Leichtbauweise

Leichtbauplatte mit Papierwaben

Leichtbauweise ist eine Konstruktionsphilosophie, die maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat. Die Gründe für Leichtbau können verschiedener Natur sein.

Ziel des Leichtbaus ist die Einsparung von Rohstoffen und Kosten bei der Herstellung, der Montage und der Nutzung eines Produkts. Besonders bei häufig zu beschleunigenden oder abzubremsenden Körpern (Straßen- und Schienenfahrzeuge, Aufzüge, Roboterarme usw.) können durch Leichtbau die Betriebskosten reduziert bzw. die Nutzlast erhöht werden. So ist bei Fahr- und Flugzeugen eine geringere Antriebsleistung für die gleichen Fahr- bzw. Flugeigenschaften notwendig. Des Weiteren sinkt der Kraftstoffverbrauch und das Gewichtsverhältnis von Transportmittel und Fracht verbessert sich. So kann das Gesamtgerät, Antriebsquelle und Kraftstoffvorrat kleiner dimensioniert werden.

Leichtbau ist sehr bedeutend im Fahrzeugbau, Schiffbau und Flugzeugbau. Einen besonders hohen Stellenwert hat sie in der Raumfahrt. Hier verursacht jedes kg Nutzlast 30-100 kg Zusatzgewicht für Rakete und Treibstoff, so dass durch Leichtbauweise große Einsparungen erzielt werden können. Auch im Hochbau, vor allem beim Bau von Produktions-, Montage- und Lagerhallen wird die Leichtbauweise als eine kostengünstige und flexible Alternative geschätzt.

Metallische Leichtbauwerkstoffe sind z. B. Aluminium, Magnesium, hochfeste Stähle und Titan. Daneben gelten Faserverbundwerkstoffe als klassische Leichtbaumaterialien. Die Nachfrage nach Leichtbauwerkstoffen ist von 2002 bis 2007 um 300 % gestiegen^[1].

Beispiele

• Im Fahrzeugbau verwenden viele Hersteller Motorblöcke aus Aluminium. Diese sind zwar leichter als übliche Stahlmotorblöcke, doch sind sie auch weniger verwindungssteif und teurer. Die Gewichtsreduktion steigert bei gleicher Leistung auch die Fahrleistungen (Motorsport).
• Im Flugzeugbau hat man noch vor dem Fahrzeugbau Aluminiumteile verwendet. Im Fahrzeugbau war 1948 der Land Rover das erste Serienfahrzeug mit großen Karosserieteilen an Aluminiumblechen (wenn auch nicht aus Leichtbau-Gründen).
• Die Citroën DS (1955) hatte erstmals ein großes Freiformteil (die Motorhaube) aus Aluminium.
• Der Honda NSX besaß erstmals eine selbsttragende Karosserie aus diesem Leichtmetall.
• Der durch Matra gefertigte Renault Espace orientierte sich an Konstruktionsprinzipien des Flugzeugbaus, die Fahrzeugmasse des 4,25 Meter lange Espace der ersten Modellgeneration von 1984 befand sich mit 1.200 kg auf dem Niveau eines Mittelklasse-Pkw.

Leichtbauprinzipien

Es gibt verschiedene Prinzipien, eine Leichtbaulösung zu konstruieren. Es bieten sich zur Verwirklichung die Entwurfsphase des Produkts, die eigentliche Konstruktionsphase und die Fertigungsphase an. Oft wird das Leichtbaupotenzial nicht voll ausgenutzt, weil der Schwerpunkt auf die Konstruktion gelegt wird.

In den letzten Jahren gewinnen Kunststoffe und speziell Faser-Kunststoff-Verbunde an Bedeutung. Durch ihre hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten sind sie attraktive Leichtbauwerkstoffe. Sie bieten eine Fülle neuer Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten.

Prinzipien in der Entwurfsphase

Detaillierte Analysen der Kräfte am Bauteil sind für den Leichtbau wichtig. Lasten, die nur abgeschätzt werden und mit Sicherheitsfaktoren belegt sind, führen zu überdimensionierten Bauteilen. Gerade bezüglich Stabilitätsberechnung ist die genaue Kenntnis der Belastung unablässig.

Genaue Anforderungen im Lasten- bzw. Pflichtenheft führen zu leichten Strukturen. Die dimensionierenden Lastfälle, die ein Bauteil sieht, treten oft nicht gleichzeitig auf. Dimensioniert man das Bauteil auf das gleichzeitige Auftreten aller Maximallasten, so ist es zwar robust, jedoch nicht leicht. Die Anforderungen an ein Bauteil sollten daher kritisch geprüft werden, um leichte Strukturen zu erhalten.

Prinzipien in der Konstruktionsphase

Der Werkstoffleichtbau beruht darauf, den ursprünglichen Werkstoff eines Bauteils durch einen anderen Werkstoff mit höheren spezifischen Eigenschaften auszutauschen. Hochfeste Stähle („Leichtbaustähle“) erlauben gegenüber konventionellen Stahlgüten meist geringere Wandstärken bei gleichen Bauteileigenschaften. Eine häufige Anwendung im Automobilbau ist die Substitution eines Stahlblechs durch ein Aluminiumblech oder Kunststoffteile (z. B. GFK oder SMC).

Der Konstruktive Leichtbau versucht das Leichtbauziel durch konstruktive Maßnahmen zu erreichen. In erster Linie wird eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung des Materialvolumens angestrebt. So werden z. B. biegebeanspruchte Bauteile durch Sandwichlösungen oder Fachwerke ersetzt. Prinzipiell wird versucht, möglichst dünnwandig zu konstruieren. Dies erhöht jedoch die Gefahr des Stabilitätsversagens (Beulen, Knicken), was eine genaue mechanische Analyse notwendig macht. Kräfte in Leichtbaukonstruktionen sollten direkt geleitet werden. Kerben erfordern meistens einen Mehraufwand an Material und sollten daher vermieden werden. Fachwerkträger mit reinen Zug- und Druckstäben stellen dahingehend optimale Strukturen dar.

Der Systemleichtbau betrachtet nicht das einzelne Bauteil sondern das ganze System. Durch Funktionsintegration kann eine einzelne Komponente durchaus schwerer werden. Die Einsparung durch die Funktionsintegration macht jedoch das System leichter, wodurch das Leichtbauziel im System erreicht wird. Der Systemleichtbau hat besonders bei Fahrzeugen eine große Bedeutung. Bei adaptiven Tragwerken werden die Prinzipien des Struktur- und des Systemleichtbaus verwendet.

Die Wahl eines geeigneten Füge- und Fertigungsverfahrens stellt eine weitere konstruktive Möglichkeit dar. Durch Laserschweißen kann z. B. auf die Überlappung von Blechen verzichtet werden. So ist eine leichtere Konstruktion möglich. Auch das Ersetzen von Nietverbindungen durch Klebverbindungen ist eine leichtbauwirksame Maßnahme. Schmiedebauteile haben oft eine höhere Schwingfestigkeit als identische Schweißkonstruktionen. Sie können daher mit geringeren Querschnitten konstruiert werden.

Prinzipien in der Fertigungsphase

Durch enge Toleranzen, sowohl bei der Fertigung als auch beim Einkauf von Halbzeugen, kann das Leichtbauprinzip verwirklicht werden. Lässt man bei einem Blech von 1mm Wanddicke eine Dickentoleranz von $\pm$0,1mm zu, so schwankt die Masse des Blechs um 20 %. Für den Flugzeugbau sind daher eng tolerierte Bleche notwendig.

Bezüglich der Festigkeiten muss beim Leichtbau ein Werkstoff mit geringer Streuung gewählt werden. Der Konstrukteur wählt nicht den Mittelwert der Festigkeiten, sondern eine Festigkeit, bei der z. B. 90 % aller Proben über dieser liegen. Streuen die Festigkeitswerte stark, muss das Bauteil überdimensioniert werden, um vor Versagen sicher zu sein.

Leichtbau bei Bauwerken

Die meisten Bauwerke sind und werden in Massivbauweise errichtet: eine Form des Tragwerks, bei der raumabschließende Elemente wie Wände und Decken auch die statisch tragende Funktion erfüllen. Gegenbegriff ist Skelettbauweise. Letzterer verwandt ist die Ständerbauweise.

Massivbau bezeichnet danebeben auch das Fachgebiet, das sich mit „massiven“ Baustoffen und Materialien beschäftigt (Mauerwerk, Beton). Gegenbegriffe sind Leichtbau und Holzbau.

Verwandte Themen

• Die Leichtbauweise kann kombiniert werden mit adaptiven Tragwerken.

Weblinks

• Vor- und Nachteile von Massiv- und Leichtbauweise

Quellen

1. ↑ http://www.stahl-online.de/medien_lounge/vortraege/0805sctkerkhoff.pdf