Fraunhofer bündelt 16 Institute für innovativen Leichtbau: Integration von Materialentwicklung bis zur Produktion aus einer Hand.

Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau: Bündelung von Kompetenzen aus 16 Instituten

Seit 2025 koordiniert das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) das Forschungsfeld Leichtbau. Dieses vereint die Fachkompetenzen von 16 Fraunhofer-Instituten und schafft eine interdisziplinäre Plattform, die die gesamte Wertschöpfungskette im Leichtbau abdeckt – von der Materialentwicklung bis zur validierten Produktanwendung. Ziel ist es, Unternehmen integrierte Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen aus einer Hand anzubieten und Innovationen effizient in industrielle Anwendungen zu überführen.

Fokus auf werkstoff- und fertigungsgerechten Leichtbau

Das Fraunhofer IWU legt besonderen Wert auf den werkstoff- und fertigungsgerechten Leichtbau. Ein zentraler Ansatz ist der sogenannte „Systemleichtbau“, bei dem Materialien, Konstruktion und Produktionsprozesse ganzheitlich optimiert werden. Dies dient der Gewichtsreduktion, Ressourceneinsparung und gleichzeitigen Steigerung der Leistungsfähigkeit von Bauteilen, insbesondere für den Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau.

Praxisbeispiel: Projekt 3D-FiberTrain

Im Projekt 3D-FiberTrain demonstrierten das Fraunhofer IWU und das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Industriepartnern, wie sich durch die Kombination von großformatigem 3D-Druck und 3D-Tapelegeverfahren komplexe, hochbelastbare thermoplastische Faserverbundbauteile für Schienenfahrzeuge werkzeugfrei herstellen lassen. Der Verzicht auf Formwerkzeuge, ein hoher Automatisierungsgrad sowie die Verwendung wiederverwendbarer thermoplastischer Materialien reduzieren sowohl die Produktionskosten als auch den CO₂-Fußabdruck, insbesondere bei kleinen und mittleren Stückzahlen.

Innerhalb von drei Jahren entstanden zwei großformatige Demonstratoren: eine Frontschürze und eine Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszugs.
Das verwendete glasfaserverstärkte Polycarbonat erfüllt die strengen Brandschutzanforderungen für Schienenfahrzeuge.
Prozesssimulationen ermöglichten die Vermeidung von Bauteilverzug und Delaminationen im 3D-Druck.
Strukturoptimierung reduzierte die Anzahl der Verstärkungstapes auf das notwendige Minimum, was die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert.
Zukünftige Arbeiten zielen auf die direkte Verarbeitung von Rezyklat im großformatigen 3D-Druck ab, um die Kreislaufwirtschaft thermoplastischer Komponenten zu fördern.

Das Projekt zeigt das Potenzial additiver Fertigung, Entwicklungszeiten im Schienenfahrzeugbau deutlich zu verkürzen und nachhaltige, recyclingfähige Leichtbaustrukturen zu realisieren.

Kompetenzbündelung im Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau

Das Forschungsfeld umfasst umfassende Fachkenntnisse zur Entwicklung und Optimierung moderner Fertigungsverfahren für Leichtbaustrukturen. Dazu zählen unter anderem hybride Thermoplastbauteile, RTM- und Hochdruck-RTM-Verfahren, automatisierte Tape- und Prepregverarbeitung sowie innovative Nutzung recycelter Fasermaterialien. Ergänzend werden Verbindungs- und Oberflächentechnologien wie Klebtechnik, Laserbearbeitung und funktionale Oberflächenveredelung eingesetzt, um multifunktionale und langlebige Produkte zu realisieren.

Zur Absicherung der entwickelten Lösungen steht eine umfangreiche Test- und Validierungsinfrastruktur zur Verfügung. Diese reicht von hochauflösender zerstörungsfreier Prüfung mittels Hochenergie-Computertomographie großer Bauteile bis hin zu realitätsnahen Prüfständen für komplette Fahrzeuge. Spezialisierte Verfahren wie Röntgendiagnostik bei Crashbelastungen sowie umfassende Prüfmethoden für neuartige Werkstoffe, darunter biobasierte und naturfaserverstärkte Materialien, ergänzen das Angebot.

Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Kreislaufwirtschaft. Das Forschungsfeld entwickelt Konzepte für das Recycling von Verbundwerkstoffen, die Wiederverwendung von Materialien sowie digitale Methoden zur Optimierung von Recyclingprozessen.

Leichtbau für batteriegetriebene Fahrzeuge

Im Bereich der Elektromobilität werden funktionsintegrierte Strukturen, neue Batteriekonzepte und CO₂-reduzierte Leichtbaulösungen erforscht, die Energieeffizienz und Reichweite verbessern. Das Fraunhofer IWU forscht insbesondere an Metallschaum als innovativem Material für leichte, robuste Batteriegehäuse mit optimiertem Thermomanagement.

Erweiterung durch das Fraunhofer IAP

Seit einem Jahr ist das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) Teil des Forschungsfeldes. Es fokussiert sich auf polymerbasierte Werkstoffe und Faserverbundtechnologien und entwickelt maßgeschneiderte Leichtbaulösungen von der Polymer-Synthese über Halbfabrikate und Prototypen bis hin zu industriellen Fertigungsprozessen für Hochleistungsbauteile.

Das Fraunhofer IAP fördert zudem die Nachhaltigkeit zirkulärer Werkstoffe durch die Entwicklung biobasierter Polymere, Carbonfasern und recyclinggerechter Verbundwerkstoffe. Dabei werden gezielt End-of-Life-Szenarien und Wiederverwertungsstrategien für Leichtbaustrukturen adressiert.

Zusätzlich arbeitet das Institut an Leichtbaulösungen für Wasserstoffspeicher und effiziente Rotorblätter für Kleinwindanlagen, bei denen Konstruktion, Aerodynamik und Fertigung gemeinsam optimiert werden.

Mitwirkende Fraunhofer-Institute im Forschungsfeld Leichtbau

Ernst-Mach-Institut (EMI)
Institut für Chemische Technologie (ICT)
Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV)
Institut für Integrierte Schaltungen (IIS)
Institut für Lasertechnik (ILT)
Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS)
Institut für Produktionstechnologie (IPT)
Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)
Institut für Windenergiesysteme (IWES)
Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP)
Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)
Institut für Holzforschung (WKI)
Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)

Förderung und Projektpartner

Das Projekt 3D-FiberTrain wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und von der Hörmann Vehicle Engineering GmbH koordiniert. Beteiligte Partner waren die Fraunhofer-Institute IWU und IMWS sowie die Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und Verarbeitung mbH.

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