K15: Leichtbau

Leichtbau ist eine Entwicklungsstrategie, die darauf ausgerichtet ist, unter vorgegebenen Randbedingungen eine geforderte Funktion durch ein System minimaler Masse zu realisieren.

• Maximale Ausnutzung des Werkstoffs

• Erreichung höherer Beschleunigungen

• Erhöhung der Nutzlast

• Reduktion der Transportkosten

• Reduktion des Energieverbrauchs (Umwelt, Kosten)

• Einsparung von Rohstoffen (Umwelt)

• Verbesserte Handhabbarkeit technischer Produkte

Trotz Leichtbau keine Beeinträchtigung von:

• Werkstoffleichtbau

  Hochfeste Stähle, Aluminium, Magnesium, Kunststoffe, Verbundbauweise

• Formleichtbau

  Strukturierte oder bombierte Bleche, Sicken,…

• Konzeptleichtbau

  Bauweisen mit vorteilhaftem Verhältnis von Funktion zu Gewicht (Fachwerk, Sandwich,…)

• Fertigungsleichtbau

  Tailored Products, Hybridfügen

• Biege- und Torsionsbeanspruchung in massiven Querschnitten vermeiden

• Nach Möglichkeit Zugbeanspruchung anstreben

• Falls Druckspannungen auftreten: Instabilität abfangen

• Anisotrope Werkstoffe belastungsgerecht auslegen

• Nachahmen des natürlichen Wachstums von Bäumen

• Einfache geometrische Konstruktion

• Keine zusätzliche Berechnung notwendig

• Ausrundung der Zugdreiecke durch tangential anliegende Kreise

• Reduktion der Kerbspannungen

• Anwendung bei Absätzen, Kraftflussänderung und mehreren Lasten möglich

• Topologieoptimierung

  Auffinden der optimalen Materialverteilung bei einem vorgegebenen Bauraum

• Formoptimierung

  Formanpassung der Konstruktion z.B. zur Reduktion von Spannungsspitzen

• Parameter-Optimierung

  Variation einzelner Parameter bei vorgegebener konstruktiver Lösung z.B. Wandstärkenanpassung

1. CAD-Definition des Konstruktionsraums

2. Finite-Elemente-Modell

3. Basis-Topologie-Ergebnis

4. Mit Fertigungsrestriktionen

5. Geglättet und neu vernetzt

6. Endgültige CAD-Geometrie

Ein Fachwerk ist eine Konstruktion aus mehreren Stäben, die nur auf Zug und Druck belastet werden.

• Einfeldträger

• Kragbalken

• Dreigelenkbinder

• Gerade, schlanke Stäbe über Gelenke an den Stabenden reibungsfrei verbunden

• Nur axiale Zug- und Drucklasten möglich

• In Realität auftretende Kräfte durch biegesteife Anschlüsse sind i.d.R. vernachlässigbar

• Äußere Kräfte greifen nur in den Gelenken an

• Klare Aufgabenteilung zwischen Tragen und Verkleiden

• Blech-Oberfläche kräftefrei

• Fachwerkstruktur kraftführend (Berechnung über Freischneiden)

• Berechnung des Fachwerks typischerweise nur durch Auslegung der Stäbe auf Tragfähigkeit

  -> Knoten müssen immer nach Stäben versagen

  -> Auslegung der Knoten auf ausreichende Tragfähigkeit

• Lasteinleitung sorgfältig gestalten

Ein Schubfeld ist ein durch Blech ausgefachtes umlaufendes Rahmenprofil.

• Randstäbe gelenkig verbunden

• Randstäbe übernehmen nur Normalkräfte

• Blechfelder übernehmen nur Schubkräfte

• Häute eben, parallel und dünnwandig

  -> geringe Biegesteifigkeit

  -> nur Normalkräfte übertragbar

• Kernschicht nicht zusammendrückbar

  -> übertragen bevorzugt Schubkräfte

• Bevorzugte Belastung von Sandwichstrukturen: Biegung

• Großflächige Krafteinleitung zur Vermeidung von Instabilitäten

• Aussteifung der Abschlüsse und Lagerpositionen

Metallschaumsandwich:

• homogener Kern aus Metallschaum

• Schichten verklebt

• Hohes Energieabsorptions- und Dämpfungsvermögen

• Exakte Schaumausbildung schwer vorhersehbar

Wellblechsandwich:

• Strukturierter Kern aus Wellblech

• Schichten verklebt

• Kostengünstige Fertigung

• Geringeres Leichtbaupotential als Wabentechnik

Wabenkernsandwich:

• Strukturierter Kern aus Waben (Aluminium oder Nomexpapier)

• Schichten verklebt

• Höchstes Leichtbaupotential

• Fertigung kostenintensiv

Herstellung: Riffeltechnik

• Fasern in Grundwerkstoff (Matrix) eingebettet

• Fasern nehmen Kräfte auf, Matrix leitet Kräfte in Faser

1. Zugfestigkeit Faser > Zugfestigkeit Matrix

2. E-Modul Faser >> E-Modul Matrix

3. Bruchdehnung Faser < Bruchdehnung Matrix

• Faserverstärkte Kunststoffe (AFK, GFK (Glasfaser), CFK (Kohlenstofffaser))

• Stahldrahtverstärktes Aluminium

• Kohlenstofffaserverstärkte Keramik

• Kohlenstofffaserverstärktes Aluminium

• Kohlenstofffaserverstärkter Beton

-> Alle faserverstärkten Werkstoffe sind hoch anisotrop (=stark richtungsabhängig)

• Nutzung der natürlichen Stützwirkung durch Krümmung

  -> gekrümmte (bombierte) Formen erhöhen kritische Knick- und Beullasten

• Realisierung eines möglichst großen Widerstandsmoments

  -> möglichst Hohlprofile einsetzen

  -> Einsatz von dünnwandigen Profilen mit leichtem Stützkern

• Gezielte Versteifung von Konstruktionen in Hauptbelastungsrichtungen

  -> Verstärkung flächiger Bauteile durch Sicken oder Rippen

  -> Ausrichtung von Fasern entlang der Belastungsrichtung

• Versteifung durch Sicken

  Sicken sind rinnenartig eingebrachte Versteifungen in Blechfelder, wobei die Tiefenprägung meist klein gegenüber der Längenprägung ist.

• Versteifung durch Rippen

  Mit Rippen bezeichnet man schmale Versteifungsleisten, die unterhalb von flächigen Bauteilen angebracht werden. Bei Leichtmetall-Konstruktionen können Rippen entweder massiv oder aus Profilstäben hergestellt werden.

• Nieten

• Löten

• Kleben

• Durchsetzfügen

• Laserstrahlschweißen

• Hohe Crashanforderungen an Fahrzeugzelle

• Erfordert belastungsgerechte Auslegung

  -> unterschiedliche Werkstoffeigenschaften benötigt

• Durch lokal optimierte Dicken und Werkstoffeigenschaften wird Gewichtsreduktion erzielt