Leichtbau Engineering

Im Leichtbau-Engineering geht es um das Zusammenspiel unterschiedlicher Aspekte: Bauteilstruktur, Material und Fertigungsverfahren. Bereits in der Konzeptphase werden Bauteile mittels Simulation & Berechnung unter Berücksichtigung der vorgesehen Materialien und Fertigungsverfahren belastungsgerecht gestaltet. Auf diese Weise können die Konzepte frühzeitig bewertet werden und das Potential von Leichtbau-Konstruktionen auch bezogen auf die Wirtschaftlichkeit voll ausgeschöpft werden. 

Branchen, Produktanwendungen

Automotive/Transportation

PKW, LKW, Motorräder, Rennsport, Luftfahrt
Erfüllung von Normen, gesetzlichen Vorgaben
Reduzierung von Emissionen
Erhöhung von Transportkapazitäten (LKW/Flugzeug).

  • Karosserieaußenteile: Dächer, Türen, Motorhauben, Heckklappen, Kotflügel, Spoiler
  • Interieur/Innenraum: Sitze, Innenraumverkleidungen, Ladeböden, Ablagen
  • Tragstrukturen: Querträger, Bodengruppen, Trennwände
  • Abdeckungen
  • Unterbodenverkleidung
  • E-Mobility, Hochvolt-Komponenten: Batteriegehäuse, Stromschienen

Eisenbahn

Luftfahrt / Raumfahrt

Mobile Geräte und Komponenten

  • Medizintechnische Geräte: Notarzt-Tragegerüst, Liege, Bahre
  • Gartenpflege und Landwirtschaft: Gartengeräte
  • Haushalt: Reinigungsgeräte
  • Transportbehälter / Paletten / Verpackungen
  • Kinderwagen (Buggy) / Babyschalen
  • Rollatoren
  • Rollstühle

Sport, Outdoor, Freizeit

  • Fahrradkomponenten und -equipment
  • Helme (Motorradhelm, Skihelm, Kletterhelm)
  • Schuhe
  • Ski-Stöcke / Wanderstöcke
  • Musikinstrumente

Eine Leichtbau-Konstruktion bringt immer dann Vorteile, wenn einer oder mehrere der folgenden Punkte entscheidend sind:

  • Verbesserung der Energieeffizienz
  • Erleichterung der Benutzbarkeit
  • Einhaltung gesetzlicher Vorgaben

Aspekte des Leichtbau-Engineerings

Bauteilstruktur

Die Bauteilstruktur wird im Engineeringprozess von Beginn an belastungs- und verfahrensgerecht dimensioniert bzw. ausgelegt. Topologieoptimierung ist ein wichtiges Hilfsmittel für diese belastungsgerechte Auslegung. Für diese CAE-Simulation müssen vollständige Informationen vorliegen zu

  • Bauraum
  • definierte Lasten/Lastfälle
  • Randbedingungen

Material

Im Leichtbau ist häufig von "Zukunftsmaterialien" die Rede. Dies sind Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe wie CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) und Endlosfaserwerkstoffe (endlosfaserverstärkte Thermoplaste).

Außerdem werden Tapes und Organobleche als thermoplastische Halbzeuge eingesetzt. Sie werden zur Funktionsintegration in vielen Fällen mit Thermoplasten umspritzt. Dabei verbinden sich Ausgangsmaterial und Umspritzung problemlos.

Auch metallische Werkstoffe spielen im Leichtbau eine große Rolle. U.a. werden Aluminium, Magnesium, Titan und hochfeste Stähle für Leichtbaustrukturen verwendet.

In vielen Fällen werden im Leichtbau unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert, um eine optimale Lösung zu erhalten. Hybride Strukturen und Multi-Material Bauteile nutzen in idealer Weise die Eigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe. 

Fertigung

Es gibt unterschiedliche Fertigungsverfahren im Leichtbaubereich mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften. Auch die Kosten etwa für Werkzeuge variieren. Häufig eingesetzte Fertigungsmethoden sind:

  • RTM (Resin Tranfser Molding), HP-RTM
  • CRTM (Compression RTM)
  • SMC (Sheet Molding Compound) – zur Verarbeitung duroplastischer Materialien. Erfordert Nacharbeit z. B. an Kanten und Verbindungsstellen
  • CCW (Crush Core Wetpressing)
  • Mucell-Verfahren
  • Wasserinnendruck-Spritzgießen
  • Spritzgießen bzw. Spritzguss – für die Großserie
  • Thermoformen – insbesondere für kleinere Serien wirtschaftlich

Als "Zukunftsmusik" gelten Verfahren des generativen Fertigens bzw. das „Additive Manufacturing“. Die additive Fertigung ermöglicht hohe Freiheitsgrade in der Bauteilstruktur („Complexity for free“) und jegliche Form von Anzahl an Varianten („Variants on demand“). Es handelt sich prinzipiell um eine Art "3D-Druck von Strukturbauteilen". Dies erlaubt mehr Freiheit in der Konstruktion und Entwicklung und geht bis hin zur werkzeuglosen Fertigung bzw. Fertigung ohne Rüstzeiten. Einige derartige Verfahren sind

  • Selective Laser Melting (SLM)
  • Fused Deposition Modelling (FDM)
  • Selektive Laser Sintering (SLS)

Engineeringprozess

Im Leichtbau unterscheidet sich der Entwicklungsprozess von der "konventionellen" Konstruktionsweise. Die grundlegende Bauteilstruktur ist schon vor der eigentlichen Konstruktion bzw. Bauteilauslegung weitgehend durch die Simulation ermittelt: Die Topologieoptimierung errechnet die auf den Lastfällen basierenden Kraftflüsse innerhalb des Bauraums und die resultierende Materialverteilung. Das ist die Grundlage für die Bauteilauslegung bzw. Bauteilstruktur. So entsteht von Beginn an eine belastungsgerechte Konstruktion.

Voraussetzung dafür ist, dass alle Lastfälle zu Beginn der Entwurfsphase bekannt sind: Welche Lastfälle treten wann auf? Wirken Lastfälle gleichzeitig? Und sind tatsächlich alle Lastanforderungen an das Bauteil bekannt? Nur wenn sämtliche Lastfälle für die Berechnung vorliegen ist es möglich, Überdimensionierungen zu vermeiden.

Typisch für den Leichtbau ist auch die parallele Betrachtung von unterschiedlichen Materialien und Fertigungskonzepten.

Herausforderungen und Risiken im Leichtbau

Wirtschaftlichkeit / Kosten

In einigen Verfahrens- und Materialfragen im Leichtbau gibt es noch wenig Erfahrungswerte. Daher können die Kosten stark von einzelnen Vorgehensweisen abhängen. Im Wesentlichen geht es um folgende Bereiche:

  • Entwicklung
  • Bauteil/Stückkosten
  • Material
  • Werkzeuge

Entwicklung & Konstruktion

Eine 1:1-Substitution gegen vorhandene Bauteile (Metallsubstitution, Metallersatz) ist häufig nicht umsetzbar. Vielmehr muss das Gesamtkonzept betrachtet werden.

Entscheidend ist, dass alle Anforderungen an das Bauteil bekannt sind. Alle Vorgänge und Belastungen während des Transports, Handlings und der Verarbeitung müssen einbezogen werden.

Fertigung

Zum Teil liegen weniger Erfahrungswerte zu speziellen Fertigungsverfahren des Leichtbaus im Vergleich zu anderen, etablierten und konventionellen Fertigungsverfahren vor.

Die Verfügbarkeit einiger Materialien ist teilweise eingeschränkt. Bestimmte Größenordnungen in der Serienfertigung sind dadurch möglicherweise gar nicht umsetzbar.

Die Anzahl an möglichen Lieferanten, sowohl für Material und Fertigung, ist teilweise ebenfalls eingeschränkt.

Lebensdauerbetrachtung, Versagensbeurteilung

Im Leichtbau stellt sich während der Produktlebensdauer häufig die Frage, wie Beschädigungen von Bauteilen und ganzen Produkten beurteilt werden können. Mit welcher Methode lässt sich feststellen, ob eine Reparatur möglich ist oder ein Bauteil/eine Komponente vollständig ausgetauscht werden muss? Der Austausch von Bauteilen oder Komponenten muss in der Konstruktion & Entwicklung von Anfang an berücksichtigt werden.

Recycling

Wie geht man mit beschädigten und zerstörten Komponenten um? Gibt es Möglichkeiten, die Rohstoffe wieder wirtschaftlich einzusetzen?

Leichtbau aus Aachen

M.TEC ist Gründungsmitglied des AZL (Aachener Zentrum für Leichtbau) und engagiert sich regelmäßig in diesem Leichtbau-Technologienetzwerk im Umfeld der RWTH Aachen.

Referenzen

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Daimler
Frimo
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