Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU koordiniert seit 2025 das Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau – eine Plattform, in der 16 Institute ihre Kompetenzen im Systemleichtbau über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg zusammenführen. Der Ansatz des Systemleichtbaus – die ganzheitliche Optimierung von Materialien, Konstruktion und Produktionsprozessen – bildet dabei das verbindende Prinzip: Gewicht soll reduziert, Ressourcen sollen geschont und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Bauteilen etwa im Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau gesteigert werden.
Das erklärte Ziel des Verbundes ist es, Unternehmen integrierte Forschungs- und Entwicklungsleistungen aus einer Hand anzubieten und Innovationen effizient in industrielle Anwendungen zu überführen. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP ist seit einem Jahr das jüngste Mitglied und trägt mit Expertise zu polymerbasierten Werkstoffen, biobasierten Carbonfasern und Leichtbaulösungen für Wasserstoffspeicher bei.
Werkzeugfreie Fertigung thermoplastischer Faserverbundbauteile für den Schienenfahrzeugbau
Das Projekt 3D-FiberTrain veranschaulicht, welche Möglichkeiten der Systemleichtbau in der industriellen Praxis eröffnet. Die Fraunhofer-Institute IWU und IMWS haben gemeinsam mit Industriepartnern ein Verfahren entwickelt, das großformatigen 3D-Druck mit dem 3D-Tapelegeverfahren kombiniert, um komplexe und hochbelastbare thermoplastische Faserverbundbauteile für Schienenfahrzeuge herzustellen, ohne den Einsatz von Formwerkzeugen.
Innerhalb von drei Jahren realisierte das Konsortium zwei großformatige Demonstratoren: eine Frontschürze und eine Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszuges. Als Werkstoff wurde glasfaserverstärktes Polycarbonat eingesetzt, das gezielt so ausgewählt und modifiziert wurde, dass es die hohen Brandschutzanforderungen für Schienenfahrzeuge erfüllt. Der integrierte Flammschutz stellt besondere Herausforderungen an die Verarbeitbarkeit im 3D-Druck; die Forschenden begegneten diesen mit vorangestellten Prozesssimulationen, die etwa thermisch bedingten Bauteilverzug oder Delaminationen vorhersagen können und so kostspielige Fehldrucke vermeiden. Spezielle Strukturoptimierungsmethoden ermöglichten es darüber hinaus, die Anzahl der aufgebrachten Verstärkungstapes auf das mechanisch notwendige Minimum zu reduzieren, ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens neben dem Wegfall von Formwerkzeugen. Der Verzicht auf diese Werkzeuge, der hohe Automatisierungsgrad sowie der Einsatz wiederverwendbarer Thermoplast-basierter Ausgangsmaterialien senken sowohl die Herstellkosten als auch den CO2-Fußabdruck, was besonders für kleine und mittlere Stückzahlen relevant ist.
In weiterführenden Arbeiten soll die direkte Verarbeitung von Rezyklat im großformatigen 3D-Druck untersucht werden, um die Kreislaufführung thermoplastischer Schienenfahrzeugkomponenten voranzutreiben.
Systemleichtbau für Elektromobilität, Kreislaufwirtschaft und Oberflächentechnologie
Neben der Faserverbundfertigung deckt das Forschungsfeld Leichtbau ein breites Spektrum weiterer Technologiefelder ab. Für batteriegetriebene Fahrzeuge werden funktionsintegrierte Strukturen, neue Batteriekonzepte sowie CO2-reduzierte Leichtbaulösungen entwickelt, die Energieeffizienz und Reichweite erhöhen sollen. Das Fraunhofer IWU forscht dabei an Metallschaum als Lösung für Batteriegehäuse, die geringe Masse mit Robustheit und einem optimierten Thermomanagement verbinden.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Kreislaufwirtschaft: Das Forschungsfeld entwickelt Lösungen für das Recycling von Composites, die Wiederverwendung von Materialien sowie digitale Ansätze zur Optimierung von Recyclingprozessen. Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV betreibt dafür unter anderem einen Pyrolyseofen zur Untersuchung der Separation von Fasern und Matrix. Das Fraunhofer IAP treibt parallel dazu die Entwicklung biobasierter Polymere und recyclinggerechter Verbundwerkstoffe voran und adressiert gezielt End-of-Life-Szenarien für Leichtbaustrukturen. Im Rahmen der Carbon Lab Factory Lausitz errichtet das Fraunhofer IAP am Standort Guben eine Pilotanlage zur Herstellung nachhaltiger und kostengünstiger Carbonfasern.
Verbindungs- und Oberflächentechnologien ergänzen das Portfolio: Klebtechnik, Laserbearbeitung und funktionale Oberflächenveredelung etwa für optische Funktionen sowie antihaft- und antibakterielle Eigenschaften ermöglichen multifunktionale und langlebige Produkte. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST stellt hierfür Anlagen bereit, auf denen auch Dünnschichtsensorik aufgebracht werden kann.
Validierungsinfrastruktur und neue Werkstoffe sichern die Anwendungsreife
Zur Absicherung der entwickelten Lösungen verfügt das Forschungsfeld Leichtbau über eine umfangreiche Test- und Validierungsinfrastruktur. Diese reicht von hochauflösender zerstörungsfreier Prüfung mittels Hochenergie-CT für große Bauteile bis zu realitätsnahen Prüfständen für komplette Fahrzeuge. Spezialisierte Verfahren wie Röntgendiagnostik bei Crashbelastungen ergänzen die Testmöglichkeiten.
Parallel dazu arbeitet das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM an der Bearbeitung großvolumiger Bauteile: Eine neu entwickelte flexible Fräskinematik auf einer Linearachse ermöglicht die Bearbeitung eines CFK-Flugzeugseitenleitwerks im Maßstab 1:1 mit hoher Präzision. Für neuartige Werkstoffe, darunter biobasierte und naturfaserverstärkte Materialien, stehen umfassende Prüf- und Bewertungsmethoden bereit. Das Fraunhofer IAP entwickelt darüber hinaus Leichtbaulösungen für Wasserstoffspeicher sowie Rotorblätter für Kleinwindanlagen, bei denen Konstruktion, Aerodynamik und Fertigung gemeinsam optimiert werden.
Dem Forschungsfeld Leichtbau gehören insgesamt 16 Fraunhofer-Institute an: das Ernst-Mach-Institut EMI, das Institut für Chemische Technologie ICT, das Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, das Institut für Integrierte Schaltungen IIS, das Institut für Lasertechnik ILT, das Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Institut für Produktionstechnologie IPT, das Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, das Institut für Windenergiesysteme IWES, das Institut für Werkstoffmechanik IWM, das Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, das Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, das Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das Institut für Holzforschung WKI sowie das Institut für Angewandte Polymerforschung IAP.
