Mit Leichtbau lassen sich Ressourcen sparen

Leichtbau Mit Leichtbau lassen sich Ressourcen sparen

10.10.2007Autor / Redakteur: Christa Friedl / Dietmar Kuhn

Der Flugverkehr boomt. Experten rechnen damit, dass die Zahl der geflogenen Kilometer global gesehen jedes Jahr um 5% zunehmen wird. Damit wachsen die Treibhausgasemissionen in ökologisch

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Der Flugverkehr boomt. Experten rechnen damit, dass die Zahl der geflogenen Kilometer global gesehen jedes Jahr um 5% zunehmen wird. Damit wachsen die Treibhausgasemissionen in ökologisch besonders empfindlichen Höhen. Eine der wichtigsten Herausforderungen der Luftfahrt ist es daher, leichte und effiziente Triebwerke zu entwickeln. „250 kg weniger Gewicht beim Triebwerk bedeuten bei einem Passagier-Jet 400 kg weniger Kerosinverbrauch und 1250 kg weniger Kohlendioxidausstoß pro Flug“, sagt Dr. Erich Steinhardt, Leiter Technologie bei MTU Aero Engines GmbH in München.

Leichtbau bedeutet mehr als leichte Werkstoffe

Mit leichteren Werkstoffen ist es aber noch nicht getan. Für einen besseren Wirkungsgrad benötigt das Triebwerk deutlich größere Gebläse. Das zusätzliche Gewicht muss vor allem auch durch neue Konstruktionen ausgeglichen werden.

Beim modernen Blisk Fan werden beispielsweise die Schaufeln direkt mit der Nabe verschweißt. Das senkt die Anzahl der notwendigen Bauteile, ermöglicht eine kleinere Nabe und bringt eine Gewichtsersparnis um rund 10% pro Triebwerksstufe.

Um außerdem den thermischen Wirkungsgrad zu steigern, müssen Temperaturen und Drehzahl erhöht werden. „Für die Fertigung aller Bauteile heißt das: höchste Präzision und kleinste Toleranzen“, so Steinhardt.

Auch die Antriebstechnik kann viel Gewicht sparen

Der Anstoß zum Leichtbau ist nicht nur die Umwelt. Gewicht sparende Konstruktionen sind unverzichtbar, um Ressourcenverbrauch und damit Kosten zu senken, um die Sicherheit von Fahrzeugen zu erhöhen, um neue Fertigungs- und Konstruktionsverfahren zu entwickeln, die die Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus sichern.

„Wenn etwas fliegt, sich bewegt oder fährt, muss das Gewicht runter“, bringt es Ekrem Sirman von Harmonic Drive auf den Punkt. Das Limburger Unternehmen hat seine speziellen Planetengetriebe optimiert, die vor allem in der Luft- und Raumfahrt, für Werkzeug- und Druckmaschinen und in der Robotertechnik eingesetzt werden.

Planetengetriebe von Harmonic Drive auf Leichtbau ausgerichtet

Unterschiedliche Bauteile wurden Material sparender konstruiert, die Hohlwellen vergrößert, das ganze System kommt mit weniger und kleineren Schrauben aus. Diese leichten Einbausätze können bis zur Hälfte des Gewichts einsparen und das Massenträgheitsmoment der Getriebe um über ein Drittel senken, betont Sirman.

Davon hat nicht zuletzt Asimo profitiert: Der humanoide, 1,30 m große Roboter, den Honda 2004 vorgestellt hat, war zunächst ein Schwergewicht von 130 kg. Heute wiegt er abgespeckt nur noch 43 kg. Das hat er freilich nicht nur den leichteren Getrieben aus Deutschland zu verdanken. „25 kg davon waren zu große und überflüssige Schrauben“, sagt Sirman.

Leichtbau umfasst Werkstoffe, Fertigungsmethoden und Konstruktionen

Intelligenter Leichtbau steht auf drei Beinen: leichte Werkstoffe, angepasste Fertigungsmethoden und neue Konstruktionen. „Leichtbau ist eine Technik, die unter Nutzung aller konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel bei einer Gesamtstruktur und bei deren Elementen die Masse reduziert und die Gebrauchsgüte erhöht“, definierte Prof. Matthias Kleiner, Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft, auf einem Leichtbau-Symposium Mitte September am Rande der EMO in Hannover.

Das gilt nicht nur für Triebwerke oder Serviceroboter. Das gilt auch für den Maschinen- und Anlagenbau. 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 statt 415 kg wiegt. Der Schneidkopf kann dadurch doppelt so schnell beschleunigt werden.

Trumpf zeigt effektive Leichtbaukonstruktionen

Auch bei Stanzmaschinentischen lässt sich eine Menge Material sparen. Durch eine Blechrippenkonstruktion, wie sie Trumpf entwickelt hat, werden die Tische bei gleicher Traglast um ein Viertel leichter. Bei einem Flaschenhalter aus Stahlblech für Getränkeabfüllanlagen haben die Ditzinger durch eine verbesserte Form 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“, erläutert Michael Häcker von Trumpf.

Leichtbau fördert zwar den Einsatz von Gewicht sparenden Metallen wie Nickelbasislegierungen, Titan oder nanoverstärktem Aluminium. Stahl aber bleibt in vielen Anwendungsbereichen dennoch einer der wichtigsten Werkstoffe. „Das Potenzial von Stahl ist noch lange nicht ausgereizt“, ist DFG-Präsident Kleiner überzeugt.

Bei Werkzeugmaschinen werden künftig hochfeste Stähle eine wichtige Rolle spielen, da sie bei geringerem Gewicht eine weit stärkere Verformung ermöglichen. Forscher am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung haben für den Karosseriebau einen plastischen Stahl entwickelt, der ähnlich dehnbar ist wie Gummi. Bei einem Aufprall kann der Twip-Stahl durch seine feinen und gleichmäßigen Kristallite die von außen wirkenden Kräfte innerhalb des Gitters blitzschnell weiterleiten und verfestigt sich gleichzeitig. Die Aufprallenergie wird weitaus besser abgefangen.

Faserverstärkte Werkstoffe liegen stark im Trend

Experten erwarten außerdem einen Boom für faserverstärkte Werkstoffe. Dabei geht es längst nicht mehr nur um GFK. In der Erprobung sind heute textilverstärkte Keramiken oder auch Aluminium, das durch Glasfasern eine besondere Festigkeit erhält.

Die gezielte und optimale Ausrichtung der Fasern ist allerdings eine echte Ingenieurskunst, besonders bei sehr komplex geformten Bauteilen. Prof. Werner Hufenbach, Direktor des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik an der Universität Dresden, ist überzeugt: Durch die neuen Verbundwerkstoffe hat der deutsche Textilmaschinenbau in den vergangenen Jahren einen deutlichen Aufschwung genommen und ist heute weltweit führend auf diesem Gebiet.

Leichtbau will gut überlegt sein – das gilt bis hin zu den geeigneten Verbindungen. „Das moderne Multimaterial-Design erfordert neue Fügetechniken“, weiß Dr. Carsten Bye von der Gebr. Titgemeyer GmbH in Osnabrück. Die Herausforderung ist dabei die Beherrschung der technologischen Prozesse beim Verbinden unter Wahrung der Werkstoffeigenschaften. Ob Kleben, Schrauben oder Nieten – durch die richtige Auswahl der Verbindungstechnik werden laut Bye die einsetzbaren Werkstoffe, die Querschnitte, die Geometrien der Verbindungsstellen, die Zugänglichkeit zu den Fügestellen, die Eigenschaften und damit die Konstruktion und ihr Gewicht entscheidend beeinflusst.

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