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Werkstoffauswahl Die richtige Werkstoff-Kombination erhöht den Fahrspaß

| Autor / Redakteur: Dr. Charlie Bream und John Downing / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Moderne Longboards sind cool. Sie sehen nicht nur cool aus, auch das, was man mit diesen Sportgeräten tun kann, klingt cool - sei es nun Cruisen, Downhill Racing, Sliding oder Dancing. Ein Blick hinter die Kulissen der Entwicklung eines Longboards zeigt, dass nicht nur das Endprodukt cool ist sondern auch die Technik und das Entwicklungs-Knowhow, das für ein optimal entwickeltes Longboard-Design eingesetzt wird.

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Mithilfe der softwaregestützen, intelligenten Auswahl des passenden Verbundwerkstoffes wurden die Leistungseigenschaften eines Longboards deutlich verbessert.
Mithilfe der softwaregestützen, intelligenten Auswahl des passenden Verbundwerkstoffes wurden die Leistungseigenschaften eines Longboards deutlich verbessert.
(Bild: Force Technology)

Force Technology, ein Technik-Dienstleister aus Dänemark, hat sehr viel Erfahrung mit dem Design von Verbundmaterialien und erforscht sowohl die spezifischen Eigenschaften des Materials als auch mögliche neue Einsatzgebiete. In diesem Zusammenhang haben sich der Spezialist für Verbundwerkstoffe Benjamin Hornblow und sein Team vor kurzem der Herausforderung gestellt, ein neues Longboard zu entwerfen. Ziel des Designs war es, die ideale Zusammensetzung des Boards aus Verbundmaterial zu finden, um so die Leistung zu optimieren, das Gewicht zu reduzieren und die Vibrationen, die bei der Fahrt mit einem Longboard entstehen, besser zu absorbieren.

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Das Team hat sich dafür alle derzeit bei Longboards gängigen Materialien angesehen – von Ahorn über Bambus bis hin zu verschiedenen anderen Werkstoffkombinationen – und hat die Eigenschaften und das Leistungspotenzial der jeweiligen Materialien verglichen. Der übliche Aufbau eines heutigen Boards besteht aus einer Sandwichstruktur, mit einer unteren, kohlefaserverstärkten Schicht, einer Kernschicht aus Ahorn und einer oberen, glasfaserverstärkten Schicht. Dieser Aufbau wurde als Referenz für das neue Design verwendet. Daraufhin wurde die Leistungsfähigkeit von Verstärkungsfasern, die als wichtigstes, strukturelles Bauteil dienen sollen, untersucht und fünf natürliche Fasermaterialien - Baumwolle, Flachs, Hanf, Jute und Kenaf - mit industriell hergestellten Materialien wie Glas- und Kohlefasern verglichen.

Ergänzendes zum Thema
Fit machen für Leichtbau-Lösungen

Der 2. Anwendertreff Leichtbau der konstruktionspraxis-Akademie findet am 30. und 31. Mai 2017 in Würzburg statt. Er richtet sich an Produktentwickler und Konstrukteure im Maschinen-, Anlagen-, Geräte- und Fahrzeugbau, deren Aufgabe es ist, das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, damit Energie und Material eingespart oder Kosten gesenkt werden können.

Während beim 1. Anwendertreff Leichtbau die Grundlagen des werkstofflichen, konstruktiven und fertigungstechnischen Leichtbaus vermittelt wurden, vertieft die Veranstaltung in diesem Jahr die Themen Werkstoffauswahl, Topologieoptimierung, Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.

Vorträge informieren über die neuesten Entwicklungen und zeigen Best-Practice-Beispiele auf. Zusätzlich gibt es Praxisforen und eine Ausstellung. www.anwendertreff-leichtbau.de

Per Datenbank zum richtigen Werkstoff

Im ersten Ansatz wurden Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften der Werkstoffkandidaten untersucht. Dazu wurden mit der Software CES Selector von Granta Design die in Frage kommenden Materialien identifiziert. Heraus kam, dass Flachsfasern im gleichen Steifigkeitsbereich lagen wie Glasfasern, beide Werkstoffe jedoch deutlich hinter die Steifigkeit von Kohlefasern zurückfielen.

Wenn man die Zugfestigkeit verglich, konnten die natürlichen Fasern nicht mit den synthetischen mithalten, dennoch war ihre Leistung für ein steifigkeitsgetriebenes Design ausreichend. Beim Vergleich der mechanischen Verlustkoeffizienten wurde deutlich, dass die Dämpfungseigenschaften von Flachsfasern dreimal höher waren als die von Glas- oder
Kohlefasern.

Das beste Material grafisch identifizieren

Dieses Ergebnis führte dazu, dass die Ingenieure sich bei der Auslegung des Boards für eine Kombination aus Flachs- und Kohlefaserverstärkung entschieden. So wurden die Steifigkeitseigenschaften der Kohlefasern mit den Dämpfungseigenschaften der Flachsfasern vereint. Da Flachs darüber hinaus auch leichter ist als Kohlefaser, konnten so auch potentielle Gewichtsvorteile des Materials genutzt werden.

Mit dem Synthesizer Tool aus CES Selector hat das Team anschließend die Leistung des Referenzboards und des neuen Boards mit bis zu sieben Lagen Verbundmaterial modelliert. Anschließend wurde eine grafische Auswertung, bei der die Biegesteifigkeit gegen die Dichte dargestellt wurde, mit einer Indexlinie versehen. Diese zeigte, wie sich ein leichtes, steifes Panel bei einer Biegung verhält. So konnte das Team identifizieren, welche Materialien am besten geeignet sind. Ein Board aus Flachsfaser/Epoxidharz-Verbundmaterial würde schlechtere Eigenschaften haben als ein Board aus Ahorn, während Bambus noch besser geeignet wäre. Zur Überraschung aller zeigte das Referenzboard keine besseren Eigenschaften als das Board aus reinem Bambus.

CES Selector- ein Überblick im Video:

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