Profilbereich „Nachhaltige Werkstoffe, Prozesse und Produkte"
Klimaschutz und Ressourcenschonung sind zentrale Aufgaben unserer Gesellschaft. Die Natur- und Ingenieurwissenschaften können ihren Beitrag dazu leisten, indem sie an Lösungen für neue Materialien (Metalle, Polymere und die kombinierten Hybride), an materialspezifischen Konstruktions-, Füge- und Fertigungsverfahren, spezifischen Produktions- und Simulationsprozessen oder im Bereich nachhaltiger Energieversorgung arbeiten.
Um diese enorme Forschungsbreite abzudecken, bündelt die Universität Paderborn mit dem Profilbereich "Nachhaltige Werkstoffe, Prozesse und Produkte" interdisziplinäre Forschung aus dem Maschinenbau, Chemie, Physik und der Elektrotechnik.
„Wir brauchen dringend bessere Ideen als das bisherige lineare Wirtschaften, bei dem Energieträger und sonstige Ressourcen irgendwo ausgegraben werden, um sie nach der Nutzungsphase zu verbrennen oder zu deponieren.”
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Anwendungsorientierte- und Grundlagenforschung vereint
Anwendungsorientierte Forschung wird in bewährten Partnerschaften aus Wissenschaft und Industrie vorangetrieben und ergänzt exzellente Grundlagenforschung, die beispielsweise auf dem Gebiet der Methoden- oder Materialentwicklung durchgeführt wird. Dabei wird auch in langfristig angelegten Projekten im überregionalen und internationalem Verbund geforscht.
Die Forschenden nutzen dabei in Paderborn die moderne Infrastruktur des ILH und DMRC - Academic und sind in ein umfangreiches Forschungsnetzwerk eingebunden.
Interdisziplinäre Forschungseinrichtungen
Ziel des ILH ist es, Leichtbau ganzheitlich zu betrachten und Fragen zum gesamten Lebenszyklus eines Bauteils zu erfassen. Hervorragende Expertisen der additiven Fertigung als besonderes Fertigungsverfahren mit hohem Leichtbaupotential werden am DMRC - Academic (Direct Manufacturing Research Center (DMRC) - Academic) gebündelt. Am Kompetenzzentrum für Nachhaltige Energietechnik (KET) werden Ansätze und Methoden entwickelt, welche eine nachhaltige Energieversorgung der Sektoren Strom, Wärme, Industrie und Verkehr zum Ziel haben.
Das ILH ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Universität Paderborn. Hier werden gezielt die Expertisen von elf Gruppen aus den Fachdisziplinen Maschinenbau, Chemie und Physik gebündelt, um neue Hybridsysteme aus verschiedenartigen Materialien zu entwickeln und erforschen. Durch anwendungsorientierte Forschung entstehen innovative Leichtbaukonzepte. Prototypen und Demonstratoren werden zusammen mit Industrie entwickelt und sichern die Realisierbarkeit ab. Die Grundlagenforschung beschäftigt sich mit der skalenübergreifenden Entwicklung von Methoden und Materialien.
In hybriden Multimatrialsystemen werden leistungsfähige Materialien wie z. B. ultrahochfeste Stähle mit Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden (CFK) intelligent kombiniert. Voraussetzung für die Entwicklung derartiger Werkstoffverbindungen ist die Analyse von Materialeigenschaften und -Grenzflächen sowie die Betrachtung der Fertigungsprozesse mit neuen Materialstrukturen. Dafür steht im ILH ein breit aufgestelltes Team von Forscher*innen und eine moderne Infrastruktur bereit.
Mehr Informationen finden Sie auf der Website des Instituts.
Das Direct Manufacturing Research Center (DMRC) - Academic, ein an der Universität Paderborn angesiedeltes Transferinstitut, forscht daran, die additive Prozesskette als robustes industrielles Produktionsverfahren zu etablieren. Hier arbeiten technologieführende Industrieunternehmen Hand in Hand mit Forschern der Universität an der Industrialisierung der additiven Fertigung. Die gesamte additive Wertschöpfungskette von der Rohstoffgewinnung über die Fertigung bis zur Anwendung wird sowohl von großen als auch von kleinen und mittelständischen Unternehmen abgedeckt. Die Struktur des DMRC ist sehr flexibel und interdisziplinär; je nach den aktuellen Forschungsthemen kann die Konstellation der am DMRC beteiligten Lehrstühle verändert werden.
Derzeit arbeiten im DMRC 11 verschiedene Lehrstühle und eine große Anzahl von wissenschaftlichen Mitarbeitern zusammen.
Je nach Fragestellung und Zeithorizont finanzieren die Industriepartner des DMRC oder öffentliche Förderorganisationen Forschungsprojekte, die dann an der Universität Paderborn durchgeführt werden. Die im DMRC-Konsortium gemeinsam finanzierten Projekte werden dabei von den Industriepartnern gesteuert und kontrolliert. So können alle Partner den größtmöglichen Nutzen im Hinblick auf die Industrialisierung der DMRC-Forschungsergebnisse erzielen.
Mehr Informationen finden Sie auf den Seiten des Instituts:
Direct Manufacturing Research Center (DMRC) – Academic | Universität Paderborn
Das Kompetenzzentrum für Nachhaltige Energietechnik (KET) wurde im Januar 2012 als eine Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung der Universität Paderborn gegründet. Die Aufgaben des KET sind Forschung, Lehre und Technologietransfer auf dem Gebiet der umweltfreundlichen und innovativen Energieerzeugung, Wandlung und Nutzung.
Die Ausrichtung und Kompetenzen der im KET kooperierenden fünf Fachgebiete und Lehrstühle der Elektrotechnik und des Maschinenbaus ermöglichen die interdisziplinäre Entwicklung fachübergreifender Lösungen energietechnischer Herausforderungen aus einer Hand.
Als Schnittstelle zwischen Industrie und universitären Forschungseinrichtungen richtet sich das KET an institutionelle und industrielle Anwender und bietet umfassende Kooperationsmöglichkeiten durch Beratung, Entwicklung, Simulation und Umsetzung im Bereich moderner Energietechnik.
Auf der Grundlage des Wissens und der Erfahrung der am KET beteiligten Partner stehen aktuelle Erkenntnisse aus dem Bereich innovativer Energietechnik zur Verfügung.
Mehr Informationen finden Sie auf der Website des Instituts.
Ausgewählte Projekte im Profilbereich
Die additive Fertigung (AM) hat das wirtschaftliche Potenzial, herkömmliche Fertigungsverfahren zu ergänzen, insbesondere bei der Herstellung komplexer Multimaterial-Bauteile. Um die Vorteile optimierter Leichtbaustrukturen voll ausschöpfen zu können, müssen in der Regel mehrere Werkstoffe mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verwendet werden. Dennoch sind Multimaterialkombinationen aus konventionellen Verfahren aufgrund von Eigenspannungen, Rissen oder thermischen Ausdehnungsraten der verschiedenen Materialien nicht auf AM übertragbar. Außerdem sind geometrische Form- und Lagetoleranzen sowie Recyclingstrategien für Pulverabfälle, nachbearbeitete Abfälle und das Bauteil selbst noch nicht definiert. Basierend auf den 3D-Druckverfahren PBF-LB und DED zielt das Projekt „MADE-3D“ (Multi-Material Design using 3D Printing) auf die gleichzeitige Entwicklung verarbeitungsfähiger, multimaterialoptimierter Legierungen, die Entwicklung von Designkonzepten für Multimaterialstrukturen mit spezifischen Simulationen für Lastfälle und Topologieoptimierungen, sowie eine umfassende Prozessanpassung. Die Legierungs- und Prozessentwicklung wird durch fortschrittliche integrierte rechnergestützte Materialentwicklungsansätze unterstützt, die Thermodynamik-, Mikrostruktur- und Prozesssimulationen durch maschinelles/aktives Lernen kombinieren, was zu kürzeren Materialentwicklungszyklen führt. Bei Massen- und Pulverwerkstoffen wird das Recycling von Multimaterialkomponenten durch innovative Konzepte die Nachhaltigkeit der additiven Multimaterialfertigung fördern. Diese Anpassung wird zu einer erhöhten Prozesssicherheit und -geschwindigkeit führen und die Verbreitung der Multimaterial-Fertigung in der gesamten Industrie ermöglichen. Das Projekt wird für die nächsten dreieinhalb Jahre mit rund 6,7 Millionen Euro im „Horizon Europe 2022“-Programm der Europäischen Union gefördert. Das Konsortium, bestehend aus Forschungseinrichtungen, Marktführern der additiven Fertigung, Luft-/ Raumfahrt, Automobiltechnik und Start-ups, bringt ein breites Spektrum internationaler Expertise mit: Projektpartner sind neben der Leitung der Universität Paderborn: SLM Solutions; das Fraunhofer Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV (alle drei aus Deutschland); die Universität der Ägäis (Griechenland); f3nice (Italien); Exponential Technologies (Lettland); QuesTek Europe (Schweden); AVL List (Österreich); Skyrora (Großbritannien); Safran Additive Manufacturing Campus; Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA (beide aus Frankreich); Amires(Tschechien) und das Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEM (Schweiz).
Im Projekt „Climate neutral Business in Ostwestfalen-Lippe (Climate bOWL)“ arbeiten Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn, vertreten durch den Software Innovation Campus Paderborn und das Fachgebiet Leichtbau im Automobil, mit der Universität Bielefeld und den Praxispartnern Miele, GEA, Phoenix Contact sowie NTT Data interdisziplinär zusammen, um Unternehmen bei der Erreichung von Klimaschutzzielen zu unterstützen. Auf dem Weg zur Klimaneutralität bedarf es einer ganzheitlichen Herangehensweise, die ressourceneffizient die Aggregation und Bewertung von Treibhausgasemissionen (THGE) sowie die Identifizierung und Priorisierung von THGE-Reduktionsmaßnahmen ermöglicht. Dieser Herausforderung nimmt sich das Projekt Climate bOWL mit der Entwicklung eines digitalen Assistenzsystems an, welches Unternehmen bei der standardisierten und automatisierten Datenerhebung sowie bei der Identifizierung von Effizienzpotentialen unterstützt. Das Projekt wird im Rahmen des Spitzenclusters „it’s OWL“ seit April 2022 mit 1,86 Millionen Euro vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert, das Gesamtvolumen des Projektes beträgt 3,16 Millionen Euro.
Projektkoordination: Dr.-Ing. Florian Schlosser | Software Innovation Campus Paderborn | FG Energiesystemtechnik
