Leichtbau

WERKSTOFFAUSWAHL

Die Auswahl von Werkstoffen ist ein wesentlicher Stellhebel für die Umsetzung einer Leichtbaustrategie. Hierfür kommen insbesondere Materialien infrage, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei möglichst geringer Dichte aufweisen. Diese Kriterien erfüllen vor allem Materialien wie Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan sowie Faserverbundstoffe. Eine kurze Charakterisierung dieser Werkstoffe wird im Folgenden gegeben. Die Ausführungen sind an die VDI ZRE Kurzanalyse Ressourceneffizienz im Leichtbau angelehnt [3]. Diese Studie wird auch für eine weiterführende Information zum Thema leichtbaugerechte Materialien empfohlen, beispielsweise werden hier Kunststoffe oder Keramiken als weitere gängige Leichtbaumaterialien vorgestellt.

Stahl genießt vor allem im Fahrzeugbau noch immer einen hohen Stellenwert. Der Energieaufwand zur Herstellung, die Materialkosten sowie die Recyclingfähigkeit von Stahl sind insgesamt als vorteilhaft im Vergleich zu anderen für den Karosseriebau gängigen Leichtbaumaterialien, wie Aluminium oder Faserverbundstoffe, einzuschätzen. Um den Nachteil des größeren Gewichts zu umgehen, werden hochlegierte Stähle mit hoher Festigkeit verwendet. Hierdurch ist es möglich, die Stahlbauteile mit dünnen Wandstärken zu versehen und dennoch den hohen Sicherheitsanforderungen im Automobilbau gerecht zu werden [4]. Es wird geschätzt, dass 10 – 40 % Gewichtseinsparungen pro Bauteil möglich sind [5].

Aluminium zeichnet sich gegenüber Stahl durch eine geringere Dichte und bessere Umformeigenschaften aus. Neben stetig steigender Anwendung im Automobilbau wird Aluminium vorrangig in der Luftfahrt eingesetzt. Aus Sicht der Ressourceneffizienz kann Aluminium insbesondere vorteilhaft sein, wenn möglichst geschlossene Recyclingkreisläufe vorliegen, da die Herstellung von Aluminium sehr energieintensiv ausfällt. Voraussetzung für ein effizientes Recycling ist eine genaue Kenntnis der Legierungselemente, da der Prozess ansonsten schwer durchführbar ist. In einigen Fällen bietet sich auch der Einsatz von Aluminiumschäumen an, die zwar über keine große Festigkeit verfügen, dafür aber eine sehr geringe Dichte aufweisen [3].

Magnesium zeigt im Vergleich zu Aluminium bei ähnlichen mechanischen Eigenschaften nochmals eine geringere Dichte auf (35 % geringer). Der Rohstoffpreis ist dabei bezogen auf die Masse bis zu 30 % höher. Sobald jedoch das Volumen als Bezugsgröße gesetzt wird, fallen die Kosten vergleichbar aus. Anwendungen im Bereich Luftfahrt sind bis jetzt noch eher begrenzt, wachsen jedoch stetig. Ein Wachstum von 30 % bis 2020 wird prognostiziert [6]. Im Fahrzeugbau hat der Werkstoff bereits eine längere Tradition. Schon im VW Käfer wurden Bauteile aus Magnesiumlegierungen verwendet. Die Magnesiumherstellung erfordert im Vergleich zu unlegiertem Stahlwerkstoff in der Herstellung im Hochofen ungefähr den siebenfachen Energieaufwand [7].

Die Dichte von Titan ist höher als die von Aluminium und Magnesium. Gegenüber Stahl lassen sich hier allerdings noch immer bis zu 40 % der Masse einsparen. Kennzeichnend für Titan ist die Festigkeit, welche auch bei hohen Temperaturen Bestand hat und daher für Anwendungen im Motor- und Triebwerksbau vor allem in der Luftfahrt und seit einigen Jahren auch im Automobilbau infrage kommt [8]. Titan benötigt in der Herstellung im Vergleich zu unlegiertem Stahlwerkstoff in der Hochofenroute ca. zwanzigmal so viel Energie [7]. Eine Tonne Titan (5500 $/t) ist doppelt so teuer wie Aluminium (2100 $/t) oder Magnesium (2214 $/t) [9].

Faserverstärkte Kunststoffe (FKV), insbesondere hochfeste kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), bieten aufgrund ihres geringen Gewichts und der ausgeprägten mechanischen Belastbarkeit hervorragende Potenziale für den Leichtbau. Im Vergleich zu einem Referenzbauteil aus Stahl lassen sich durch den Einsatz von CFK bis zu 79 % des Gewichtes einsparen [10]. Während CFK bereits in umfassendem Maße im Flugzeugbau eingesetzt wird, nimmt auch der Einsatz im Automobilbau immer mehr zu (z. B. Karosserie des BMW I3). Daher wird bis 2020 von einem jährlichen Nachfragewachstum für CFK von bis zu 17 % ausgegangen [11]. Ein Hemmnis für einen weitreichenderen Einsatz von CFK bilden die hohen Herstellkosten, die sich aufgrund eingeschränkter Möglichkeiten für den Einsatz von Prozessautomatisierung ergeben. Aus Sicht des Ressourcenaufwandes sind außerdem der hohe Energieaufwand der Herstellung sowie die schlechte Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit des Werkstoffs ein Problem.

-> Beispiel

Multimaterialbauweise im Karosseriebau

Die verschiedenen Materialien, die für Leichtbauanwendungen im Karosseriebau infrage kommen, unterliegen jeweils zahlreichen Vor- und Nachteilen. Statt sich auf einen Werkstoff festzulegen und entsprechende Kompromisse eingehen zu müssen, richtet sich der Trend mehr auf eine Kombination verschiedener Materialien. So werden z. B. im Fahrgestell des aktuellen Audi A8 vier unterschiedliche Leichtbaustoffe verwendet. Hierbei kommen Aluminium, Stahl, Magnesium und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz, die mit 14 unterschiedlichen Verfahren zusammengefügt werden. Mit 79.6 % bildet Aluminium den größten Anteil am Material-Mix. Damit ergibt sich ein Gewicht von nur 208 Kilogramm für das gesamte Fahrgestell.

Den Einsparungen im Gewicht steht ein höherer Aufwand des Recyclings gegenüber, da die verschiedenen Materialien am Lebensende wieder sortenrein getrennt werden müssen. Darüber hinaus ergeben sich aufgrund der aufwändigeren Herstellung zusätzliche Kosten, so dass sich derartige Multimaterialbauweisen derzeit nur für Oberklassefahrzeuge eignen [12][13].

STRUKTUROPTIMIERUNG

Neben der Werkstoffauswahl bietet auch die strukturelle Auslegung einer Konstruktion ein großes Potenzial zur Gewichtssenkung.

Auf Ebene der Baustruktur wird entschieden, wie die zu erarbeitende Struktur grundsätzlich definiert werden soll. Hierbei spielt unter anderem auch die Entscheidung eine Rolle, ob eine Differenzial- oder Integralbauweise gewählt werden soll. 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 Konstruktionsziele an eine Baustruktur, wie z. B. Reparierbarkeit, beachtet werden.

Die Topologieoptimierung eines Bauteils spielt eine Rolle, um schon frühzeitig nichtbelastete Bereiche in einem Bauraum zu identifizieren und die Strukturen eher am Kraftfluss auszurichten. Hierfür können auch Softwaretools aus dem Bereich Computer Aided Optimization verwendet werden.

Bei der Gestaltoptimierung wird die Form innerhalb der vorgegebenen Bauteiltopologie an die Belastungen angepasst. Hierbei werden die Knotenpunkte der Elemente als Gestaltungsvariablen festgelegt.

Im Rahmen der Parameteroptimierung erfolgt eine Feinjustierung einzelner Konstruktionsparameter, wie z. B. der Wanddicke [14].

-> Beispiel

Bionisches Design einer Flugzeugtrennwand

Ein Flugzeughersteller hat gemeinsam mit einem Architekturbüro eine Flugzeugtrennwand entwickelt, die auf bionischen Prinzipien beruht. Hierbei wurde als Grundlage für den strukturbildenden Optimierungsalgorithmus das Ausbreitungsverhalten eines Schleimpilzes (biologisches Vorbild) gewählt. Die hierdurch erzeugten diffizilen Strukturen wurden hinsichtlich des Gewichts und unter der Randbedingung angemessener statischer Belastungsfähigkeit (Durchbiegung) optimiert. Insgesamt konnten durch den Entwurf 45 % des Gewichts der Trennwand eingespart werden. Die Fertigung der Trennwand erfolgt mit additiven Verfahren [15].

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