Ein Neues Konzept für die Buskarosserie

HM-Studierende entwickeln für einen Oldtimerbus einen komplett neuen Karosserierahmen

Bild 1 3D-Modell des Oldtimerbusses

Den Dieselmotor eines Oldtimerbusses durch einen elektrischen Antrieb mit Wasserstoff-Brennstoffzelle zu ersetzen – das sieht das neue Buskarosserie-Konzept des Studierendenteams der Masterstudiengänge Computational Engineering und Maschinenbau vor. Dabei soll eine möglichst leichte Struktur mit innovativen Stählen und Leichtmetallen zum Einsatz kommen.

Entwickelt haben die sechs Studentinnen und sieben Studenten das Konzept in der Online-Lehrveranstaltung „Konzeptentwicklung mechanischer Strukturen“ von Prof. Dr. Klemens Rother. „Ich hätte nie gedacht, welche Entwicklungstiefe in nur einem Semester in so einer Gruppe mit einer so großen Aufgabenstellung möglich ist“, sagt Rother. „Bei der Definition der Aufgabe hatte ich schon fast ein schlechtes Gewissen, wollte es aber trotzdem mit den Studierenden probieren.“

Bild 2 Der Rahmen des Bus-Konzeptes

Einen Oldtimerbus scannen

Für die Entwicklung der neuen Karosserie musste auch die äußere Gestalt des Busmodells, ein Auwärter Neoplan NH 6/7, Baujahr 1958, beachtet werden. Hierfür laserscannten zwei Studierende der Fakultät für Geoinformation unter Leitung von Prof. Dr. Robin Ulrich bereits vor dem Sommersemester einen Originalbus und bereiteten die Daten auf.

Mit den realistischen Vorgaben für Anforderungen wie z.B. Package, Massenverteilung und verschiedenen Betriebslasten, Überrollsicherheit und Lebensdauer war dieses Projekt sehr realistisch angelegt – wie aus dem wirklichen Berufsalttags eines Busentwicklers. Ein kleines, zusätzlich beratendes Studierendenteam stellte sicher, dass diese individuellen Anforderungen schon bei der digitalen Erfassung des Busses einflossen.

Ergebnis mit professionellen Entwicklungen vergleichbar

Die komplexe Aufgabe ließ sich nur durch eine organisierte Teamstruktur, agiles Projektmanagement, cloudbasiertes Arbeiten und Datenmanagement, starkes Teamwork und Arbeitsteilung, wöchentliche Meetings in verschiedenen Arbeitsgruppen sowie viel schöpferischem Elan meistern. „Besprechungen liefen teilweise auch am Wochenende, da war ein unglaublicher Eifer zu spüren“, erinnert sich der Professor.

Aufgrund der räumlichen Trennung im Coronasemester war es nötig, dass sich die Studierenden in eine cloudbasierte Entwicklungssoftware einarbeiten. Das Ergebnis des Projekts ist eine realistische Struktur für den Oldtimerbus, die ohne jegliche Präsenz-Treffen mit Webkonferenzen gelöst wurde. „Das Erreichte ist hinsichtlich Entwicklungsverlauf und Ergebnis mit erfahrenen und professionellen Entwicklern durchaus vergleichbar“, so Rother, „und die Damen und Herren haben das zum ersten Mal gemacht - ohne sich vorher zu kennen. Das kommt noch hinzu.“

M. F.

Prof. Dr. Klemens Rother

Leiter Masterstudiengang Computational Engineering
Studienfachberater Masterstudiengang Computational Engineering
Stv. Vorsitzender Prüfungskommission Masterstudiengang Computational Engineering
Forschungsprofessor der Hochschule München

Interview mit HTA-Forschungsprofessorin Dr. Imke Engelhardt

Welche Motivation hat Sie zu Ihrer Forschung gebracht?

Imke Engelhardt: Neue Methoden und Verfahren zur Steigerung der Lebensdauer von Bauwerken zu entwickeln, motiviert mich als aktuelle und zukunftsweisende Aufgabe. Von Beginn an hat mich die Entwicklung und Verifikation neuer Methoden in der Zusammenarbeit mit jungen Kolleg:innen im internationalen Umfeld begeistert. Insbesondere der Austausch auf internationalen Forschungskongressen und mit Industriepartnern motiviert mich immer wieder neu, aktuelle Fragestellungen zu untersuchen.

Welche Innovationen soll Ihre Forschung fördern?

Imke Engelhardt: Meine Forschungsvorhaben sollen Innovationen fördern, die die Herstellung ressourcenschonender Stahlkonstruktionen ermöglichen und die Lebensdauer von Bauwerken verlängern. Dazu zählen insbesondere Verfahren und Berechnungsmethoden, die die Ermüdungsfestigkeit von Stahlkonstruktionen erhöhen bzw. diese in Hinblick auf die Fertigung und den Werkstoffverbrauch optimieren. Neuartige Werkstoffe und Fügeverfahren sollen in ihrer vollen Leistungsfähigkeit zum Einsatz kommen und Strukturoptimierungen zu höherer Tragfähigkeit führen.

Welche Anwendungsgebiete wollen Sie mit Ihrer Forschung erschließen?

Imke Engelhardt: Ausgangspunkt meiner Forschungstätigkeit ist das Bauwesen. Ausgehend von der Fachrichtung des Stahlbaus und Brückenbaus finden sich heute wichtige Anwendungsfelder der Forschungsergebnisse im Bereich der Konstruktionen für erneuerbare Energien, insbesondere der Windenergie. Darüber hinaus finden sich durch bereits existierende interdisziplinäre Projekte wichtige Anwendungsfelder im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus sowie der verwandten Ingenieurdisziplinen.

Charakterisieren Sie Ihre Forschung mit drei Worten

Imke Engelhardt: Experimentell, numerisch, anwendungsorientiert.

Prof. Dr.-Ing. Imke Engelhardt

Seit 2011 ist sie Professorin für Stahlbau und Schweißtechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München
eine der Gründungsprofessor:innen des Instituts für Material und Bauforschung
Mitglied in verschiedenen nationalen und internationalen Normengremien und Fachverbänden

Die Hightech Agenda Bayern – kurz HTA – ist ein Investitionsprogramm des Freistaats Bayern. Sie stärkt alle staatlichen Hochschulen Bayerns mit zusätzlichen Studienplätzen, Stellen für Professuren, Stellen für wissenschaftliches sowie nichtwissenschaftliches Personal und für Infrastruktur. Auch zusätzliche Haushaltsmittel sind im Zeitraum von 2019 bis 2023 vorgesehen. Mit der Hightech Agenda Plus wurde das Programm vor dem Hintergrund der Corona-Pandemie nochmals aufgestockt.

Interview mit HTA-Forschungsprofessor Dr. Madjid Madjidi

Welche Motivation hat Sie zu Ihrer Forschung gebracht?

Madjid Madjidi: In unserer Gesellschaft werden Chaos und Komplexität oft fälschlicherweise gleichgesetzt. Beispielsweise ist ein Gebäude mit seinen technischen Anlagen zwar ein komplexes energetisches Netzwerk, die Zusammenhänge sind aber keinesfalls chaotisch. Um hier Energie einzusparen, lohnt es sich, Komplexität zu entwirren und die Wechselbeziehungen mathematisch zu beschreiben. Dazu fühle ich mich berufen.

Welche Innovationen soll Ihre Forschung befördern?

Madjid Madjidi: Verbesserungen der Ergonomie bei der Entwicklung und Handhabung von Simulationsmodellen und Datenstrukturen bei der Beschreibung von Gebäude- und Anlageneigenschaften. Erfahrungen aus der Praxis werden die Einführung von Qualitätsstandards für die numerische Simulation vorantreiben und das Vertrauen in komplexe Modelle vergrößern.

Welche Anwendungsgebiete wollen Sie mit Ihrer Forschung erschließen?

Madjid Madjidi: Die numerische Simulation kann sowohl als Controlling-Instrument in der Planung als auch zur Optimierung des Betriebs eingesetzt werden: um Energie einzusparen und Innenräume thermisch behaglicher zu machen. Zudem ist die Simulation ein bewährtes Mittel für die Lehre. Virtuelle Labore gestatten den Studierenden, sich einem Sachverhalt eigenständig anzunähern, indem sie die Sensitivität einzelner Einflussgrößen ermitteln oder neues Wissen durch Vernetzung von bekannten Zusammenhängen generieren.

Charakterisieren Sie Ihre Forschung mit drei Worten

Madjid Madjidi: Gebäudeplanung, Computersimulation, Energieeinsparung.

Prof. Dr. Madjid Madjidi

seit 2014 Professor für EDV-gestützte, integrale Planung der Gebäudetechnik an der Hochschule München
Gründungsmitglied des Forschungsinstituts CENERGIE an der Hochschule München

Dünnschichtsolarzellen, produziert mit Pikosekundenlasern, sind im Wirkungsgrad um 10-15 Prozent effektiver als konventionell hergestellte. Prof. Dr. Heinz P. Huber von der Hochschule München machte dieses Laserverfahren mit seiner Arbeitsgruppe industriell anwendbar und forscht nun an dessen Effektivierung. Bereits jetzt spart sein Produktionsprozess circa zwanzigtausend Tonnen CO2 -Emission pro Jahr.

München, 14. Juli 2020 – Weltweit ist etwa 100 Mal mehr Solarenergie verfügbar als Energie aus Windkraft und nachwachsenden Rohstoffen. Solarenergie ist deshalb ein wesentlicher Teil des Mix aus erneuerbaren Energien für die deutsche Energiewende.
Bisherige Silizium-Solarzellen sind durch ihre massenhafte Produktion zwar günstig, aber im Herstellungsprozess komplexer und weniger ressourcenschonend als Dünnschichtzellen. Werden jene wiederum mit der Technik eines Pikosekundenlasers hergestellt, verfügen sie über einen noch 10-15 Prozent höheren Wirkungsgrad. Trotz ihres derzeit geringen Marktanteils sparen sie mit 20 Tausend Tonnen pro Jahr bereits heute die CO2-Menge ein, die 3000 Personen in Deutschland durchschnittlich im Jahr emittieren.

CIGS-Dünnschichtzellen mit Pikosekundenlaser herstellen
Sogenannte CIGS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer messenden Schichten. Namensgebend ist die lichtabsorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS. Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial 3 Millimeter Glas unten, einer Molybdänschicht von nur einem Mikrometer, der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf.
Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, erhöht sich so die circa ein Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.
Das bisherige mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, hatte Nachteile: "Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig. Trägt man die Schichten mit dem Pikosekunden-Laser ab, kann man feinere Linien erzeugen, die den Strom besser leiten. Der Wirkungsgrad der Zelle steigt, ohne dass sich Kosten nennenswert erhöhen", sagt Huber.

Mehr Energieausbeute durch Laserverfahren: Mit Pikosekundenlaser hergestellte CIGS (grün) weisen in den Rillen einen geringeren Kontaktwiderstand und geringere elektrische Verluste auf, als die mit mechanischem Ritzen hergestellten Zellen (blau).

Industrieller Produktionsprozess für CIGS-Zellen
Indem er Laserimpulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer hohen Wiederholrate einsetzte, ermöglichte Huber erst die industrielle Herstellung der CIGS-Dünnschichtzellen: "Mit dem Nanosekundenlaser verbrennt man alle drei Schichten und schmilzt sie zusammen. Nur mit einem Ultrakurzpuls-Laser wie dem Pikosekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen", sagt der Forscher. Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der transparenten Zinkoxid-Deckschicht ist fester. Auch dadurch sinken die inneren Energieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt.
Durch eine Straffung des Herstellungsprozesses sieht Huber in Zukunft weitere Verbesserungsmöglichkeiten in punkto Wirkungsgrad und Reduzierung der Produktionskosten. Der jeweils abwechselnde Schichtenauftrag der einzelnen CIGS-Schichten und Strukturierung soll in einen gemeinsamen Auftrag aller Schichten und ihre gemeinsame Laserstrukturierung zusammengezogen werden.

Prof. Dr. Heinz P. Huber lehrt und forscht seit 2004 an der Hochschule München als Professor für Lasertechnologie und Photonik. Nach einem Studium der Technischen Physik an der TU München promovierte er an der LMU München zum Thema "Ultrakurzzeit-Spektroskopie der Photosynthese". Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Anwendung von Ultrakurzpuls-Lasern, insbesondere der Einsatz von Lasern in der Photovoltaik zur Verbesserung der Produktionsmethoden, Ultrakurzpuls-Laser als Werkzeuge in der Produktion sowie grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von Laserpulsen mit Werkstoffen durch ultrakurzzeitaufgelöste Experimente und Simulationen.

Text: Christiane Taddigs-Hirsch

Links: Dünnschichtsolarzellen in der Architektur: Das für seinen Energiestandard preisgekrönte gesellschaftliche Wohnprojekt von FUNKWA 10 Architekten in der Fritz-Winter-Strasse 3+7 in Nordschwabing setzt Dünnschichtzellen straßenseitig als Elemente der Fassadengestaltung ein

J. Winter, S. Rapp, M. Spellauge, C. Eulenkamp, M. Schmidt, H. P. Huber, "Ultrafast pump-probe ellipsometry and microscopy reveal the surface dynamics of femtosecond laser ablation of aluminium and stainless steel", Applied Surface Science 511 (2020) 145514, DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.145514

F. Kessler, D. Hariskos, S. Spiering, H. P. Huber, E. Lotter, R. Wuerz, "CIGS Thin Film Photovoltaic-Approaches and Challenges", in: High-Efficient Low-Cost Photovoltaics, January 2020, DOI: 10.1007/978-3-030-22864-4_9, Springer Series in Optical Sciences Vol. 140
P. Kubis, J. Winter, A. Gavrilova, M. Hennel, S. Schlosser, I. Richter, A. Distler, M. Heyder, S. Kery, P. Lenk, S. Geiger, C. J. Brabec, H. P. Huber and Hans-Joachim Egelhaaf "All-sub-nanosecond laser monolithic interconnection of OPV modules" Progress in Photovoltaics: Research Application (2019) DOI:10.1002/pip.3115

Gerhard Heise, Andreas Börner, Marcel Dickmann, Marina Englmaier, Andreas Heiss, Matthias Kemnitzer, Jan Konrad, Regina Moser, Jörg Palm, Helmut Vogt and Heinz P. Huber, "Demonstration of the monolithic interconnection on CIS solar cells by picosecond laser structuring on 30 by 30cm² modules", Progress in Photovoltaics: Research Application (2014) DOI: 10.1002/pip.2552

Das Thema erneuerbare Energien ist wichtig, aber auch sehr komplex. Nur wenige finden sich im Wirrwarr unterschiedlicher Maßeinheiten für Energie eigenständig zurecht. Wir möchten das ändern. In Zusammenarbeit von verschiedenen Disziplinen ist dieses Buch entstanden.

Das Buch verbindet eine außergewöhnliche Gestaltung mit didaktisch gut aufbereiteten und wissenschaftlich fundierten Inhalten und ist aus einer interdisziplinären Kooperation verschiedener Hochschulen entstanden.

„Genau im richtigen Moment“
Für uns kommt das Buch exakt zur richtigen Zeit. „Durch „Fridays for Future“ ist das Thema in der Mitte der Gesellschaft angekommen“, sagt Christian Holler. „Uns ging es darum, die grundlegenden Grenzen, die die Natur schon hat, in dem Buch klarzumachen. Jetzt ist der Moment, das Thema in die Fläche zu tragen, denn dort wird die Energiewende stattfinden, nicht in den Städten“, so Lesch. „Es geht dabei um riesengroße Zahlen, die niemand versteht. Diese haben wir umgerechnet in Kilowattstunden pro Tag und Kopf.“

RadfahrerInnen: Ein Maß für alle Energieformen
Um die Debatte zu erneuerbaren Energien nicht nur verständlich, sondern auch anschaulich zu machen, verkörpert ein(e) FahrradfahrerIn die Einheit von 1 KWh: 10 Stunden muss gestrampelt werden, um diese zu erzeugen. In Form von Strom kostet diese heute circa 30 Cent und ist in 100 ml Benzin enthalten. 120 KWh verbrauchen die Deutschen durchschnittlich pro Kopf und Tag. Die RadfahrerInnen begleiten die LeserInnen durch alle Kapitel des Buchs, das zunächst den Energieverbrauch, dann die einzelnen erneuerbaren Energiequellen wie Geothermie, Wind- oder Wasserkraft danach durchdeklinieren, welchen Beitrag sie zu einer klimaneutralen Energieversorgung von Deutschland leisten könnten.

Illustration, wo Text nicht weiterkommt
Charlotte Kelschenbach arbeitete wie Manuel Lorenz, Anna Ehrnsperger und Anna Lino Roeßle von Seiten der Designfakultät an dem Buch. Ihre Illustrationen nehmen die Inhalte feinsinnig und mit einer außergewöhnlichen Gestaltung auf. Für sie eine ertragreiche Zusammenarbeit: „Mich freut es unheimlich, dass Illustration bei einem gesellschaftlich so relevanten Thema so viel beitragen kann. Die Illustration soll das komplexe Thema leicht wirken lassen. Sie soll Spaß machen und versucht, durch die Charaktere zu emotionalisieren. Illustration wirkt dort, wo Text nicht weiterkommt“, sagt die Designabsolventin.

Das Buch als interdisziplinäres Projekt
Die in der Wissenschaftskommunikation versierten Autoren Christian Holler, Joachim Gaukel, Harald Lesch und Florian Lesch profitierten von der Zusammenarbeit mit der Fakultät für Design: „Überraschungen gab es nicht so sehr, was die Inhalte betrifft, aber darin, wie man kommuniziert. Das Interdisziplinäre an dem Buch ist für uns ganz offensichtlich“, sagt Lesch.

Text: Christiane Taddigs-Hirsch/Tina Branakay

Team

Autoren
Prof. Dr. Christian Holler, Hochschule München
Prof. Dr. Joachim Gaukelt, Hochschule Esslingen
Prof. Dr. Harald Lesch, Ludwig-Maximilans-Universität, München
Dipl. Ing. Florian Lesch

Bachelorarbeiten Design
Charlotte Kelschenbach, BA Design Schwerpunkt Illustration
Manuel Lorenz, BA Design Schwerpunkt Typografie
Anna Ehrenbürger, BA Design Schwerpunkt Digital Design, dieee.de

Umsetzung
Anna Lino Roesle, BA Design

Betreuung
Prof. Xuyen Dam, Typografie
Prof. Matthias Edler-Golla, Interaction Design