Leichtbau

Materialdatenbanken

Für die Auswahl eines passenden Leichtbaumaterials müssen zahlreiche Parameter gleichzeitig betrachtet und gegeneinander abgewogen werden. Hierbei sind neben dem Gewicht und den klassischen Faktoren der beanspruchungsgerechten Werkstoffauswahl (Härte, Festigkeit, Gewicht, Viskosität etc.) weitere Aspekte der Ressourceneffizienz zu berücksichtigen, wie der Energieaufwand bei der Werkstoffherstellung oder die Recyclingfähigkeit. Gerade für die Ressourceneffizienzaspekte ist jedoch eine angemessene Datenlage erforderlich. Hierfür wurden kommerzielle Materialdatenbanken entwickelt, welche entsprechende Werte beinhalten (z. B. GRANTA CES Selector). Der Zugang und die Nutzung dieser Datenbanken sind in der Regel einfach gestaltet und verlangen wenige Vorkenntnisse.

Konstruktive Gestaltungsprinzipien des Leichtbaus

Eine Anleitung zur leichtbaugerechten Konstruktion wurde von Kranz, J. [16] auf Grundlage der Empfehlungen von Schmidt, W. [17] und Klein, B. [18] entwickelt. Die hier entwickelten Regeln werden im Folgenden in verkürzter Form dargestellt (siehe [16]).

Direkte Krafteinleitung und Kraftausgleich

Die Einleitung von Kräften sollte möglichst direkt in die Haupttragstruktur erfolgen. Unnötige Kraftumlenkungen führen zu komplizierten Spannungszuständen, die eine größere Dimensionierung und ein höheres Gewicht nach sich ziehen. Konstruktionen sollten zudem möglichst symmetrisch, geschlossen und segmentiert vorliegen.

Maximierung des Flächenträgheits- bzw. Widerstandsmoments

Bei minimaler Fläche sollten große Trägheitsmomente bzw. Widerstände angestrebt werden, insbesondere bei torsions-, biege- und knickgefährdeten Strukturen. Anstelle von Vollprofilen sollten Hohlprofile eingesetzt werden.

Verwendung feingliedriger Strukturen

Durch eine aufgelockerte Bauweise können Flächentragwerke bei gleichzeitig kleiner Querschnittsfläche deutlich versteift werden. Durch den Einsatz von Unterstützungsrippen, Untergurten oder Sandwichkonstruktionen kann die Steifigkeit im Vergleich zu massiven Tragwerken bei gleichem Materialaufwand deutlich erhöht werden.

Erhöhung der Stützwirkung durch Krümmung

Die Knick-, Biege- und Beulsteifigkeit kann durch eine gezielte Vorkrümmung von Bauteilen erhöht werden. Die Krümmung vergrößert das Flächenträgheitsmoment und verringert gleichzeitig die strukturelle Instabilität der Konstruktion.

Konstruktionen in Hauptbelastungsrichtung versteifen

Durch die Verwendung von Ortho- oder Anisotropien kann die Steifigkeit eines Bauteils in den Hauptbelastungsrichtungen erhöht werden. Konstruktive Maßnahmen, wie Sicken oder Rippen, helfen dabei, Anisotropien zu erreichen. Weitere Optionen hierfür beinhalten die Wahl unterschiedlicher Blechdicken sowie die Auswahl verschiedener Werkstoffe.

Nutzung einer Integralbauweise

Die Verringerung der Bauteilanzahl in Form einer Integralbauweise kann ein einfacher Weg sein, um das Gewicht einer Baugruppe zu reduzieren. Hierbei müssen allerdings auch die anderen Ziele einer Baustruktur, wie z. B. Reparierbarkeit, beachtet werden.

Materialeinsparung in niedrig belasteten Bereichen

Material sollte an den Stellen eingespart werden, die sich nicht im Kraftfluss befinden. Hierdurch sinkt der Materialaufwand bei gleichbleibender Steifigkeit der Konstruktion.

Vollständige Ausschöpfung einer Konstruktion

Die Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung eines Bauteils sollten stets minimal gehalten werden. Hierfür ist eine umfassende Kenntnis der zu erwartenden Belastung notwendig (z. B. durch Simulation).

Topologieoptimierung

Besondere Potenziale lassen sich durch Topologieoptimierung erreichen. Mit dieser rechnergestützten Optimierungsform ist es möglich, die Bauteilgeometrie direkt aus den zu erwartenden Lasten abzuleiten. Die hierbei generierten bionisch anmutenden Strukturen lassen sich aufgrund ihrer Komplexität allerdings zumeist nur über additive Fertigungsverfahren realisieren. Funktionen zur Topologieoptimierung sind bereits in vielen kommerziellen CAD-/CAE-Tools, wie ANSYS oder SolidWorks 2018, integriert.

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