Autor: Dr. Carsten Schmidt

Mit dem Förderbescheid der NBank – Investitions- und Förderbank Niedersachsen – erhält das Forschungskooperation HPCFK eine Förderung im Rahmen des EFRE-STEP-Programms. Im Projekt RE:LIGHT erweitern das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) gemeinsam mit dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) sowie dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) ihre gemeinsame Forschungsinfrastruktur am Standort CFK NORD in Stade.

Ziel des Vorhabens ist es, die Forschung an nachhaltigen und kreislauffähigen Leichtbaustrukturen für den Flugzeugbau auszubauen. Hierfür entstehen neue Forschungs- und Demonstrationsmöglichkeiten entlang der gesamten Prozesskette – von der Materialentwicklung über die Fertigung und Strukturprüfung bis hin zu Reparatur, Demontage und Recycling.

Kreislauffähige Leichtbauwerkstoffe und ressourceneffiziente Fertigung

Ein Schwerpunkt der neuen Forschungsinfrastruktur liegt auf der Entwicklung und Untersuchung ressourceneffizienter Prozessketten für thermoplastische Hochleistungs-Faserverbundstrukturen. Durch die Erweiterung der bestehenden Infrastruktur können künftig Werkstoffe, Fertigungsverfahren und Strukturkonzepte über ihren gesamten Lebenszyklus – von der Herstellung über die Nutzung bis hin zu Reparatur, Demontage und Recycling – umfassend erforscht und bewertet werden.

Das IFW erweitert hierfür seine Infrastruktur um moderne laserbasierte Fertigungs-, Füge- und Trenntechnologien sowie flexible Fertigungssysteme. Dadurch können zukünftig neue Prozessketten für kreislauffähige Leichtbaustrukturen entwickelt und unter industrienahen Bedingungen untersucht werden. Das PuK schafft mit neuen Anlagen zur Werkstoffentwicklung und -charakterisierung die Voraussetzungen, um innovative thermoplastische Hochleistungswerkstoffe und Hybridmaterialien hinsichtlich ihrer Kreislauffähigkeit und ihres Einsatzpotenzials zu erforschen. Das IFL erweitert seine experimentellen und numerischen Forschungsmöglichkeiten zur strukturellen Bewertung dieser Werkstoffe und untersucht damit deren mechanisches Verhalten und Eignung für zukünftige Leichtbaustrukturen.

Robotik und digitale Technologien für die Produktion von morgen

Ein zweiter Schwerpunkt der Forschungsinfrastruktur schafft die Voraussetzungen, den Einsatz kognitiver und humanoider Robotersysteme in zukünftigen Fertigungs- und Recyclingprozessen wissenschaftlich zu untersuchen. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie intelligente Assistenzsysteme Menschen bei variantenreichen und komplexen Produktionsaufgaben unterstützen und sich flexibel in bestehende Fertigungsumgebungen integrieren lassen.

Am IFW entstehen hierfür eine neue Forschungsumgebung für die Mensch-Roboter-Kollaboration mit flexiblen Robotersystemen. Damit soll untersucht werden, wie kognitive und humanoide Robotersysteme insbesondere bei hoher Variantenvielfalt und geringer Standardisierung eingesetzt werden können. Untersucht werden unter anderem Anwendungen in der Demontage, beim Umgang mit Rezyklaten sowie bei der Verarbeitung und Inspektion komplexer Bauteile. Robotische Assistenz wird dabei als gezielte Erweiterung menschlicher Handlungsspielräume verstanden und soll sich flexibel in bestehende Fertigungsumgebungen integrieren lassen.

Gemeinsame Weiterentwicklung des Forschungsstandorts Stade

RE:LIGHT ist Teil der gemeinsamen Entwicklungsstrategie des Forschungsstandorts CFK NORD in Stade. Gemeinsam mit den Forschungsaktivitäten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des Fraunhofer IFAM entstehen dort komplementäre Forschungsplattformen für nachhaltige und adaptive Leichtbautechnologien.

Das HPCFK verbindet langfristige wissenschaftliche Fragestellungen mit den Anforderungen der industriellen Praxis und schafft damit die Grundlage für zukünftige Technologien. DLR und Fraunhofer IFAM ergänzen diese Kompetenzen durch ihre anwendungs- und transferorientierte Forschung sowie ihre Expertise bei der Skalierung und industriellen Validierung neuer Technologien.

Mit der erweiterten Forschungsinfrastruktur stärkt RE:LIGHT die Voraussetzungen für zukünftige Forschungs- und Entwicklungsprojekte und schafft neue Möglichkeiten, innovative Werkstoffe, Fertigungsverfahren und Produktionskonzepte unter industrienahen Bedingungen zu entwickeln und zu validieren. Damit leistet das Vorhaben einen Beitrag zur Entwicklung ressourceneffizienter und digitaler Schlüsseltechnologien für den Flugzeugleichtbau und stärkt zugleich den Forschungs- und Innovationsstandort Stade.

Das Projekt RE:LIGHT wird durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur und die NBank gefördert. Die Förderung erfolgt mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) im Rahmen der Plattform Strategische Technologien für Europa (STEP).

Heute hat Jan-Lukas Stüven seine Promotionsprüfung erfolgreich abgeschlossen – herzlichen Glückwunsch zu diesem großartigen wissenschaftlichen Meilenstein!

Seine Dissertation trägt den Titel:
„Multi-Scale Modelling of Process-Induced Residual Stresses and the Corresponding Damage in Fibre-Reinforced Semi-Crystalline Thermoplastics“

In seiner Arbeit widmete sich Jan-Lukas der Frage, wie prozessinduzierte Eigenspannungen in faserverstärkten, teilkristallinen Thermoplasten entstehen und welchen Einfluss sie auf das mechanische Verhalten und die Schädigungsmechanismen der Werkstoffe haben. Diese Spannungen resultieren insbesondere aus dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten von Faser und Matrix sowie aus kristallisationsbedingter Schwindung während des Herstellprozesses.

Zur Vorhersage dieser Effekte entwickelte und implementierte Jan-Lukas ein neuartiges multiskaliges Modellierungskonzept, das aus mehreren miteinander gekoppelten Finite-Elemente-Modellen besteht. Dieses Framework wurde exemplarisch auf thermoplastische Laminate aus niedrigschmelzendem PPAEK (LMPAEK) angewendet, die mittels Heißpressverfahren konsolidiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass bei rein linear-elastischer Materialannahme teils sehr hohe Eigenspannungen auftreten, die lokal sogar die Matrixfestigkeit überschreiten können. Damit unterstreicht seine Arbeit eindrucksvoll die Notwendigkeit, spannungsrelaxierende Mechanismen wie viskoelastisches Materialverhalten in der Modellierung zu berücksichtigen, um realitätsnahe Aussagen über Bauteilverhalten und Schädigung zu ermöglichen.

Mit seiner Dissertation leistet Jan-Lukas einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis prozessbedingter Eigenspannungen und zur modellbasierten Auslegung von thermoplastischen Faserverbundstrukturen.

Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des Projekts FASTHER “Numerische und experimentelle Untersuchung der Betriebsfestigkeit von geschweißten thermoplastischen FKV-Strukturen unter Berücksichtigung von Eigenspannungen” (DFG).

Wir gratulieren Jan-Lukas ganz herzlich zu diesem Erfolg!

Wir gratulieren Maximilian Kaczemirzk zur erfolgreichen Promotion. In seiner Dissertation mit dem Titel „Einfluss der additiven Fertigungscharakteristik bei der laserbasierten in-situ Faserablage von kohlenstofffaserverstärktem PAEK“ forschte Herr Kaczemirzk an dem Einfluss der additiven Fertigung auf die mikroskopische Konsolidierungsqualität sowie die makroskopischen Eigenschaften der hergestellten Laminate und leitete daraus Strategien zur Optimierung der Prozessplanung der automatisierten in-situ-Faserablage ab.

Die zunehmende Bedeutung der Dekarbonisierung in der Luftfahrt erfordert nicht nur leichtere Bauteile zur Reduzierung von Treibstoffverbrauch und CO₂-Emissionen, sondern auch effiziente Fertigungsverfahren, die den Energieaufwand in der Produktion minimieren. Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich Herr Kaczemirzk in seiner Dissertation mit der automatisierten laserbasierten in-situ Faserablage von kohlenstofffaserverstärkten Hochleistungsthermoplasten am Beispiel von PAEK.

Ziel seiner Arbeit war es, den Einfluss der additiven Fertigungscharakteristik auf die Qualität und Eigenschaften der Laminate systematisch zu analysieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die mikroskopische Konsolidierungsqualität sowie die makroskopischen Eigenschaften des Laminats maßgeblich durch den schichtweisen Aufbau, die Laminatstärke und geometrische Gestaltabweichungen beeinflusst werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelte Herr Kaczemirzk Strategien zur Prozessplanung, mit denen sich die Effektivität und Effizienz der automatisierten in-situ Faserablage steigern und die Grundlage für eine industrielle Anwendung ohne energieintensive Autoklavprozesse schaffen lässt. Die Arbeiten erfolgten im Rahmen der Projekte JoinTHIS – “Produktion in situ konsolidierter TP-CFK-Strukturen” (EFRE) und InSite – In-Situ Erfassung von wirkzonennahen Temperaturverläufen für das laserbasierte Automated Fiber Placement (DFG).

Wir gratulieren herzlich zu diesem Erfolg!

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderte Forschungsprojekt „Towpregrod” nähert sich seinem erfolgreichen Abschluss. Nach dem Produktionsstart mit der Pilotanlage wurde nun eine zweite Anlage ähnlicher Bauform am Fertigungsstandort der Schütze GmbH in Dorsten aufgebaut und in Betrieb genommen. Mit einigen gezielten Optimierungen ausgestattet konnten bei der jüngsten Versuchsreihe mehrere Stabmuster gefertigt und zusätzlich neue Härtezyklen erprobt werden.

Auf dem Weg zu einer emissionsfreien und nachhaltigen Zukunft tragen Hochleistungs-Faserverbundmaterialien wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) maßgeblich zu einem effizienten Ressourceneinsatz bei. Zusammen mit der Schütze GmbH erforscht und entwickelt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) eine flexible Prozesskette für die kontinuierliche Herstellung von CFK-Sandwichstäben für die Luft- und Raumfahrt. Towpregrod steht mit der Inbetriebnahme der Vorserienanlage nun kurz vor seinem erfolgreichen Abschluss.

Am Markt erhältliche CFK-Profile werden in der Regel mittels Pultrusion hergestellt. Die trockenen Rovings oder Faserhalbzeuge durchlaufen ein Harzbad und härten anschließend beim Durchlaufen eines beheizten Formwerkzeuges aus. Anfallende Werkzeugkosten begrenzen das Verfahren vor allem auf Mittel- und Großserien. Zudem ermöglichen Pultrusionsprozesse häufig nur eine Faserablage in Ziehrichtung. Zusammen mit dem IFW hat die Schütze GmbH eine neuartige werkzeuglose Prozesskette entwickelt, um in kontinuierlicher Prozessführung CFK-Sandwichstäbe aus vorimprägnierten Halbzeugen zu erzeugen.

Seit der erfolgreichen Inbetriebnahme der Pilotanlage im November 2024 konnte das Projekt bedeutende Fortschritte verzeichnen. Die vom IFW entwickelte multi-orbitale Legeeinheit wurde am Fertigungsstandort der Firma Schütze dupliziert und mit mehreren gezielten Optimierungen ausgestattet. Die entstandene Vorserienanlage wurde bei der jüngsten Versuchsreihe erfolgreich in Betrieb genommen und mehrere Stabmuster wurden produziert.

Die Anlage, bestehend aus zwei gegensinnig rotierenden Orbitalträgern mit jeweils bis zu zwölf Ablegeeinheiten, legt vorimprägnierte Faserbündel kontinuierlich und vollflächig auf dem unidirektional verstärkten Stab ab. Dabei können Durchmesser von 15 mm bis 80 mm und Winkellagen zwischen 30° und 85° realisiert werden.

Ein weiterer Meilenstein wurde durch die Erprobung neuer Härtezyklen erreicht. Diese resultieren aus einer zuvor durchgeführten Parameterstudie, in der verschiedene Temperatur-Zeit-Profile systematisch untersucht wurden. Durch die optimierten Härtezyklen versprechen sich die Forschenden eine erhöhte Bauteilqualität.

Mit einer Restlaufzeit von einem Monat befindet sich das Projekt nun auf der Zielgeraden. Alle wesentlichen Projektziele wurden erreicht: Die Entwicklung, Inbetriebnahme und Prozesserforschung der Fertigungsanlage, die erfolgreiche Duplikation mit Prozessoptimierungen sowie die Produktion von Stabmustern in verschiedenen Konfigurationen. Ausstehend ist lediglich die abschließende mechanische Charakterisierung der zuletzt gefertigten Stabmuster, um die optimierten Prozessparameter final zu validieren und deren Einfluss quantifizieren zu können.

Die werkzeuglose, kontinuierliche Fertigung von CFK-Sandwichstäben mit individuell einstellbaren Eigenschaften eröffnet neue Möglichkeiten für die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie den Maschinenbau. Die im Projekt entwickelte Technologie ermöglicht die wirtschaftliche Produktion bereits in Kleinserien und trägt damit zur Erweiterung des Einsatzspektrums von CFK-Leichtbaukomponenten bei.

Wir danken dem BMWE für die Förderung im Rahmen des sechsten zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VI) sowie der Schütze GmbH für die hervorragende Zusammenarbeit.

Im Rahmen der bundesweiten Woche des Wasserstoffs besuchten am 25.06.2025 zahlreiche Schülerinnen und Schüler den Forschungsstandort CFK Nord in Stade. Im Fokus stand dabei die praxisnahe Vermittlung aktueller Entwicklungen rund um den Energieträger Wasserstoff – organisiert und durchgeführt von den kooperierenden Instituten IFW, ILF und PUK.

Nach einer gemeinsamen Einführung in die Arbeit der drei Institute erwartete die Teilnehmenden ein abwechslungsreiches Programm: Sie erhielten spannende Einblicke in laufende Forschungsprojekte sowie innovative Leichtbaukonzepte im Kontext der Wasserstofftechnologie. Präsentiert wurden unter anderem das Projekt SHOREliner sowie das laserbasierte Automated Fiber Placement, das die Grundlage zur Herstellung von Wasserstofftanks aus Faserverbundwerkstoffen bildet.

Darüber hinaus konnten die Schüler*innen auch selbst aktiv werden: Beim Bau und Start kleiner Wasserstoffraketen wurde Forschung unmittelbar erlebbar – ein Highlight, das bei den Teilnehmenden große Begeisterung auslöste.

„Wir freuen uns, junge Menschen für Technik und Forschung zu begeistern und ihnen die Potenziale des Energieträgers Wasserstoff auf anschauliche Weise näherzubringen“, betonte Dr. Carsten Schmidt, Leiter der institutsübergreifenden Forschungskooperation HPCFK.

Die Woche des Wasserstoffs ist eine deutschlandweite Initiative zur Sichtbarmachung von Projekten und Forschungsaktivitäten rund um Wasserstoff. Die Institute IFW, ILF und PUK leisten mit ihrer Arbeit am Standort Stade einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Technologien für Mobilität und Energieversorgung der Zukunft.

Vom 31. März bis 4. April 2025 öffnet die Hannover Messe ihre Tore – und wir sind dabei! Besuchen Sie uns in Halle 2, Stand A10, auf dem Messestand des MWK und entdecken Sie unser vom BMWK gefördertes Forschungsprojekt SHOREliner sowie unseren Beitrag zur Entwicklung des Faserverbundflugzeugs MDA1 eViator.

Der MDA1 eViator ist ein vollelektrisches, 10-sitziges CS-23-Regionalflugzeug, das im Rahmen von LuFo VI-3 entwickelt wird. Durch die Kombination von Faserverbundleichtbau mit einem innovativen batterieelektrischen Antriebssystem inklusive Batteriewechselsystem ermöglicht es emissionsfreie Kurzstreckenflüge, insbesondere in ökologisch sensiblen Küstenregionen.

Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation von MD Flugzeugbau, Kasaero, Schill + Seilacher „Struktol“ und Broetje Automation sowie unserem Hochschulverbund HP CFK. Gemeinsam mit weiteren Industriepartnern entwickeln wir neue Methoden für den integrierten Entwurf von Flugzeugstrukturen (IFL, TU Braunschweig) und Prozessketten (IFW, Leibniz Universität Hannover). Zusätzlich erforschen wir biobasierte Harzsysteme und Naturfasern für Strukturkomponenten mit Brandschutzanforderungen (PuK, TU Clausthal).

Live auf der Hannover Messe: Automatisierung und Augmented Reality

Besucherinnen und Besucher der Hannover Messe erhalten erste Einblicke in eine mögliche zukünftige Fertigungstechnologie dieses Flugzeugs: Erstmals wurde ein unkonventionell versteiftes Rumpfkonzept der Flugzeugklasse CS-23 vollständig automatisiert von einem Industrieroboter gefertigt.

Neben exklusiven Einblicken in die Fertigung per Videopräsentation können Sie das Flugzeug in einem virtuellen Rundgang per Augmented-Reality-Präsentation hautnah erleben. Nutzen Sie die Gelegenheit, mit der Meta Quest 3 den aktuellen Entwicklungsstand des MDA1 eViator interaktiv zu erkunden!

Besuchen Sie uns!

Wir freuen uns auf spannende Gespräche und einen inspirierenden Austausch. Vereinbaren Sie gerne vorab einen Termin oder kommen Sie spontan vorbei!

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