Wir zeigen die wichtigsten Strategien des Leichtbaus

Anwendertreff Leichtbau Wir zeigen die wichtigsten Strategien des Leichtbaus

23.05.2017Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Am 30. und 31. Mai 2017 findet in Würzburg der 2. Anwendertreff Leichtbau statt. Teilnehmer können sich hier über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren.

Anbieter zum Thema

Proto Labs Germany GmbH

Institut für Verbundwerkstoffe GmbH

Bionic Production GmbH

PL DE Holding GmbH

ETH Zürich

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Die leichten Flügel der Libelle werden durch eine komplexe Flügeladerung stabilisiert –  ein bionisches Vorbild für den Leichtbau.
(Bild: Cadera Design)

Welcher Werkstoff erfüllt am besten die gestellten Anforderungen? Wie konstruiere ich leicht und dennoch stabil? Lassen sich bionische Strukturen fertigen? Und wie können Funktionen integriert werden? Auf diese Fragen werden namhafte Referenten beim 2. Anwendertreffs Leichtbau in Würzburg Antworten geben. Im Mittelpunkt stehen die Themen Werkstoffauswahl, Verbundwerkstoffe, Strukturoptimierung und Additive Fertigung.

Das zweitägige Forum 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. Zehn Vorträge informieren über die neuesten Entwicklungen und zeigen Best-Practice-Beispiele auf. In zusätzlichen Praxisforen können die Teilnehmer ihre Kenntnisse vertiefen und Fragen diskutieren. Eine Ausstellung ergänzt den Anwendertreff. Einen Vorgeschmack auf das Programm geben drei Referenten:

Am Abend lädt das Ambiente des staatlichen Hofkellers in der Würzburger Residenz nach einer Führung und Weinprobe zum Netzwerken ein.

Leichtbau durch geeignete Werkstoffe

Leichtbau, also das Bestreben das Verhältnis zwischen Belastbarkeit und Gewicht einer Konstruktion zu vergrößern, ist mit verschiedenen Ansätzen möglich. Die am häufigsten verwendete Strategie ist der werkstoffliche Leichtbau, d. h. der Einsatz anderer Werkstoffe. Fast immer ist Leichtbau ein Kompromiss zwischen Kosten und Gewicht, wodurch die Kosten des neuen Werkstoffs aber auch der damit verbundenen Änderungen in Konstruktion, Erprobung, Fertigung, Instandhaltung und Recycling bei der Anwendung werkstofflichen Leichtbaus betrachtet werden müssen.

Prof. Dr.-Ing. Jochen Dörr, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Experte für Produktentwicklung - Leichtbau - Umformtechnik wird in seinem Vortrag die häufig eingesetzten metallischen Werkstoffe (Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan) sowie Faserverbundwerkstoffe und Kunststoffe, vergleichend dargestellen. Da der Leichtbau auch zu mehr Hybridbauweisen führt, werden neben Überlegungen zur Auswahl geeigneter Werkstoffe auch die mit Multimaterialmix verbundenen Problemfelder Fügen und Korrosion betrachtet.

Leichtbau durch Verbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe bieten durch ihr Eigenschaftsprofil ein hohes Potential für den Leichtbau im Fahrzeug- und Maschinenbau. In erheblich größerem Maße als bei Metallkonstruktionen ist jedoch bereits in der Entwicklungsphase von Faserverbundbauteilen die Betrachtung vorgesehener Fertigungsverfahren und Bauweisen für eine vollständige und wirtschaftliche Nutzung der Werkstoffe erforderlich. Bereits früh im Konstruktionsprozess müssen daher die wesentlichen Randbedingungen ermittelt werden.

Prof. Dr.-Ing. Joachim Hausmann, Institut für Verbundwerkstoffe der TU Kaiserslauten, Leiter Bauteilentwicklung wird in seinem Vortrag einen Einblick in das Vorgehen der Bauteilentwicklung mit Verbundwerkstoffen gegeben. Basierend auf den Materialeigenschaften und möglichen Fertigungsverfahren erfolgt zunächst eine Auswahl, mit der eine Vorauslegung erfolgen kann. Da durch das Zusammenfügen von Verstärkungsfasern und Kunststoffmatrix der eigentliche Werkstoff erst während der Bauteilfertigung entsteht, erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung von Material, Fertigung und Bauweise.

Leichtbau durch Strukturoptimierung

Die Bionik analysiert die erfolgreichen Lösungsstrategien der Natur, um diese für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Im Leichtbau wird bei der Gestaltung neuer Strukturen vermehrt auf biologische Vorbilder zurückgegriffen, da sie zu höchster Stabilität bei geringstem Materialeinsatz verhelfen. Computerprogramme sind heute in der Lage, diese Strukturen zu berechnen und konstruktiv in das zu fertigende Bauteil einfließen zu lassen.

So wird Dr. Iwiza Tesari vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Simulationsmethoden vorstellen, die auf der Grundlage von Bäumen und Knochen ein lastangepasstes Wachstum simulieren. Sebastian Möller vom Alfred-Wegener-Institut hingegen wird mit der Vorstellung des ELiSE-Verfahrens eine Möglichkeit aufzeigen, wie durch eine parametrische Optimierung mit Algorithmen auf Planktonbasis zusätzlich zur Topologieoptimierung noch mehr Gewicht eingespart werden kann.

Schließlich wird der Softwareanbieter Altair anhand von drei Beispielen die Strukturoptimierung für ein Gussbauteil, für ein additiv zu fertigendes Bauteil und für ein Compositebauteil ausführlich erläutern.

Komplex: Bei einem Cobot muss das komplette mechatronische System in die Entwicklung einbezogen werden. (Altair)

CAD-Zeichnung der gewichtsoptimierten Rohr-Balkenstruktur im unteren Rahmen des AWI-Bionic-Bike. (Alfred-Wegener-Institut, Paul Bomke)

Leichtbau durch Additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren sind besonders gut geeignet, hochkomplexe last- und gewichtsoptimierte bionische Strukturen aus Leichtbaumaterialien zu fertigen, die konventionell so nicht herstellbar sind.

Dr.-Ing. Christoph Klahn, Experte für additives Design an der ETH Zürich, zeigt in seinem Vortrag, wie geeignete Bauteile und -gruppen für die Additive Fertigung in einem Produkt identifiziert werden können und welches Vorgehen bei der nachfolgenden Konstruktion die Möglichkeiten der Additiven Fertigung optimal ausschöpft.

Neben der technischen Machbarkeit müssen auch die rechtlichen Herausforderungen berücksichtigt werden. Daher erläutert der Rechtsanwalt Dr. Andreas Leupold wie die Integration des 3D-Drucks in die Lieferkette durch vertragliche Regelungen abgesichert werden muss und was bei der Auslagerung der additiven Fertigung auf externe Dienstleister zu beachten ist, damit das geistige Eigentum an Konstruktionsdetails und Designs nicht verloren geht. Weiterhin geht er der Frage nach, wem die (Maschinen-)Daten gehören, die für die additive Fertigung benötigt werden und die während der Produktion erzeugt werden. Schließlich wird gezeigt, an welchen Stellen der additiven Fertigungskette Haftungsrisiken bestehen und warum die Einhaltung technischer Normen allein nicht genügt, um eine Haftung für additiv gefertigte, mangelhafte oder fehlerhafte Produkte zu vermeiden.