z. B. bei Crash-Versuchen und als Sensorik zur Optimierung von Scheibenwischern. Auch erkennen sensible PVDF-Sensoren frühzeitig den Unfallverlauf und lösen im Innenraum der Situation entsprechend angepasste Schutzmaßnahmen durch Airbag und Gurtstraffer aus. Zudem ermöglichen die Piezofoliensensoren eine kontinuierliche Verfolgung der Federwege zur Realisierung einer schnellen, last- und fahrbahnabhängigen Regelung von KFZ-Federsystemen. Eine besondere Herausforderung besteht dabei in einer verschleiß- und störungsfreien Integration der Sensoren in die Luftfeder.

 

 

Vernickelung von Extruder-Mundstücken für eine saubere Umwelt


(c) Porzellanfabrik Frauenthal Insulators GmbH
(c) Porzellanfabrik Frauenthal Insulators GmbH

Die Entwicklung raumfahrttauglicher Wiedereintrittskörper erfordert umfangreiche aerodynamischen Untersuchungen. Solche wurden an einem Modell der X-38 in einem Überschallwindkanal durchgeführt. Die X-38 war ein Demonstrator für ein Rettungsvehikel CRV (Crew Rescue Vehicle), mit dem im Notfall eine schnelle Evakuierung der Besatzung der Internationalen Raumstation ISS durchführbar sein sollte. Bei der Simulation dieser Rückkehrphasen im Windkanal prallten auf ein derartiges Modell kleine Partikel mit einer hohen kinetischen Energie. Um die Modelloberfläche hiervor zu schützen, wurde sie mit einer 30 µm dicken Schicht chemisch vernickelt.


Dabei bietet das Beschichtungsverfahren zusätzlich eine konturengetreue Abbildung der Oberfläche. Auch konnte die Forderung nach einem guten Verschleißschutz, hoher Härte sowie einer hohen Gleitfähigkeit mit diesem Vernickelungsverfahren bestens erfüllt werden.

Ein Hersteller von Abgaskatalysatoren zur Stickoxidreduktion für Anwendungen in Dieselmotoren adaptierte dieses spezielle Beschichtungsverfahren, um Katalysatorträger aus Wabenkeramik für SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction) optimal und in höchster Qualität zu produzieren. Die Herstellung dieser Katalysatorträger erfolgt durch einen Extrusionsprozess, bei dem die zu verarbeitende keramische Masse zu einem Mundstück gefördert und dort zu den gewünschten Geometrien geformt wird. Dieses Extrudermundstück wird aus Stahl hergestellt und weist 8.000 Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,3 mm auf. Da das Mundstück durch die Extrusion der keramischen Masse stark beansprucht wird, muss dieses vernickelt werden. Hierbei kam das neuartige Vernicklungsverfahren zum Einsatz, denn genau dieser Beschichtungsprozess verlangt höchste Anforderung hinsichtlich Abscheidung in den Bohrlöchern, Kantenhaftfestigkeit und Garantie der Schichtstärke.

 

 

Lärm + Lärm = leise

Aktive Geräuschkontrolle für Autoabgasanlagen


(c) ESA – European Space Agency
(c) ESA – European Space Agency

Ein Problem von Abgasanlagen ist nicht nur die Abgasbelastung, sondern vielmehr der von ihnen erzeugte Geräuschpegel. Zu ihrer Bekämpfung müssen die Automobilhersteller enorme Anstrengungen in die Forschung stecken, denn jedes Fahrzeugmodell, jeder Motor und jede Fahrsituation stellen individuell hohe Anforderungen.

Satelliten sind während des Transports in den Weltraum unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. In der Startphase werden die extrem starken Vibrationen der Raketentriebwerke über die Raketenstruktur auf die Satelliten übertragen und können insbesondere bei Resonanz gefährlich werden. Außerdem entwickelt sich in dieser Phase ein extremer Schalldruck (140 dB und mehr) mit Auswirkungen auf die Struktur. In einer späteren Phase bauen sich mit zunehmender Geschwindigkeit aerodynamische Lasten auf, die sich beim Übergang vom Unterschallfeld in den Überschallbereich in eine Schockwelle verwandeln.


Zusätzlich erhält die Struktur des Satelliten eine temporäre impulsive Wirkung, die aus dem Ausbrennen und Sprengen von Raketenstufen und der Zündaktivität der nächsten Raketenstufen resultiert. Zur Dämpfung derartiger Schwingungen wurde ein aktives System entwickelt. Interferenzschwingungen könnten adaptiv kompensiert werden und die Steuerung ist in Echtzeit realisierbar.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen dem Raumfahrtunternehmen und einem Weltmarktführer von Abgasanlagen wurde eine aktive Geräuschkontrolle (ANC - Active Noise Control) für Autoabgassysteme entwickelt. Mit Hilfe des ANC-Systems ist es möglich, den Geräuschpegel gegenüber herkömmlichen Abgassystemen nochmals um bis zu 15 dB zu reduzieren. Außerdem kann das Volumen des erforderlichen Hauptschalldämpfers auf ein Drittel der ursprünglichen Abmessungen reduziert werden. Der ANC passt sich automatisch an unterschiedliche Betriebsbedingungen an. Es braucht nur eine kurze Entwicklungszeit und wenig Anpassungsaufwand, um verschiedene Fahrzeuge mit maßgeschneiderter Geräuschreduzierung und einem modellspezifischen Sounddesign auszustatten - nur die Steuerung wird angepasst. Insgesamt spart der ANC somit Zeit und Geld, reduziert Gewicht und Bauraum und ist umweltfreundlich.

 

 

Überwachung von Fahrzeugstrukturen


(c) AICON 3D Systems GmbH
(c) AICON 3D Systems GmbH

Experimente unter Schwerelosigkeit, die ohne verfälschende oder störende Einflüsse der Erdschwerkraft ablaufen, eröffnen völlig neue Möglichkeiten, physikalische Vorgänge und Phänomene zu untersuchen und zu verstehen. Dazu gehört auch die Erforschung der dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Um die Prozesse in Strömungen nicht anderweitig durch mechanische Abtastung zu beeinflussen, wurde nach geeigneten, nicht-invasiven optischen Messverfahren gesucht, was zur Entwicklung photogrammetrischer Methoden für die dreidimensionale Vermessung von hochdynamischen Strömungsvorgängen führte.

 


Teil der Entwicklungsarbeiten war ein Kamerakopf, der mit hochauflösenden CCD-Videokameras bestückt wurde. Damit ließ sich auch unter erschwerten Bedingungen eine Beobachtung der Flüssigkeitsströmungen erreichen.

 

Auf Grund eines Bedarfs aus der Automobilbranche nach einem innovativen System zur Überwachung von Fahrzeugstrukturen wurde auf Basis dieser Kamera-Technologie ein neuartiges 3D-Messystem für die Anwendung in der Automobilbranche entwickelt. Die nahezu unbegrenzte mobile Anwendung der Technologie, ergänzt durch eine aktive Sonde, ermöglicht eine schnelle Überprüfung vor Ort. Das Bauteil muss nicht mehr zu einem Messgerät transportiert werden, um auf Basis der Messergebnisse direkt vor Ort eine Entscheidung treffen zu können. Das System ermöglicht eine mobile Anwendung. Da es tragbar ist, kann eine Sonde in mehreren verschiedenen Messräumen betrieben werden. Die Genauigkeit des Messsystems ist unabhängig von der Objektgröße. Das Kamerasystem. Das Kamerasystem kann die komplette Messung eines Fahrzeugs mit nur einer Ausrichtung auf das Fahrzeugkoordinatensystem durchführen. Dadurch wird eine homogene Genauigkeit von 0,1 mm + 0,1 mm / m für das gesamte Fahrzeugvolumen erreicht. Die Messung von 180 Punkten dauert dabei weniger als zwei Stunden. Dies ist eine enorme Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Systemen.

 

 

Airbagsensoren aus der Weltraumtechnik


(c) Kinotex Sensors GmbH
(c) Kinotex Sensors GmbH

Der Roboterarm der Internationalen Raumstation ISS dient zum Manövrieren großer Bauteile und Module. Es wird von der Station aus ferngesteuert. Um zu verhindern, dass er versehentlich in die Außenhülle der Station einschlägt, wurden taktile Sensoren entwickelt. Diese messen vergleichbar wie die menschliche Haut einen (fiktiven) Druck/Wiederstand und steuern damit die weitere Bewegung. Die hierzu entwickelte Sensortechnologie funktioniert mittels eines Sensors, der eine Änderung der Lichtintensität in und um einen beleuchteten Integrationshohlraum erkennt.


Eine Deformation des Integrationshohlraums durch einen äußeren Einfluss induziert eine Änderung der Intensität der Belichtungsenergie. Zu den Hauptvorteilen des Sensors gehören Einfachheit, Robustheit und die Fähigkeit, kostengünstig in großen Arrays mit schneller Ansprechgeschwindigkeit hergestellt zu werden. Flächen-Arrays können die Kontaktposition mit Millimeter-Genauigkeit auflösen und mehrere Kontakte gleichzeitig auflösen.

 

Die Überlegenheit dieser Weltraumsensortechnologie wird von einer Reihe von Top-Automobilherstellern geschätzt. Das System findet bereits Einsatz in fortschrittlichen Passagiersicherheitsmaßnahmen wie z. B. Insassenerkennung für Airbagmechanismen und Crashsensorik für die Sicherheit von Fußgängern. Aber auch im Bereich der Fahrzeugproduktion finden Untersuchungen statt, den Sensor als Safety-Skin für Roboter zu entwickeln, so dass Menschen und Roboter gefahrlos zusammenarbeiten können.