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Leichtbau Möglichkeiten des Werkstoff-Leichtbaus

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Jochen Dörr* / Dorothee Quitter

Obwohl durch konstruktiven Leichtbau mehr Gewicht eingespart werden kann, verleitet die reine Werkstoffsubsti­tution zu schnellen Erfolgen. Doch so einfach ist es nicht.

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Leichtbau ist seit Jahren ein Trendthema. Doch obwohl durch konstruktiven Leichtbau meist größere Gewichtseinsparungen erzielbar sind als durch einen reinen Austausch des Werkstoffs, wird in der Praxis meist versucht, Leichtbau über einen anderen Werkstoff zu betreiben.
Leichtbau ist seit Jahren ein Trendthema. Doch obwohl durch konstruktiven Leichtbau meist größere Gewichtseinsparungen erzielbar sind als durch einen reinen Austausch des Werkstoffs, wird in der Praxis meist versucht, Leichtbau über einen anderen Werkstoff zu betreiben.
(Bild: D.Quitter/konstruktionspraxis)

Leichtbau lässt sich definieren als das Bestreben, eine Konstruktion so zu verändern, dass sich der Quotient aus Nutzgewicht zu Eigengewicht verbessert, ohne durch diese Veränderung die Funktionalität zu verschlechtern. Ein Ziel könnte also sein, z.B. die Nutzlast bei einem Fahrzeug zu erhöhen, ohne dass das Eigengewicht steigt; oder dass sich das Fahrzeuggewicht bei gleicher möglicher Nutzlast verringert, ohne Abstriche in der Funktion wie Sicherheits-, Komfort- und Assistenzsysteme vorzunehmen.

Leichtbau ist seit Jahren ein Trendthema. Doch obwohl durch konstruktiven Leichtbau meist größere Gewichtseinsparungen erzielbar sind als durch einen reinen Austausch des Werkstoffs, wird in der Praxis meist versucht, Leichtbau über einen anderen Werkstoff zu betreiben. Doch ein reiner Werkstofftausch ist kein guter Weg, denn ein anderer Werkstoff benötigt meist eine andere konstruktive Gestaltung (z.B. mehr Bauraum oder andere Radien) und/oder Fertigung, etwa Umform-, Urform- oder Fügetechnik.

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Aus technologischer Sicht bietet nur eine Kombination aus werkstofflichem und konstruktivem Leichtbau das größte Potential. Daher muss jeder, der leicht bauen will, die Möglichkeiten des werkstofflichen Leichtbaus kennen.

Gütekennzahlen erleichtern Beurteilung

Nimmt man zunächst die mechanischen Eigenschaften in den Fokus, ist es im Leichtbau üblich, die spezifischen, dichtebezogenen Eigenschaftswerte eines Werkstoffs zu betrachten. Bei den einfachen analytisch lösbaren Beanspruchungsfällen: Zug/Druck, Biegung, Torsion, Knicken von Stäben und Beulen von Platten, kann man leicht zeigen, dass die erforderliche Masse von geometrischen und werkstofflichen Parametern abhängt.

Nimmt man die Geometrie als vorgegeben an, was technisch oft sinnvoll ist, etwa die vorgegebene Länge und der Bauraum der Konstruktion, so hängt das Gewicht letztlich von spezifischen Werkstoffkennwerten ab, die für diese Belastungsfälle als Gütekennzahlen bezeichnet werden und in der Leichtbauliteratur in Tabellen zu finden sind.

In diesen Tabellen werden aber häufig mittlere Materialkennwerte verwendet, um eine gemittelte Gütekennzahl anzugeben. Dies ist jedoch für die Nutzung dieser Kennzahlen zur Werkstoffvorauswahl nicht sinnvoll, da viele Werkstoffe eine so große Spanne an Eigenschaften besitzen, dass die Mittelwerte ohne Aussagekraft für einen konkreten Fall sind. Während zumindest bei den metallischen Werkstoffen einige Werte wie der E-Modul oder die Dichte sich kaum mit der Legierungszusammensetzung oder Wärmebehandlung ändern, gilt das für andere wichtige Werte wie die Zugfestigkeit in keinster Weise.

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