Fertigungstechnik und Leichtbau auf der EMO Hannover 2007

Um eine Reduktion des CO2-Ausstoßes auf den von der Politik geforderten Wert von 140 g pro Kilometer zu erzielen, ist die konsequente Anwendung von Leichtbaustrategien zur Reduktion des Fahrzeuggewichts und damit einhergehend der notwendigen Motorisierung bei der Fahrzeuggestaltung und -auslegung zielführend und notwendig.

Zur Anwendung kommen dabei die drei wesentlichen Leichtbaustrategien:

Stoffleichtbau: Austausch des ursprünglichen Werkstoffs durch einen anderen Werkstoff mit besseren gewichtsspezifischen Eigenschaften. Dies kann zum Beispiel durch die Substitution von konventionellen Stahlwerkstoffen durch neuartige, höherfeste Stähle, hochfeste Aluminiumlegierungen oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffe geschehen.

Formleichtbau: Anpassung der Werkstoffverteilung in der Tragstruktur. Durch gezielte Adaption der Werkstückmassen an die Belastungssituation werden Bereiche höherer Belastung verstärkt, während in gering ausgenutzten Bereichen Blechdicken oder Wandstärken reduziert werden. Beispielhaft hierfür sind sogenannte Tailored Components, bei denen es sich um Platinen handeln kann, die aus Blechen unterschiedlicher Blechstärke oder unterschiedlicher Werkstoffgüte zusammengeschweißt werden.

Bedingungsleichtbau: Gewichtseinsparung durch genaue Analyse der auftretenden Einsatzbedingungen und der Zuverlässigkeit der Gesamtkonstruktion. Durch gezielte Ermittlung auftretender Unsicherheiten bezüglich der Belastung wird der benötigte Werkstoffbedarf eingegrenzt und im Gegensatz zur Ursprungskonstruktion reduziert. Auslegungsbedingte Sicherheitsreserven können durch genauere Kenntnis der Einsatzbedingungen reduziert werden.

Typischerweise findet häufig eine Kombination aller drei Strategien Anwendung. Aus diesem Grund umfasst der Leichtbau sowohl die Bauteilauslegung und Konstruktion, die Fertigungsplanung und -technik sowie die Werkstoffkunde. Es handelt sich daher um eine multidisziplinäre ingenieurtechnische Konstruktionstechnik, die unter integrativer Nutzung aller konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel bei einer Gesamtstruktur und bei deren Elementen die Masse reduziert und die Gebrauchsgüte erhöht.

Leichtbau muss kein Kostentreiber sein

Dabei führt die Anwendung von Leichtbauprinzipien nicht notwendigerweise zu steigenden Herstellungskosten der Baugruppen oder des Gesamtproduktes. Vielmehr lassen sich durch die Einsparung von Werkstoff oder die Verkürzung von Prozessketten durch Funktionsintegration die Herstellungskosten deutlich reduzieren (Sparleichtbau). Betrachtet man darüber hinaus die Reduktion der Kosten für den späteren Betrieb, wird, wie z.B. im Bereich Luft- und Raumfahrt, auch einer Erhöhung der Herstellkosten zugunsten reduzierter Treibstoffkosten oder erhöhter Zuladung in Kauf genommen. In diesem Fall spricht man von Öko- bzw. Zweckleichtbau. Als Kennziffern tolerierter Mehrkosten für eine Gewichtsminimierung gelten ca. 5 euro/kg im Automobilbau, 250-500 Euro/kg in der Luftfahrt und 5000 Euro/kg in der Raumfahrt.

Unterschiedlichste Leichtbaukonzepte kommen zum Einsatz

In diesem Zusammenhang spielt die Fertigungstechnik im Allgemeinen und die Entwicklung innovativer Fertigungsverfahren zur Herstellung leichterer Bauteile im Besonderen eine maßgebliche Rolle. Durch die vielfältigen Randbedingungen von der Kleinstserie zur Massenfertigung und Bauteilabmessungen im Mikro- und Makrobereich bekommt der Einsatz unterschiedlichster Leichtbaustrategien ökonomische, ökologische und funktionale Relevanz.

Aktuelle Trends in der Anwendung von Leichtbaustrategien sind unter anderem

Fertigungsprozesse, bei denen die positiven Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe kombiniert werden (z.B. Kunststoff-Metall-Verbunde, Sandwich-Bauteile oder faserverstärkte Werkstoffe),

hybride Fertigungsprozesse, bei denen verschiedene Fertigungsverfahren kombiniert werden (z.B. hybride Fügeverfahren oder gemeinsame Umformung eines Kunststoff-Metall-Verbundes),

die Erforschung neuartiger Werkstoffe (z.B. „Nano“-Materialien),

die Weiterentwicklung rechnergestützter Design- und Auslegungsstrategien (z.B. Topologieoptimierung oder Berücksichtigung der Mikrostruktur) oder die die Anwendung von Prinzipien der Bionik zur Bauteil- bzw. Produktgestaltung.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Marco Schikorra, Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), Universität Dotmund, Tel. (0231) 755-2630, Fax (0231) 755-2489, marco.schikorra@iul.uni-dortmund.de

EMO Hannover: Leichtbau-Symposium am 18. September