Rückblick 3. Anwendertreff Leichtbau Vielfältige Lösungen für leichte Bauteile

Am 4. und 5. Dezember fand in Würzburg der 3. Anwendertreff Leichtbau statt. 70 Konstrukteure und Entwickler waren gekommen, um sich zum Konzept-, Struktur-, Werkstoff- und Fertigungsleichtbau auszutauschen.

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RWTH AACHEN Institut für Maschinenlemente und Systementwicklung

Additive Works GmbH

Sidrag AG

Altair Engineering GmbH

EJOT SE & CO. KG

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Hochschule Ostwestfalen Lippe

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Topologieoptimierung, Bionik, Funktionsintegration, Multi-Material-Bauweise, passende Fügetechnologien, Faserverbundstrukturen, Additive Fertigung und Druckguss – das waren die dominierenden Themen der zweitägigen Veranstaltung. Die leichtbauinteressierten Teilnehmer konnten sich in verschiedenen Vorträgen einen Überblick zum Konzept-, Struktur-, Werkstoff- und Fertigungsleichtbau zu verschaffen. In Praxisforen wurden die Leichtbaustrategien vertieft und Lösungen für die tägliche Arbeit gezeigt. Zusätzliche Informationen gab es bei den Ausstellern. So erklärte Altair anschaulich die Simulationssoftware Inspire, mit der u.a. eine Topologieoptimierung von Bauteilen erfolgen kann. Die Firma Sidrag aus der Schweiz brachte nicht nur leichte Druckgusskomponenten aus Magnesium und Aluminium mit, sondern auch den DTM-Rennfahrer Nico Müller. Pöppelmann präsentierte seinen Geschäftsbereich K-Tech, der leichte Kunststoffteile im MuCell-Verfahren oder mit funktionalisierten Organoblechen produziert. Und das Start-up Lignoa überraschte mit dreidimensionalen Rohrkonstruktionen aus Holz.

Software unterstützt den Konzeptleichtbau

Die Wahl des Konzeptes bestimmt maßgeblich das Gewicht. Ist eine Differentialbauweise in Form von einzelnen Modulen die richtige Wahl oder führt eher eine funktionsintegrierende Bauweise ans Ziel? Sebastian Stein von der RWTH Aachen zeigte an einem Beispiel, dass die Kombination aus beiden Bauweisen das geringste Gewicht und die kostengünstigste Lösung ergeben kann. Auch die Multi-Material-Bauweise bietet sich als Konzept an. Jedoch ist die Größe des möglichen Lösungsraumes eine Herausforderung. Tim Fröhlich von der TU Braunschweig stellte Softwaretools vor, die Multi-Material-Konzepte bewerten und so bei der Entwicklung kostengünstiger Multi-Material-Bauteile unterstützen. Auch die Simulation spielt in dieser Phase eine große Rolle. Felix Radisch von Altair machte den Vorteil vergleichender Konzepte klar und zeigte die Möglichkeiten der Softwaresuite Inspire auf.

Strukturleichtbau nach dem Vorbild der Natur

Im Leichtbau wird vermehrt auf bionische Vorbilder zurückgegriffen, da diese zu höchster Stabilität bei geringstem Materialeinsatz verhelfen. Wie die Bionik in Entwicklungsprozesse integriert werden kann, erläuterte Prof. Dr. Heike Beismann von der Westfälischen Hochschule. Sie benannte jene Arbeitsabschnitte, in denen der Einsatz von Bionik besonders erfolgversprechend ist, und zeigte auf, was bei der Durchführung beachtet werden sollte. Prof. Dr. Hans-Joachim Weber von der HTW Saar nahm den Faden auf und vertiefte die bionische Lösungssuche.

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Aber nicht nur das Bauteil im Ganzen kann von der Gestalt her optimiert werden. Auch auf den Querschnitt lassen sich hocheffiziente Prinzipien der Natur übertragen: So wurden mehrdimensional versteifende bionische Wölbstrukturen für dünnwandige Materialien, biomimetrisch optimierte Zellstrukturen für den 3D-Druck und belastungsgerechte Organo-Sandwichstrukturen mit angespritzten Funktionselementen vorgestellt.

Materialleichtbau systematisch betreiben

Neben dem Strukturleichtbau können durch den Materialleichtbau weitere Potenziale erschlossen werden. Marian Kozlowski von der RWTH Aachen erklärte: „Besonders in Unterstrukturen mit einem klar dominierenden Spannungszustand ermöglicht eine optimale Werkstoffauswahl Gewichtseinsparungen. Diese Werkstoffauswahl erfordert ein methodisches Vorgehen mit effizienter Einbindung in den Entwicklungsprozess, um aus dem stetig wachsenden Werkstoffangebot die beste Option für eine Unterstruktur zu ermitteln.“ Er stellte diesen methodischen Werkstoffauswahlprozess von den Ergebnissen einer Topologieoptimierung bis zur Festlegung des Werkstoffs vor.

Faserverbundwerkstoffe schneiden bei der Materialauswahl unter Leichtbauaspekten besonders gut ab und finden neben der Luftfahrt und dem Fahrzeugbau zunehmend auch im Maschinenbau Anwendung. „Durch die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten lassen sich die Bauteile anwendungsspezifisch optimieren“, erklärte Jürgen Filsinger vom Fraunhofer IGCV. „Die unzähligen Freiheitsgrade erstrecken sich hin bis zur Bauteilherstellung, wo es gilt, abhängig von den gewählten Materialien, der Bauweise und Bauteilgestaltung sowie den angestrebten Durchlaufzeiten und Losgrößen, die ideale Fertigungsprozeßkette zu entwickeln.“ Umgesetzte Beispiele aus dem Maschinenbau zeigte Christoph Albani von LiCoMo. Doch wie lassen sich Faserverbundstrukturen ohne aufwändige Finite-Element-Programme auslegen? Andreas Hauffe von der TU Dresden erklärte das kostenlose Laminatberechnungsprogramm eLamX² , welches den Ingenieur während der Vorauslegung unterstützen kann.

Angepasste Fügetechnologien

Da durch eine methodische Werkstoffauswahl Hybridstrukturen entstehen, müssen die Fügetechnologien den artungleichen Werkstoffen angepasst werden. Welche Fügemöglichkeiten es für Faserverbundwerkstoff/Metall- sowie Metall/Metall-Mischbauweisen gibt, stellte Dr. Jens Standfuß vom Fraunhofer IWS vor. Im Detail erklärten Bernd Scholl von Delo, was beim strukturellen Kleben von Faserverbundwerkstoffen mit Metallen beachtet werden muss und Dr. Thomas Weinberger von Stirtec, wie unterschiedliche Leichtmetalle dauerhaft durch Rührreibschweißen verbunden werden können.

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Fertigungsleichtbau mit ausgewählten Technologien

Eine Möglichkeit topologie- und formoptimierte Bauteile herzustellen, ist die Additive Fertigung. Die Verbesserung der Maschinen und -Prozesse ermöglicht heute zunehmend die direkte Fertigung von Endanwenderteilen. Prof. Dr.-Ing. Franz-Josef Villmer von der HS Ostwestfalen-Lippe sagte: „Das Potenzial der Additiven Fertigung lässt sich nur dann voll ausschöpfen, wenn die Konstruktion auf die durch Additive Fertigung erweiterte Gestaltungsfreiheit ausgerichtet ist und die Konstrukteure mit den Möglichkeiten und Beschränkungen vertraut sind“. So stellte Stefan Lammers vom DMRC Konstruktionsrichtlinien für additiv zu fertigende Bauteile vor und Daniel Schröder von EOS zeigte eine Methode auf, wie Bauteile für die additive Fertigung identifiziert werden können.

Aber auch im Druckguss sind leichte Bauteile umsetzbar. Der Werkstoff Magnesium hat hier großes Potenzial, wie Eugen Vigini von Sidrag resümierte.

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3. Anwendertreff Leichtbau

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