Möglichkeiten des Werkstoff-Leichtbaus

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Auf den Werkstoff Stahl normiert

Abbildung 1 zeigt deshalb oben eine Tabelle mit Gütekennzahlen, die die Spanne der Eigenschaftsvarianz eines Werkstoffs wiedergeben. Die Tabelle zeigt, dass bei Verbundwerkstoffen wie Holz oder faserverstärkten Kunststoffen zusätzlich der E-Modul und die Dichte mit den eingesetzten Werkstoffen (Fasertyp und Matrixwerkstoff), deren Anteilen (Faserdichte) und geometrischer Ausrichtung zur Belastung (Faserorientierung, Lagenaufbau bei mehreren Schichten) teils erheblich variieren, weil Faserverbunde eigentlich keine Werkstoffe, sondern selbst Konstruktionen aus Fasern mit Orientierung in einer Matrix sind.

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Die Tabelle wurde auf den im Maschinenbau meist verwendeten Werkstoff Stahl normiert, so dass alle Tabellenwerte direkt angeben, um wie viel leichter oder schwerer eine geometrisch ähnliche Konstruktion aus einem Werkstoff bezogen auf Stahl ist. So kann z.B. eine zugbelastete Strebe aus GFK, wenn sie nach Festigkeit ausgelegt wird, um den Faktor 1,19 bis 15,86 leichter sein als eine Strebe aus Stahl, je nachdem welche Legierungen, bzw. welcher Faserverbund als Bezug benutzt wird. Muss die Strebe hingegen auf Steifigkeit ausgelegt werden, wird sie in GFK nur 0,37 bis 0,93 mal so leicht, also mindestens 7 % schwerer.

Interessant ist bezüglich der Gütekennzahl für Längssteifigkeit auch, dass hier die metallischen Konstruktionswerkstoffe alle etwa gleich geeignet sind. Aus diesem Grund bietet ein Werkstofftausch keinen Vorteil – nur CFK ermöglicht in diesem Zusammenhang mehr Leichtbau.

Da die in der Literatur häufig verwendeten Tabellen wenig anschaulich sind, verdeutlicht der untere Teil von Abbildung 1 nochmals graphisch den eben beschriebenen Zusammenhang. Die Tabellen, bzw. entsprechende Diagramme, wie Abbildung 1 unten, erlauben eine gute Zuordnung der Werkstoffeignung zu bestimmten Belastungsfällen und ermöglichen so eine schnelle Vorauswahl.

Die mechanischen Eigenschaftswerte, die in Gütekennzahlen ausgedrückt werden können, sind aber nicht die einzigen Aspekte, die bei der Werkstoffauswahl zu berücksichtigen sind: Hinzu kommen weitere technologische Kennwerte, wie Dauerfestigkeit, Bruchdehnung und -zähigkeit, Temperaturfestigkeit oder Wärmeausdehnungskoeffizient sowie weitere Werkstoffeigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Form-, Trenn- und Fügbarkeit und andere, auf die detaillierter einzugehen den Rahmen dieses Artikels sprengt.

Leichtbau muss wirtschaftlich sein

Leichtbau ist industriell aber nicht nur der technisch beste Kompromiss aus Gewicht und weiteren technologischen Anforderungen – er muss auch wirtschaftlich sein. Dieser Aspekt soll kurz betrachtet werden: Aus Kostengründen wird das Gros der Maschinenbauprodukte aus metallischen Konstruktionswerkstoffen hergestellt. Die mit Abstand wichtigsten sind dabei Stahl, Aluminium und Magnesium. Deren unterschiedliche Werkstoffeigenschaften beeinflussen aber nicht nur die Gütekennzahlen sondern auch die Verarbeitbarkeit zu Halbzeugen und Endprodukten und die damit verbundenen Kosten.

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