Leichtbau als interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft

1. Festigkeitslehre Konstruktionslehre Leichtbau Werkstoffkunde Fertigungstechnik VL1 Leichtbau als interdisziplinäreIngenieurwissenschaft

2. Werkstoffe des Leichtbaus • Leichtbau • Konstruktion von Leichtbaukomponenten, Bauweisen, Gestaltung • Festigkeit und Steifigkeit von Leichtbaukomponenten, Kennwerte • Werkstoffe und Fertigung von Leichtbaukomponenten, Auswahl • Metallische Leichtbauwerkstoffe, Festigkeit und Verformbarkeit • Stähle • Aluminiumlegierungen • Titanlegierungen • Magnesiumlegierungen VL1 Inhalt

3. Altenpohl D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, Springer, Berlin, 1965 • Aluminium-Taschenbuch, Band 1-3, Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 1996 • Ashby M.F., Jones D.R.H., Engineering Materials, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999 • Ashby M.F., Materials Selection in Mechanical Design, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000 • ASM Specialty Handbook, Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, Materials Park, OH, USA, 1993 • Kainer K.U. (Hrsg.), Magnesium – Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale, Wiley-VCH, Weinheim, 2000 • Klein B., Leichtbau-Konstruktion, Vieweg, Braunschweig, 2000 • Leichtbau-Handbuch, Band 1-5, Institut für Leichtbau und ökonomische Verwendung von Werkstoffen, Dresden, 1986 • Magnesium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 2000 • Materials Properties Handbook, Titanium Alloys, ASM Internat., Materials Park, OH, USA, 1994 • Ostermann F., Anwendungstechnologie Aluminium, Springer, Berlin, 1998 • Polmear I.J., Light Alloys, Arnold, London, 1999 • Toropova L.S. et al., Advanced Aluminum Alloys Containing Scandium, Overseas Publishers, Gordon and Breach, Amsterdam, 1998 • Werkstoffkunde Stahl, Band 1-2, Verein Deutscher Eisenhüttenleute, Springer, Berlin, 1984 • Zwicker U., Titan und Titanlegierungen, Springer, Berlin, 1974 VL1 Literatur

4. 1. Leichtbau • Aufgabenstellung des Leichtbaus:Minimales Bauteilgewicht unter maximaler Werkstoffausnutzung anstreben, ohne Funktion, Sicherheit und Langlebigkeit zu beeinträchtigen. • Leichtbau in der Verkehrstechnik (Kraftfahrzeugbau, Waggonbau, Flugzeugbau): Geringeres Gewicht  Nutzlaststeigerung, geringerer Energieverbrauch. Bsp. PKW: Masse –100 kg  Energieverbrauch –0,5 l/100km*, aber Masse Serienteil –1 kg  Kosten max. + 2,5 €*. • Luft- und Raumfahrt  häufig extremer Leichtbau. • Maschinen- und Fahrzeugbau, Restriktionen (Kosten, etc.)  optimierender Leichtbau. VL1 * Stand 2000 Aufgabenstellung des Leichtbaus

5. Materialkosten Stahl : Aluminium : GFK : AFK : CFK  1 : 5 : 10 : 100 : 500 Bereich desextremenLeichtbaus Material VL1 Klein, 2000 Optimierender LeichtbauIngenieur-, Material-, Fertigungskosten

6. Gesamtkosten incl.Betriebskosten Betriebskosten sindweitgehend proportionalzum Gesamtgewicht VL1 Optimierender LeichtbauIngenieur-, Material-, Fertigungs- und Betriebskosten

7. Maßnahmen zur Gewichtsminimierung • Realisierung fortschrittlicher Bauweisen • Einsatz leichter und hochfester Werkstoffe • Durchdringung des Belastungs- und Beanspruchungsfalls • Leichtbaustrategien • Formleichtbau: Durch bessere Kräfteverteilung und Formgebung ein hohes Tragvermögen einer Struktur erreichen. • Stoffleichtbau: Spezifisch schwere Werkstoffe durch leichtere und festere Werkstoffe ersetzen. • Bedingungsleichtbau: Infragestellung von überzogenen Sicherheitsforderungen. VL1 Maßnahmen zur Gewichtsminimierung

8. 2. Konstruktion von Leichtbaukomponenten • Häufig dünnwandige feingliedrige Strukturen: • Dimensionierung bezüglich Steifigkeit→ Elastizitätsmodul, • Dimensionierung bezüglich statischer Festigkeit→ Fließspannung, Zugfestigkeit, • Dimensionierung bezüglich dynamischer Festigkeit→ Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit (Wöhler-Diagramm), Mittelspannung (Haigh-Diagramm), • Dimensionierung bezüglich Schadenstoleranz → Rißwachstumsgeschwindigkeit, Rißzähigkeit. VL1 Konstruktion, Dimensionierung

9. Lebensdauersichere Konstruktion (safe-life design) • Bruch eines Bauteils hätte katastrophale Folgen für Gesamtstruktur. • Bruch (bzw. Anriß) darf innerhalb der geforderten Nutzungsdauer nicht auftreten. • Rechnerischer und experimenteller Nachweis erforderlich, daß ein Bruch (bzw. Anriß) innerhalb der geforderten Nutzungsdauer sehr unwahrscheinlich ist + Sicherheitsfaktoren • Ausfallsichere Konstruktion (fail-safe design) • Ein Bauteil darf einen Anriß oder Bruch erleiden, ohne daß Gesamtstruktur versagt. • Ausfallsichere Konstruktion wird durch mehrere Lastpfade erreicht. • Schadenstolerante Konstruktion(damage-tolerant design) • Anriß darf auftreten, muß aber rechtzeitig bei Inspektion entdeckt werden. • Voraussetzung ist Inspektion der Struktur, Entdeckung von Rissen. • Beurteilung der Risse mittels Bruchmechanik, Rißwachstum, Restfestigkeit VL1 Konstruktionsprinzipien

10. Leichtbauweisen können unterschieden werden hinsichtlich: • Funktion (Gewicht, Reparaturmöglichkeiten, Ermüdungsverhalten, Kerbwirkung, Korrosionsverhalten, etc.) Differentialbauweise,  Integralbauweise,  integrierende Bauweise,  Verbundbauweise. • Trageigenschaften  Fachwerkbauweise,  Vollwandbauweise,  Schalenbauweise. VL1 Konstruktion, Leichtbauweisen

11. Additive Zusammenfügung vieler Einzelteile (Nieten, Schweißen, Kleben, etc.) • Vorteile: Kombination unterschiedlicher Werkstoffe möglich, partielle Reparatur möglich, Nietlöcher können als Rißfallen oder –bremsen wirken. • Nachteile: Zusätzliches Gewicht der Überlappungen, Kerbwirkung und Korrosion von Fügestellen. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenDifferentialbauweise

12. Minimierung von Einzelteilen (Gießen, Schmieden, Strangpressen, Zerspanen, etc.) • Vorteile: Minimierung des Gewichts, keine Überlappungen, keine Kerbwirkung und keine Korrosion von Fügestellen. • Nachteile: stets gleichartiger Materialeinsatz, höhere Werkstoff- und Fertigungs- kosten, keine partielle Reparatur, kein wirksamer Widerstand gegen Rißwachstum. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenIntegralbauweise

13. Integration sinnvoll begrenzen, Teilintegration • Positive Merkmale der Differential- und Integralbauweise lokal nutzen: Kombination unterschiedlicher Werkstoffe möglich, partielle Reparatur möglich, Nietlöcher können als Rißfallen oder –bremsen wirken, Minimierung des Gewichts, weniger Überlappungen, weniger Kerbwirkung und Korrosion von Fügestellen. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenIntegrierende Bauweise

14. Verbundbauweise ist eine Differentialbauweise. • Vorteile: Optimale Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, um hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit bei minimalem Gewicht zu erreichen. • Nachteile: Aufwendige Fertigungstechnik, Fügetechnik. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenVerbundbauweise

15. Trageigenschaften: Aufgabenteilung, Fachwerk ist kräftetragend, Verkleidung ist kräftefrei. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenFachwerkbauweise

16. Trageigenschaften: Aufgaben Tragen und Verkleiden sind verknüpft, Verkleidung trägt überwiegend auf Schub, Gurte nehmen Einzelkräfte und Biegung auf. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenVollwandbauweise

17. Trageigenschaften: Aufgaben Tragen und Verkleiden sind verknüpft, durch Stringer und Spanten gleichmäßige Verteilung der Kräfte in Gesamtstruktur, Verkleidung trägt Schub- und Normalkräfte. VL1 Klein, 2000 Konstruktion, LeichtbauweisenSchalenbauweise

18. Gestaltungsprinzipien im Leichtbau • Möglichst direkte Krafteinleitung und Kraftausgleich • Möglichst großes Flächenträgheits- und Widerstandsmoment • Feingliederung von Strukturen • Stützwirkung durch Krümmung • Versteifung in Hauptbelastungsrichtung • Integratives Prinzip • Ausschöpfung von Konstruktionen • Erreichung vorgegebener Nutzungsdauern VL1 Konstruktion, Gestaltungsprinzipien

19. 1. Möglichst direkte Krafteinleitung. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau1. Krafteinleitung und Kraftausgleich

20. 1. Kraftausgleich. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau1. Krafteinleitung und Kraftausgleich

21. 2. Möglichst großes Flächenträgheits- und Widerstandsmoment. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau2. Flächenträgheits- und Widerstandsmoment

22. 3. Feingliederung von Strukturen, Versteifung durch aufgelockerte Bauweise. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau3. Feingliederung von Strukturen

23. 4. Erhöhung der Biege-, Knick-, Beulsteifigkeit von Platten durch Krümmung. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau4. Nutzung der Stützwirkung durch Krümmung

24. 5. Einbringung von konstruktiven oder werkstofftechnischen Anisotropien. z.B. taylored blanks (verschweißte Bleche unterschiedlicher Dicke und Qualität). VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau5. Versteifung in Hauptbelastungsrichtung

25. 6. Bevorzugung des integrativen Prinzips. VL1 Klein, 2000 Gestaltungsprinzipien im Leichtbau6. Integratives Prinzip

26. Zwei Möglichkeiten zur Dimensionierung: Dimensionierung nach Festigkeit - Belastung F - Spannung σn = - Ziel: • Dimensionierung nach Steifigkeit • Verformung ∆l • Dehnung εe = = = • Ziel: F ∆l σn F So lo E E·So möglichst hohe zulässige Belastung Fzul möglichst hohe zulässige Spannung σzul. möglichst geringe Verformung ∆l bzw. Dehnung εe bei gegebener Belastung F möglichst hoher E-Modul F Belastbarkeit Fzul=σzul·So Längssteifigkeit = E·So εe VL1 Dimensionierung eines Zugstabs

27. Kappilarverfahren z.B. Farbeindringverfahren • Magnetische und induktive Verfahren • z.B. Streuflussverfahren oder Wirbelstromprüfung • Schallverfahren z.B. Ultraschallprüfung • Strahlenverfahren z.B. mit Röntgenstrahlen VL1 Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

28. E σF ρ ρ √E √σF ρ ρ 3 2/3 √E σF ρ ρ G σF ρ ρ 2/3 σF √G ρ ρ 3 √G √σF ρ ρ VL1 Wegst, Ashby, 2001 Gütekennzahlen

29. VL1 Klein, 2000 Gütekennzahlentypischer Leichtbauwerkstoffe

30. VL1 Klein, 2000 Normierte Gütekennzahlen typischer Leichtbauwerkstoffe bezogen auf Al-Legierung

31. VL1 Gütekennzahlen und normierte Gütekennzahlen typischer Leichtbauwerkstoffe bezogen auf Mg-Legierung

32. VL1 Klein, 2000 Leichtbaukennzahlen (LBK) für Zugstäbe, typische Leichtbauwerkstoffe

33. cT = Torsionssteifigkeit [Nm] cT·SP LBK = mKarosserie SP = projizierte Grundfläche zwischen Radaufhängungen [m²] mKarosserie 3er BMW 1981 1987 1996 SP LBK [Nm3 /kg] 120 220 410 VL1 Leichtbaukennzahl Bsp.: Torsionssteifigkeit einer PKW-Karosserie

34. 4. Leichtbauwerkstoffe • 4.1 Einteilung • 4.1.1 Metallische Leichtbauwerkstoffe • Stähle: Kapitel 6 • Aluminiumlegierungen: Kapitel 7 • Titanlegierungen: Kapitel 8 • Magnesiumlegierungen: Kapitel 9 • 4.1.2 Polymerwerkstoffe (Kunststoffe) • Geringe Bedeutung für tragende Strukturkomponenten; geringe Festigkeit, Steifigkeit • Dichte  0,8 – 2,2 kg/dm³ • Elastizitätsmodul  500 – 3000 N/mm² • Zugfestigkeit  30 – 80 N/mm² • 4.1.3 Faserverstärkte Kunststoffe • Einbetten von Fasern in Kunststoffe, Aufnahme der Belastung überwiegend durch Fasern VL1 Leichtbauwerkstoffe Einteilung

35. Voraussetzungen: • Zugfestigkeit Rm,Faser > Rm,Matrix • Elastizitätsmodul EFaser >> EMatrix • Bruchdehnung AMatrix > AFaser • Gute Haftung zwischen Matrix und Fasern • Matrixwerkstoffe: • Thermoplaste: Polyamid, Polypropylen, Polybutylen, Polycarbonat, etc. • Duromere: Polyesterharz, Epoxidharz, etc. • Verstärkung: • Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK); Kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK); organische Fasern, Bsp. Aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK); etc. • Kugeln, Platten, Lamellen, Kurzfasern, Langfasern (Vlies, Matte, Gewebe, Band), etc. • Gerichtete / ungerichtete Anordnung der Fasern, Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe können richtungsabhängig sein. VL1 Faserverstärkte Kunststoffe

36. Aramide sind spezielle Gruppe der Polyamide Polyamide sind Polymerwerkstoffe (makromolekulare Ketten)aus Monomeren mit Peptidbindungen, Amiden Bsp. 1 Bsp. 2 mit R=organischer Rest Bsp. R Peptidbindung VL1 Aramidfaserverstärkte Kunststoffe

37. Faser-richtung senkrecht VL1 Klein, 2000 Faserverstärkte KunststoffeBeispiele

38. 4.2 Werkstoffauswahl • Kriterien: • geringe Dichte dichte- • hohe Festigkeit (Fließspannung, Zugfestigkeit, bezogene Dauerfestigkeit, etc.) Kenn- • hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul) größen • hohe Rißzähigkeit  damage-tolerant Philosophie • geringer Wärmeausdehnungskoeffizient  mechanische Spannungen • ggf. hohe Temperaturbeständigkeit der mechanischen Kenngrößen • gute Verarbeitbarkeit • geringe Materialkosten Stahl : Aluminium : GFK : AFK : CFK  1 : 5 : 10 : 100 : 500 } VL1 Werkstoffauswahl

39. 4.3 Verarbeitbarkeit • Urformen, Bsp. Gießen,Gießbarkeit: Formfüllungsvermögen, Fließvermögen, Speisungsvermögen, Warmrißgefährdung, Lunkerverhalten. • Umformen, Bsp. Kaltumformen TUmf < TRekr, Warmumformen TUmf > TRekr,Umformbarkeit: Verfestigungsverhalten beim Umformen, Entfestigungsverhalten durch Erholung und Rekristallisation, TRekr 0,4 TS [K]. • Trennen, Bsp. Zerspanen,Zerspanbarkeit: Standzeit des Werkzeugs, Zerspankraft, Oberflächengüte, Spanform. • Fügen, Bsp. Schweißen,Schweißbarkeit: Schweißeignung, Schweißsicherheit, Schweißmöglichkeit. • Stoffeigenschaftändern, Bsp. Wärmebehandeln,Wärmebehandelbarkeit: Möglichkeit, Verarbeitungs- bzw. Gebrauchseigenschaften mittels Behandlung im festen Zustand durch Gefügeveränderungen einzustellen. VL1 Verarbeitbarkeit

40. VL1 Spur, 1986 Schweißbarkeit des Bauteils

41. VL1 Spur, 1986 Schweißeignung des Werkstoffs

42. Material distribution on Airbus aircrafts 100% 80% 60% material distribution 40% 20% 0% A300 A340 A380 A310-200 A320-200 Aluminium new Al-Alloys. Composites Steel Miscellaneous Titanium A350: 6% 14% 9% 39% 21% 11% VL1 Leichtbauwerkstoffe im Flugzeugbau

43. Verlängerung eines Stabs im Zugversuch durch Versetzungsbewegungauf zur Zugachse geneigten Gleitebenen Gleitebenen F F VL1 Haasen, 1994 Plastische Verformung metallischer Werkstoffe

44. Bergmann1989 VL1 Erhöhung der Fließspannung durchBehinderung der Versetzungsbewegung