Kampf um jedes Gramm

Trend

Leichtbau – Die Natur macht es vor, jede Biene ist ein Leichtbauarchitekt. Auch die Industrie hat den Nutzen von Leichtbaukomponenten erkannt. Derzeit flammt der Boom wieder auf.

20. September 2011

Wie so häufig macht die Natur uns Menschen auch beim Thema Konstruktion etwas vor. Hier entsteht fast alles im Leichtbau, die Bienenwabe ist ein ebenso gutes Beispiel wie ein Insektenflügel.

Ziel des Leichtbaus ist, maximal viel Gewicht einzusparen und damit auch Rohstoffe und Kosten bei Herstellung, Montage und Nutzung eines Produkts. Entscheidend ist das beim Bau von Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen sowie in der Raumfahrt Hier verursacht jedes Kilogramm Nutzlast 30 bis 100 Kilogramm Zusatzgewicht für Rakete und Treibstoff.

Darum suchen Forscher immer neue leichtere Materialien, die die ursprünglichen Werkstoffe ersetzen. Konventionelle Stahlwerkstoffe weichen zum Beispiel metallischen Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, Magnesium, hochfesten Stählen oder Titan. In den letzten Jahren gewinnen Kunststoffe und speziell Faser-Kunststoff-Verbunde an Bedeutung. Durch ihre hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten sind sie attraktive Werkstoffe mit vielen Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten. Die Nachfrage nach Leichtbauwerkstoffen ist laut Wikipedia allein von 2002 bis 2007 um 300 Prozent gestiegen und der Trend hält an.

Alle Bedingungen einbeziehen

Oft lässt sich auch die Struktur verändern. In Blechteilen wird darum die Dicke in belasteten Bereichen verstärkt und in gering ausgenutzten reduziert. Wichtig für den Leichtbau ist dabei in jedem Fall die genaue Analyse und der Zuverlässigkeit der Gesamtkonstruktion sowie der Einsatzbedingungen wie zum Beispiel der Kräfte am Bauteil. Lasten, die nur abgeschätzt werden und mit Sicherheitsfaktoren belegt sind, führen zu überdimensionierten Bauteilen. Gerade bezüglich der Stabilität ist die genaue Kenntnis der Belastung unerlässlich.

Genaue Anforderungen im Lasten- beziehungsweise Pflichtenheft sind eine der Hauptvoraussetzungen, um leichte Strukturen zu erreichen.

Die dimensionierenden Lastfälle, die ein Bauteil sieht, treten oft nicht gleichzeitig auf. Dimensioniert man das Bauteil auf das gleichzeitige Auftreten aller Maximallasten, so ist es zwar robust, jedoch nicht leicht. Die Anforderungen an ein Bauteil sollten daher kritisch geprüft werden, um leichte Strukturen zu erhalten.

Forschung ist das A und O

Auch die Wissenschaft beschäftigt sich logischerweise mit dem Thema Leichtbau. So gibt es etwa an der TU München einen eigenen Lehrstuhl dafür.

Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Horst Baier sagt dazu auf seiner Webseite: »Unsere Lehrveranstaltungen erlauben den Studenten eine unterschiedliche Schwerpunktbildung zu Bauweisen, Werkstoffen, Simulationen und Tests, wobei wir auch auf die Synthese und Interaktionen dieser Elemente Wert legen.« Der Lehrstuhl betrachtet neben Basistechnologien in Bauweisen, Simulationen und Tests vor allem Forschungsthemen in Schlüsseltechnologien wie Faserverbund- und adaptive Strukturen.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) zum Beispiel zeigen wegen der Richtungsabhängigkeit und der hohen spezifischen Steifig- und Festigkeit ein hohes Potenzial für Leichtbaustrukturen. Darüber hinaus ist ihr geringer Wärmeausdehnungskoeffizient von großem Interesse für die Konstruktion von formstabilen Systemen.

Prof. Baier: »Wir haben dazu Modelle entworfen, Fehlermechanismen analysiert, Materialien charakterisiert sowie Stoßtests durchgeführt – und das bei wechselnden Umweltbedingungen. Wir experimentieren auch mit hybriden Materialkomponenten sowie mit Sandwichpaneelen.«

Auch in Dortmund ist man dem Leichtbau auf der Spur. Am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) an der dortigen Universität werden hierzu Umformverfahren entwickelt, grundlegend erforscht und in die industrielle Praxis übertragen.

Die Forscher am IUL beschäftigen sich mit der Verarbeitung von Leichtbaulegierungen durch die elektromagnetische Umformung, die laut Webseite einzigartige berührungslose Formgebungsmöglichkeiten eröffnen soll. In der Abteilung Massivumformung wird das Strangpressen von Leichtmetallen mit dem Fokus auf ein direktes Runden und Verstärken der Profile sowie das Strangpressen von Spänen und die Kaltmassivumformung erforscht.

Aktuelle Leichtbautrends sieht das Institut zum Beispiel in Fertigungsprozessen, bei denen die positiven Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe kombiniert werden. Im Kommen seien auch hybride Fertigungsprozesse, die verschiedene Fertigungsverfahren kombinieren, Nano-Materialien oder Prinzipien der Bionik zur Bauteilgestaltung. Dazu ist es notwendig, Design- und Auslegungsstrategien rechnergestützt weiterzuentwickeln.

Zusammen entwickeln

Um solche Trends nicht zu verpassen, hat sich an der Hochschule Landshut der Leichtbau-Cluster etabliert. Dies ist ein Netzwerk von Unternehmen, Forschungsinstitutionen und Dienstleistern, das die branchenübergreifende Zusammenarbeit in den Leichtbautechnologien unterstützen und fördern soll. Themenschwerpunkte sind Werkstoffe, Konstruktion und Fertigung. Das sei notwendig, so der Cluster, weil Entwicklungszyklen immer kürzer werden und die Anforderungen an die Qualifikation der Mitarbeiter steigen.

Das Organisationsteam des Leichtbau-Clusters unterstützt seine Partner dazu in den Bereichen Information und Kommunikation, Qualifizierung, Kooperation sowie bei PR und Marketing und hilft bei der Initiierung, Organisation und der Durchführung von Forschungsprojekten.

Unlängst haben sich neun Industriepartner und drei Institutionen zum Projekt »Innovative Mineralschaum-Verbundapplikationen für den Leichtbau« (IMVAL) zusammengeschlossen.

Leichtbau in der Praxis

Leichtbau offenbart sich am besten aber durch Produkte und im praktischen Einsatz. So ist seit einiger Zeit die Sicherheits-Leichtbaukupplung SL von R+W aus Klingenberg in aller Munde.

Auf Basis völlig neuartiger technischer Werkstoffe und einer extrem verschleißfesten Beschichtung ist den Ingenieuren gelungen, das Gewicht der Kupplung im Vergleich zu Standardkupplungen um 70 Prozent zu reduzieren. Auch die Dreh- und Ausrückdrehmomente seien jetzt 30 Prozent höher, so der Hersteller.

Trotzdem ist auch die leichte SL-Baureihe absolut spiel- und wartungsfrei. Dies wird durch das spezielle Federvorgespannte Kugelrastprinzip gewährleistet. Die Spielfreiheit wird über einen speziellen Verzahnwinkel für die Bohrungen realisiert.

Auch in der Antriebstechnik beheimatet ist das Kegelradgetriebe Typ L von Atek. Der Einsatz hochfester Aluminiumgehäuse bringt ein deutlich minimiertes Gewicht, zudem ist das Getriebe laut Hersteller viel beständiger gegen Korrosion und extreme Temperaturen. Trotz der leichten Bauweise bietet es Ganggenauigkeit und eine maximale Laufruhe.

Neues Team für neue Werkstoffe

Wie schon angeklungen, sind vor allem Werkstoffe ein zentraler Angriffspunkt, wenn es um Leichtbau geht. Das gilt auch für den Automobilbau. Darum hat BASF ein Composite-Leichtbau-Team gegründet, das sich um die Entwicklung von marktfähigen Materialien und Technologien zur Fertigung von Hochleistungsfaserverbund-Bauteilen für den Automobilbau kümmert. Denn nur mit leichten, aber anspruchsvollen Composite-Bauteilen, so der Tenor bei BASF, lässt sich noch mehr Metall ersetzen und somit Energieverbrauch und CO2-Emission weiter vermindern.

Das neue Team entwickelt und untersucht derzeit drei verschiedene Kunststoffmatrix-Systeme parallel. In enger Zusammenarbeit mit den Kunden ist man dabei, maßgeschneiderte Konzepte für die neuen Werkstoffe weiterzuentwickeln. »Wir können hier auf das BASF-Know-how in der Epoxidharz-, der Polyurethan- und der Polyamid-Chemie zugreifen, wollen im Team die Synergien nutzen und werden in den nächsten Jahren einen zweistelligen Millionenbetrag in die Entwicklung investieren«, erläutert Willy Hoven-Nievelstein, Leiter der Geschäftseinheit Engineering Plastics Europe bei der BASF.

Komplexe Verbundteile

Die Experten von BASF haben das Verfahren »Resin Transfer Molding« (RTM) entwickelt, mit dem große und komplexe Verbundbauteile in einem Press-Form-Prozess entstehen. Mehrlagige Faserverbundwerkstoffe werden dabei in ein beheiztes Werkzeug eingelegt, das sich in einer Presse befindet. Ein flüssiges Kunstharz benetzt sodann die Fasern vollständig und der Werkstoff kann kontrolliert aushärten.

Im neu gegründeten RTM-Labor in Ludwigshafen sowie bei der Polyurethan-Forschung in Lemförde arbeiten die BASF-Experten an den chemischen und technischen Herausforderungen, die die neu geschaffenen Matrixsysteme mit sich bringen.

Weitere Schwerpunkte sind Carbon- und Glasfasern als Endlosmaterialien für Strukturbauteile. Sie sind heute schon im Flugzeugbau, in der Windenergiegewinnung, im Anlagenbau oder im Prototypenbau im Einsatz. Carbonfasern bieten als Verstärkungsmaterial sehr hohe Steifigkeit.

Multimaterialsysteme aus Kunststoffmatrix und Faserverstärkung werden laut BASF zu einer Gewichtsreduktion von etwa 50 Prozent gegenüber konventionellen Metallteilen führen.

»Ohne solche Multimaterial-Systeme wird der nächste große Sprung im automobilen Leichtbau nicht möglich sein«, so Volker Warzelhan, Leiter der Forschung Thermoplastische Kunststoffe der BASF.

In der Handhabung tritt Festo mit der Leichtbaulösung H-Portal EXCH an und hat dafür sogar den Intersolar Award 2010 gewonnen. Aufgrund des Leichtbaus und einer optimalen Nutzung des gesamten Raums baut es laut Hersteller sehr kompakt und flach, ist aber sehr stabil bei einer hohen Lebensdauer.

Auf diese Weise sei es wirtschaftlich in Anschaffung und Betrieb. Reduzierte bewegte Massen und maximierte Dynamik erreicht Festo durch feststehende Motoren und durch ein optimiertes klassisches Energieführungskonzept.

uperleichte Träger

Wo gehandhabt wird, sind auch Werkstückträger erforderlich. Dieses Gebiet ist prädestiniert für Leichtbaulösungen und das Metier von LK-Mechanik. Für einen großen Anlagenbauer realisierte das Unternehmen ein neues Werkstück-Trägersystem für Aktor-Bauteile. Als übergreifendes Ziel hatte der Kunde die Verbesserung der Energieeffizienz der Gesamtanlage definiert.

LK Mechanik entschied deshalb, das neue System in Aluminium mit einer Blechwandstärke von 1,5 Millimetern auszuführen. So entstand eine Leichtmetalllösung, die mit nur noch 0,7 Kilogramm Eigengewicht erheblich weniger wiegt als eine vergleichbare Edelstahlvariante mit 1,7 Kilogramm. Dank der neuartigen Konstruktion reduzierte sich das Gewicht um 59 Prozent.

Das führt auch zu einer Energieeinsparung: So lässt sich beispielsweise die komplette Antriebstechnik der Montageanlage schlanker dimensionieren und auch die thermische Behandlung der Werkstücke in den Aluminiumrahmen erfordert einen deutlich geringeren Energieeinsatz.

Schon eine geraume Zeit ist der modulare Leichtbauarm von Schunk auf dem Markt. Durch die Verlagerung der Elektronikplatinen in die so genannten Power Cube-Gelenkeinheiten konnten die Module wesentlich kompakter ausfallen. In Verbindung mit leichten und hochsteifen Materialien ist die Nominaltraglast des Arms mit fünf Kilogramm jetzt dreimal so hoch.

Anwender können mit dem Leichtbauarm jetzt Roboterstrukturen mit bis zu 32 Gelenken konzipieren. Sie sind je nach Ausführung sechs bis acht Mal leichter als herkömmliche Roboter und bieten ein Eigenarm-Traglast-Verhältnis von etwa 2:1. Zudem verfügt der Leichtbauarm jetzt über sieben statt sonst nur sechs Freiheitsgrade.

Auf einen Blick:

- In der Natur sehr häufig zu beobachten.

- Der Mensch hat das Prinzip übernommen und forscht schon lange an Leichtbaukonzepten.

- Elementar ist die Einsparung von Gewicht.

- Wichtigste Einflussfaktoren sind spezielle Werkstoffe und eine richtige Formgebung.

- An verschiedenen Lehrstühlen werden Studenten an die Grundsätze des Leichtbaus herangeführt.

- Derzeit verstärken die Unternehmen ihre Leichtbauaktivitäten mit neuen konstruktionellen Ansätzen und Produkten.

Erschienen in Ausgabe: 07/2011