Werkstoffe Leichtbau als moderner Innovationstreiber

Autor / Redakteur: Christa Friedl / Dietmar Kuhn

Kosten sparen, Klima schützen, Innovationen beschleunigen – Leichtbau verspricht Vieles auf einmal. Leichtbau ist aber mehr als nur der Einsatz leichter Werkstoffe. Das Konzept erfordert genauso neue Fertigungs- und Konstruktionsverfahren und Leichtbau liegt derzeit immer noch im Trend.

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Wenn die Bundeswehr in Krisenregionen Aufklärung betreibt, könnte sie künftig auf die Unterstützung von Dirk Biermann bauen. Der Leiter des Instituts für spanende Fertigung (ISF) an der Universität Dortmund hat gemeinsam mit dem Motorenhersteller Dr. Schrick GmbH einen Viertaktmotor der besonderen Art entwickelt: einen Ultraleichtflugmotor für ferngesteuerte Überwachungs-Drohnen mit nur 25 kg Gewicht, aber 34 kW Leistung. „Ein besonders filigraner Hochleistungsmotor, der mit normalem Diesel auskommt“, sagt der Hochschulprofessor. Ein wichtiges Argument, denn Kerosin ist in Krisengebieten oft nicht verfügbar.

Der Viertakter hat eine spezifische Leistung, vergleichbar mit einem Formel-1-Motor, wiegt aber nur halb so viel. Um das Leichtgewicht zu entwickeln, haben ISF und die Schrick GmbH ihr Know-how in Sachen Leichtbau ausge-spielt. Bauteile wie Pleuel und Ventile, Einspritzdüsen und -pumpen sind aus Titan, das Kurbelgehäuse aus einem Aluminium-werkstoff, der durch ein spezielles Gießverfahren besonders starke Festigkeit erhält. „Außerdem ist der Motor ein Beispiel für eine hochintegrierte Konstruktion“, erläutert Biermann. Kanäle, Seitenteile und Halterungen sind direkt im Gehäuse untergebracht. Das senkt die Anzahl der notwendigen Bauteile und erspart dem Motor überflüssiges Material.

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Leichtbau: Schutz von Klima und Umwelt durch Gewichtsreduzierung

Leichtbau ist ein Beitrag zum Klima- und Umweltschutz. Je weniger ein Auto, ein Flugzeug oder eine Maschine wiegt, umso geringer ist der Energieverbrauch, um Anlage oder Fahrzeug in Bewegung zu setzen, und umso geringer sind die Emissionen von Treibhausgasen und Luftschadstoffen. Doch wer glaubt, der wesentliche Antrieb zum Leichtbau sei die Umwelt, der täuscht sich. Gewichtssparende Konstruktionen sind unverzichtbar, um Ressourcen und damit Kosten zu sparen, um die Sicherheit von Fahrzeugen zu erhöhen, um neue Fertigungs- und Konstruktionsverfahren zu entwickeln, die die Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus sichern.

Allerdings: Leichtbau ist alles andere als simpel. Zum gewichtssparenden Motor, Fahrzeug oder Anlagenbau müssen Ingenieure und Planer ganz unterschiedliche Wege beschreiten: Experten unterscheiden den Werkstoffleichtbau, den Fertigungs- und den konstruktiven Leichtbau. „Die Grundprinzipien sind häufig miteinander gekoppelt“, konstatiert Prof. Matthias Kleiner, Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Leichtbau ist eine Konstruktionstechnik, die unter Nutzung aller konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel bei einer Gesamtstruktur und bei deren Elementen die Masse reduziert und die Gebrauchsgüte erhöht, so Kleiner.

Dünnwandigkeit mit Festigkeit gepaart

Fast schon klassisch ist die Suche nach leichten Werkstoffen beziehungsweise nach Materialien, die auch als dünnwandige Konstruktionen noch hohe Festigkeiten versprechen. Das Beispiel Golf macht das deutlich: Zwischen 1983 und heute stieg das Gewicht des Fahrzeugs um rund 400 kg. Ohne leichtere Materialien wie Alu und Kunststoffe aber wäre es heute noch 250 kg schwerer. „Leichtbau lebt davon, dass jedes Material dort eingesetzt wird, wo es seine Stärken am besten ausspielen kann“, betonte Kleiner Mitte September auf einem VDW-Symposium am Rande der EMO in Hannover.

Die mögliche Palette der metallischen Leichtbaustoffe wächst ständig: Außer Titan, Aluminium und Magnesium spielen heute hochfeste Spezialstähle im Automobil- und Maschinenbau eine große Rolle. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf haben einen hochelastischen Stahl entwickelt, der fast so dehnbar ist wie Gummi und Autofahren sicherer machen soll. Bei einem Aufprall kann der TWIP-Stahl durch seine feinen und gleichmäßigen Kristallite die von außen wirkenden Kräfte innerhalb des Gitters blitzschnell weiterleiten und gleichzeitig verfestigt er sich. Die Aufprallenergie wird weitaus besser abgefangen.

Metallverbund aus Alu und Titan bildet stabile Ionenbindungen aus

Vielversprechend ist ein neuer Metallverbund aus Alu und Titan, das g-Titanaluminid. Dieser Werkstoff bildet bei einem Aluminiumanteil von über 50% nicht nur metallische Bindungen aus, sondern gleichzeitig auch Ionenbindungen, wie man sie sonst nur von Keramiken kennt. Die stabilen Ionenbindungen führen zu − gegenüber Stahl – höherer Festigkeit und Steifheit bei deutlich geringerem Gewicht. Allerdings: g-Ti-tanaluminid ist ein heikler Werkstoff. Er ist spröde und lässt sich ausgesprochen schwer mechanisch bearbeiten.

Daher arbeiten Experten bei der MTU Aero Engines GmbH in München an der Entwicklung geeigneter Bearbeitungsverfahren. „Denn Titanaluminid könnte ein neuer Werkstoff für Triebwerksschaufeln werden“, sagt Dr. Erich Steinhardt, Leiter Technologie bei MTU. Auch das Dortmunder ISF will gemeinsam mit BMW in einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt eine gesamte Prozesskette aufbauen, um geeignete Fertigungstechniken und Bearbeitungsverfahren für den neuartigen Metallverbund zu entwickeln.

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Es muss nicht immer ein isotroper Werkstoff sein. „Viele Anforderungen an das Bauteil kann man am besten mit faserverstärkten Verbunden erfüllen“, ist Prof. Werner Hufenbach, Direktor des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik an der Universität Dresden, überzeugt. Seit über zehn Jahren arbeiten die Dresdner Wissenschaftler mit textilverstärkten Keramiken, Metallen und Kunststoffen. Die gezielte und optimale Ausrichtung der Fasern ist allerdings eine echte Ingenieurskunst, besonders bei komplex geformten Bauteilen. „Man braucht neue Berechnungs- und Simulationsprogramme“, weiß Hufenbach, da anisotrope Werkstoffe Kräfte ganz anders aufnehmen und innerhalb des Bauteils weiterleiten.

Faserverbundwerkstoffe bescheren Textilmaschinenbau Aufschung

Eines ist laut Hufenbach heute schon klar: Der deutsche Textilmaschinenbau hat durch die wachsende Bedeutung von Faserverbundwerkstoffen in den vergangenen Jahren einen Aufschwung genommen und gilt als weltweit führend auf diesem Gebiet. Ähnlich wichtig wie die Auswahl von leichten Werkstoffen sind für den intelligenten Leichtbau die richtige Konstruktion und Fertigung. Auch hier war in den vergangenen Jahren vor allem die Automobilindustrie ein wichtiger Treiber. „Konstruktiver Leichtbau bedeutet optimale Kraftverläufe in einer homogenen Struktur und günstige Gestaltung der Profilquerschnitte“, erläutert Dr. Markus Pfestorf, Konstruktionsexperte bei BMW in München.

Im BMW der 3er-Reihe werden Bodenplatte und Karosserie immer dünner und leichter. Die Seitenteile der Karosserie bestehen aus 13 verschiedenen Stählen – ein hochkomplexes Konstrukt, das mit möglichst wenig Material optimale Sicherheit beim Crash bieten soll. Seine Steifheit und Crash-Festigkeit erhält das Fahrzeug durch gezielt gesetzte Stahlstreben. „Tailored Welded Blanks und Tailored Rolled Blanks als leichte und maßgeschneiderte Bauteile sind ein wichtiger Beitrag, um Fahrzeuge leichter und gleichzeitig sicherer zu machen“, so Pfestorf.

MTU im Fertigunsgleichtbau aktiv

Auch MTU beschäftigt sich intensiv mit dem Fertigungsleichtbau. „Leichtere Triebwerke setzen neue Fertigungstechnik voraus“, konstatiert Steinhardt. Neue Materialien wie faserverstärkte Keramiken, Titanaluminid oder hochfeste Aluminiumwerkstoffe können nur eingesetzt werden, wenn sich die Fertigungsmethoden weiterentwickeln. In der Praxis bedeutet das: Jedes Bauteil muss hochpräzise gefertigt werden. Während der Fertigung ist es unabdingbar, alle Parameter zu erfassen, um kleinste Defekte rechtzeitig zu erkennen. Die gesamte Fertigung braucht weitaus mehr Zuverlässigkeit und Genauigkeit, als das heute oft der Fall ist.

Wie effektiv der Konstruktionsleichtbau sein kann, zeigen Produkte der Ditzinger Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH. Bei einer Werkzeugmaschine mit 2-D-Laser-Schneidkopf wurde der Querträger so konstruiert, dass das Stahlblech mit 1,5 statt 3 mm Wanddicke auskommt und der gesamte Träger nur noch 320 kg statt 415 kg wiegt. Der Schneidkopf kann dadurch doppelt so schnell beschleunigt werden. Auch bei Stanzmaschinentischen lässt sich viel Material sparen: Durch eine Blechrippenkonstruktion werden sie bei gleicher Traglast um ein Viertel leichter. Bei einem Flaschenhalter für Getränkeabfüllanlagen hat Trumpf durch eine Material sparende Blechkonstruktion das Gewicht um 38%, die Kosten um ein Fünftel gesenkt. Das Prinzip dabei ist immer das gleiche: Alle Teile haben eine tragende Funktion, es gibt nichts Überflüssiges und Passives.

Planetengetriebe Material sparend ausgelegt

Nach einem ähnlichen Prinzip hat das Unternehmen Harmonic Drive aus Limburg seine Planetengetriebe optimiert. Unterschiedliche Bauteile wurden Material sparender konstruiert, die Hohlwellen vergrößert, das ganze System kommt mit weniger und kleineren Schrauben aus. Diese leichten Einbausätze können bis zu 50% des Gewichts einsparen und das Massenträgheitsmoment der Getriebe um 40% senken.

Leichtbau will gut überlegt sein – das gilt bis hin zu den geeigneten Verbindungen. „Das moderne Multimaterialdesign erfordert neue Fügetechniken“, weiß Dr. Carsten Bye von der Gebr. Titgemeyer GmbH in Osnabrück. Durch die richtige Auswahl der Verbindungstechnik werden laut Bye die einsetzbaren Werkstoffe, die Querschnitte, die Geometrien der Verbindungsstellen, die Zugänglichkeit zu den Fügestellen, die erzielbaren Eigenschaften und damit die Konstruktion und ihr Gewicht entscheidend beeinflusst.

Leichter Hochleistungsmotor aus der Militärtechnik

Damit Innovationen im Leichtbau aber auch den Markt erreichen, braucht es manchmal mehr als moderne Werkstoffe und optimierte Fertigungstechnik: Der Leichtmotor von ISF und Schrick für die militärischen Aufklärungs-Drohnen ist zwar einsatzbereit − für die Bundeswehr wird er aber nie fliegen. „Kaum war die Entwicklung fertig, wechselte die Bundesregierung und damit auch die Vergabe der Mittel im Verteidigungsministerium“, sagt Biermann. Die Folge: Das Geld für die Beschaffung der Überwachungsflugkörper fehlte plötzlich. Die Remscheider Dr. Schrick GmbH aber hat sich die Lizenzen für den Hochleistungsmotor gesichert und will damit ihr Glück im Ausland versuchen.

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