Die eigenen Fähigkeiten und Talente entdecken, sie entwickeln und einbringen – wer das kann, hat bessere Chancen in unserer immer komplexeren, von zunehmenden Herausforderungen geprägten Welt.

Auch in technischen Systemen gilt es, die Fähigkeiten der Einzelkomponenten und Werkstoffe zu erkennen und sie in bestmöglicher Weise für die gewünschte Aufgabe zu kombinieren.

Ziel ist es, technische Lösungen angesichts zunehmender Umwelt- und weiterer Randbedingungen effizient und effektiv und somit leicht, sicher, kostengünstig sowie umweltverträglich und ressourcenschonend zu gestalten.

Um dieses Ziel zu erreichen, bietet der Leichtbau verschiedene Strategien und Bauweisen, siehe z. B. Handbuch Leichtbau. Dabei müssen die Anforderungen und Funktionen eines Bauteils betrachtet und analysiert werden. Von den einzelnen Leichtbaustrategien und -bauweisen bieten besonders der Konzept- oder Systemleichtbau sowie die Integralbauweise vielversprechende Ansätze.

So umfasst der Konzeptleichtbau beispielsweise die Funktionsintegration, welche durch geschickte Kombination von Funktionen gezielt Synergien erzeugen kann, um die Effizienz und die Effektivität einer Struktur zu steigern.

Darüber hinaus bietet die Faserverbundbauweise weitere große Potenziale. Die Herstellung von Faserverbundstrukturen ist ein additiver Prozess, in dem Bauteile lagenweise, also Schicht für Schicht, entstehen. Dabei lassen sich in die einzelnen Lagen verschiedenste Funktionen integrieren. Somit bestehen viele Möglichkeiten für das Design im Konstruktions- und Auslegungsprozess.

Bei der Funktionsintegration in Faserverbundstrukturen gehen die einzelnen Materialien, Lagen und Komponenten mit ihren verschiedenen Wirkflächen ineinander über und lassen sich hinsichtlich Aufgaben und Funktionen nicht mehr klar voneinander trennen. So lässt sich für die jeweilige Anwendung eine Struktur erzeugen, die in ihrer Gesamtheit auf alle Anforderungen individuell zugeschnitten ist.

Funktionsintegration auf allen Ebenen

Die Funktionsintegration stellt eine Weiterentwicklung der Integralbauweise dar und lässt sich auf drei verschiedenen Ebenen betrachten. Die Material-, Laminat- und Strukturebene bilden zusammen das Produkt.

Auf der Materialebene kann Funktionsintegration beispielsweise eine Modifikation durch additive Zusätze wie (Nano-)Partikel oder eine Anpassung von Halbzeugen durch die Integration verschiedener Fasermaterialien bedeuten. Mit Leichtbaumaterialien und lastreduzierenden Additiven lassen sich Funktionen wie Gesamtgewicht und Impacteigenschaften einstellen.

Auf der Laminatebene beschreibt die Funktionsintegration das gezielte Kombinieren, Anpassen und Funktionalisieren der einzelnen Laminatlagen zu einer anwendungsgerechten Gesamtstruktur. Damit lassen sich Steifigkeits-, Festigkeits- und Korrosionseigenschaften aber auch thermale und elektrische Kennwerte optimieren. So sind beispielsweise Leiterbahnen und Heizelemente auf Laminatebene implementiert.

Auf der Strukturebene bedeutet Funktionsintegration das Einfügen von Zusatzelementen. Hierbei handelt es sich um Substrukturen wie Fluidleitungen oder -speicher, Heizelemente, Aktoren, Sensoren.

Um die Vorteile der Funktionsintegration auf Material-, Laminat- und Strukturebene maximal ausnutzen zu können, ist eine Konstruktionsmethode erforderlich, welche diese hybriden Strukturen angemessen berücksichtigt. Mit genauer Kenntnis der einzelnen Werkstoffe sowie ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen kann eine neue Konstruktionsmethode Strukturen an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Die einzelnen Ebenen können Funktionen und Aufgaben übernehmen, um die „Gesamtperformance“ der Struktur zu maximieren. Steht eine Datenbank mit Funktionen, Eigenschaften und Wechselwirkungen geeigneter Werkstoffe zur Verfügung, lassen sich damit Strukturen konstruieren, in denen alle Ebenen der Funktionsintegration gemeinsam mechanische, elektrische, thermische als auch ggf. fluidisch leitende Aufgaben übernehmen. Insgesamt lassen sich so der benötigte Bauraum, das Strukturgewicht und somit möglicherweise auch die Kosten verringern. Dies ist für Hersteller und Anwender nicht nur im Sinne der Wettbewerbsfähigkeit attraktiv, sondern trägt auch zur Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung bei.

Ein erster Ansatz, um das hier beschriebene Vorgehen umzusetzen, ist in dieser Dissertation beschrieben. Darin wird der Prozess mithilfe einer Graphen unterstützten Methode dargestellt und an zwei Fallbeispielen erfolgreich nachgewiesen.

Welche spannenden Bauteile mit einem solchen Vorgehen möglich sind, ist Gegenstand des Artikels Multitalente – Einsetzen & Entfalten / Funktionsintegration wird real – eine Übersicht.

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