Leichtbau: Prinzipien, Werkstoffauswahl Und Fertigungsvarianten

Leichtbau Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Leichtbau Prinzipien, Werkstoffauswahl und Fertigun...

Author: Hans Peter Degischer | Sigrid Luftl

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Leichtbau Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl

Leichtbau Prinzipien, Werkstoffauswahl und Fertigungsvarianten

Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Die Herausgeber Hans Peter Degischer Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Karlsplatz 13/E308 1040 Wien Österreich Sigrid Lüftl Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstefftechnologie Nichtmetallische Werkstoffe Favoritenstraße 9–11/E308 1040 Wien Österreich

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Printed in the Federal Republic of Germany Gedruckt auf säurefreiem Papier Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig Druck Strauss GmbH, Mörlenbach Bindung Litges & Dopf GmbH, Heppenheim ISBN 978-3-527-32372-2

V

Inhaltsverzeichnis Allgemeine Einleitung XI Autorenverzeichnis XV Abkürzungen XVII 1

Leichtbauprinzipien 1

1.1

Vorbild Natur 1 Helga Lichtenegger Einleitung 1 Materialersparnis durch Hohlräume 2 Organische Fasern und Faserverbunde 5 Hierarchischer Aufbau 8 Funktionsgerechtes Wachstum und Anpassung 10 Ausblick für technische Konstruktionen 12

1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6

Berechnungs- und Design-Konzepte für den Leichtbau 14 Franz Rammerstorfer und Thomas Daxner Einleitung 14 Einige Leichtbau-Berechnungsmethoden 15 Stabilitätsverlust – Knicken, Kippen, Beulen, Durchschlagen 20 Sandwich- und Laminat-Strukturen 33 Leichtbau-Konstruktionsprinzipien 37 Optimierung als Leichtbau-Konzept 43 Bauteilversagen 49 Wilfried Eichlseder Einleitung 49 Ermüdungsvorgang 50 Nennspannung und tatsächliche Spannung 51 Werkstoffverhalten und Bemessungskenngrößen Vergleichsspannungshypothesen 58 Beanspruchungs-Zeit-Verläufe 60

Leichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

54

VI

Inhaltsverzeichnis

1.3.7 1.3.8 1.3.9

Betriebsfestigkeit-Lebensdauerberechnung Wöhlerlinien durch Simulation 69 Schlussfolgerungen und Ausblick 73

2

Werkstoffangebot für den Leichtbau 77

2.1

Werkstoffe 77 Hans Peter Degischer Einleitung 77 Werkstoffkategorien 80 Elastizitätseigenschaften 83 Festigkeit und plastische Verformung 88 Einfluss erhöhter Temperatur 94 Werkstoffschädigung und Bruch 97 Umgebungsbedingte Schädigungen 101 Zusammenfassung und Ausblick 103

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.3

64

Polymermatrix-Verbundwerkstoffe 105 Isabella Skrna-Jakl Einleitung 106 Materialaufbau 106 Fasermaterialien 107 Polymermatrix-Materialien 114 Materialparameter 120 Faser-Halbzeuge, Faser-Matrix-Halbzeuge und Stützstoffe Materialverhalten 131 Schlussfolgerungen 137

122

2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9

Werkstoffauswahl 138 Cecilia Poletti und Hans Peter Degischer Einleitung 139 Werkstoffauswahl im Rahmen der Produktentwicklung 140 Materialeffizienz 142 Methodologie 144 Steifigkeit und Masse 145 Geometrie 154 Beispiel der Werkstoffauswahl für einen Fahrradrahmen 157 Beispiel multipler Anforderungen eines Otto-Motors 163 Zusammenfassung und Ausblick 171

3

Fertigungstechnischer Leichtbau 173

3.1

Gießtechnik 173 Leopold Kniewallner Einleitung 173 Formgieß-Verfahren 174 Werkstoffgruppen für Gusskomponenten 179

3.1.1 3.1.2 3.1.3

Inhaltsverzeichnis

3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 3.1.8

Eigenschaften von Gusslegierungen 183 Konstruktionsrichtlinien für Gussteile 184 Defekte in Gussteilen 187 Verbindungstechniken und Mischbauweisen mit Gussteilen Entwicklungsbedarf und Ausblick 190

3.2

Pulvermetallurgische Leichtbauprodukte 191 Herbert Danninger Einführung – Pulvermetallurgie (PM) 192 PM-Aluminium 195 PM-Titanwerkstoffe 209 Ausblick 210

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3

189

3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.9

Umformtechnischer Leichtbau 214 Bruno Buchmayr Einleitung 214 Herausforderungen an die Umformtechnik durch den stofflichen Leichtbau 215 Umformtechnische Umsetzung der konstruktiven Leichtbauprinzipien 217 Umformtechnischer Leichtbau ausgehend von Feinblech 219 Lokale Blechverstärkungskonzepte 223 Rohrbasierte Konzepte 226 Leichtbau im Bereich der Massivumformung 232 Numerische Simulation zur Verfahrens- und Produktoptimierung 240 Zusammenfassung und Ausblick 242

4

Bauteilfertigung 247

4.1

Bauteilfertigung – Polymermatrix-Verbundwerkstoffe 247 Wolfgang Billinger Einleitung 247 Formwerkzeug 248 Laminataufbau 251 Aushärten 263 Qualitätskontrolle 266 Zusammenbau 268 Zusammenfassung und Ausblick 270

3.3.1 3.3.2 3.3.3

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Mischbauweisen und Multimaterialkomponenten 271 Ulf Noster Einleitung 271 Einsatzbeispiele und Anforderungen 272 Zusammenfassung 277

VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

5

Rezyklierbarkeit 279

5.1

Rezyklieren metallischer Werkstoffe 279 Michael Kettner und Hans Peter Degischer Einleitung 279 Produktlebenszyklus 280 Primärmetalle und Sekundärlegierungen 283 Verwertung von metallischen Rest- und Altstoffen 285 Aluminium und Magnesium spezifische Situation 290 Kreislaufwirtschaft 296 Schlussfolgerungen 299

5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

Rezyklieren von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen 301 Vasiliki-Maria Archodoulaki Stoffströme, gesetzliche Rahmenbedingungen 302 Verwertung von Kunststoffabfällen 303 Rezyklieren von Faserverbundwerkstoffen 304 Rezyklieren von Polyurethanen 313 Ausblick 313

6

Bauteilbeispiele aus dem Transport 317

6.1

Sportwagenprototyp „Concept MILA“ 317 Bruno Götzinger Einleitung 317 Vision 318 Virtuelle Evolution 319 Antriebskonzept 321 Modularer Spaceframe 322 Werkstoffauswahl und Einsatz 324 Basisstruktur des Konzepts 325 Ausblick 326

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7

Prototypfahrzeug „CLEVER“ 327 Richard Kretz Einleitung 328 Historische Entwicklung und Stand der Technik 329 Auswahl der Bauweise für CLEVER 332 Package und Design 335 Bearbeitung der Profile und Zusammenbau der Spaceframes Weitere Arbeiten der Partner 337 Technische Daten des CLEVER Fahrzeugs 338

335

Inhaltsverzeichnis

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5

Das „R2R“ Motorrad 340 Andreas Bilek Einleitung 340 Anforderungen und Produkte 341 Wichtige Kenngrößen 342 Entwicklungsziele 343 Spezielle Ausführungen 345 Entwicklungsbedarf und Ausblick 349 Faserverstärkte Polymere im Flugzeugbau Wolfgang Billinger Einleitung 350 Strukturelle Komponenten 351 Triebwerkskomponenten 357 Innenraumkomponenten 358 Zusammenfassung und Ausblick 359

350

7

Innovation und Innovationsmanagement 361 Adolf Stepan and Beate Edl

7.1 7.1.1 7.1.2

Innovation 361 Innovation und Verantwortung für Innovationen als zentrale Managementaufgabe 362 Wettbewerb und Innovationsprozesse 364

7.2

Die Erfolgsfaktorenforschung und ihre Ergebnisse

7.3

Die Rolle der Selektionsumgebung und managementorientierte Innovationskonzepte 369

7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

Wirtschaftlichkeitsüberlegungen 374 Diffusion von Innovation 374 Der Produktlebenszyklus 376 Die Conjoint-Analyse 377 Die Lernkurven 378 Register 385

366

IX

XI

Allgemeine Einleitung Leichtbau ist ein umfassendes Konstruktionsprinzip, welches das Ziel verfolgt, das Gewicht bzw. die Masse von technischen Produkten zu reduzieren. Angewandt auf bewegte Maschinenelemente, Transportmittel und Sportgeräte sind die Motive dafür, zum Beispiel höhere Beschleunigungen zu erzielen, die Nutzlast zu erhöhen und die aufzuwendende Energie zu reduzieren. Das Einsatzspektrum des Leichtbaus reicht vom allgemeinen Maschinenbau (z. B. Roboter, Verpackungsmaschinen, Sportartikel etc.), Energieerzeugungsanlagen (z. B. Windräder) über den Fahrzeug- und Flugzeugbau bis hin zur Gestaltung von Raumfahrzeugen und Raumstationen. Klassisch [1] wird unterschieden zwischen: • stofflichem Leichtbau (Leichtwerkstoffe), • Formleichtbau (z. B. Hohlstrukturen), • Fertigungsleichtbau (z. B. integrale oder gefügte Bauweise), • Konstruktionsleichtbau (materialsparend), • Funktionsleichtbau (z. B. Integration oder Reduzierung von Funktionen). Die Wechselwirkung dieser Leichtbaumöglichkeiten soll folgendes Beispiel illustrieren: Die Konstruktion eines möglichst kurz gebauten PKW spart Material, die Einführung eines Mittelmotors verteilt das Gewicht gleichmäßiger, die Achsbelastungen werden kleiner und erlauben die Reduktion der tragenden Querschnitte bzw. die Substitution durch Leichtmetalle, die als funktionsintegrierte Formteile eingesetzt werden können. Damit wird nicht nur das Gesamtgewicht reduziert, sondern auch das Aussehen geprägt und die Funktionsvielfalt verändert. Die Umsetzung des Leichtbaus bedarf einer gesamtheitlichen Betrachtung der angeführten Möglichkeiten. Selbst die Substitution von Werkstoffen ist ohne Anpassung des Designs im Allgemeinen nicht effizient. In den letzten Jahrzehnten lieferte die Weiterentwicklung aller angeführten Leichtbaumöglichkeiten starke Innovationsimpulse: Neue Werkstoffe (z. B. Hochleistungs-Verbundwerkstoffe, höchstfeste Stähle) und Werkstoffverbunde (z. B. Sandwich mit geschäumten Kernen) sowie neue Formgebungsverfahren (z. B. Innenhochdruckumformung) eröffnen effizientere Gestaltungsmöglichkeiten; zuverlässigere Messungen der Eigenschaftsprofile werden für die computerunterstützte Bauteilentwicklung, realitätsnahe Fertigungs- und Beanspruchungssi-


XII

Allgemeine Einleitung

mulation eingesetzt. Des Weiteren konnten die Produktfunktionen erweitert (z. B. Sicherheit) und neue Randbedingungen (z. B. Umweltverträglichkeit) berücksichtigt werden. Nicht nur die Produktfunktionen wurden umfassender, sondern auch die Wege vielfältiger, sie zu erfüllen. Der Nutzen eines Produkts wird in der Marktwirtschaft den Kosten gegenübergestellt. Da effizienter Leichtbau im Allgemeinen höhere Werkstoff- und/oder Fertigungskosten verursacht, bedarf es eines Innovationsdrucks, etablierte Produkte durch Leichtbaulösungen zu ersetzen. Beispielsweise müsste das Gewicht der derzeit produzierten Pkws wieder so reduziert werden, dass es nicht höher ist als jenes der vor 10 Jahren produzierten. Die durch konsequenten Leichtbau erzielbare Treibstoffeinsparung von 0,3–0,5 l/100 kg scheint allerdings – wegen der erhöhten Herstellungskosten am Markt – noch keine ausreichende Nachfrage zu erzeugen. Künftig werden die Energiekosten steigen und die Umweltschutzbedingungen werden sich weiter verschärfen. Somit wird auch der Innovationsdruck in Richtung Leichtbau stärker werden. In Luft- und Raumfahrzeugen und auch in etlichen Sportartikeln ist Leichtbau längst integriert. In zunehmendem Ausmaß wird auch bei der Entwicklung von Maschinen, Straßen- und Schienenfahrzeugen auf Leichtbau gesetzt. Dieses Buch will auch mit Produktbeispielen Anregungen für die Umsetzung von Leichtbau liefern. Die jeweiligen Autoren erläutern den Weg von der Problemstellung über die Konzeption der Lösung bis zur tatsächlichen Fertigstellung des Produkts. Die Natur entwickelte Leichtbau seit Jahrmillionen, woraus die Ingenieure lernen können: Bionik [2] und Biomimetik [3] liefern richtungsweisende Anregungen, wenngleich keinesfalls einfach kopiert werden kann. Vom Entwicklungsingenieur werden umfassende Problemlösungen erwartet, um das Produktgewicht bei gleichen oder verbesserten Gebrauchseigenschaften marktkonform zu vermindern. Dafür stehen hervorragende Leichtbau-Konzepte zur Verfügung. In Ergänzung zu Fachbüchern [4–6], die die Konstruktionsaspekte betonen, will dieses Buch die Vielfalt und wechselseitige Abhängigkeit der modernen Leichtbaumöglichkeiten aufzeigen und anhand einiger Beispiele illustrieren. Aufbauend auf den Grundlagen der Konstruktions- und Berechnungsprinzipien, der Werkstoffeigenschaften (einschließlich jener der Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde) sowie der Formgebungsmöglichkeiten sollen Innovationsimpulse gegeben werden. Wegen der bisweilen anzutreffenden Marktschwelle für Leichtbauprodukte werden auch allgemeine Voraussetzungen für Innovationen erörtert, ebenso der Kostenaspekt. In der Kosten-Nutzen-Bilanz ist der gesamte Produktlebenszyklus zu betrachten, ebenso in der Umweltverträglichkeit. Die dargestellten, gegenwärtig möglichen Rezyklierverfahren für Bauteile und Werkstoffe können verstärkt zur Schonung von Ressourcen und Umwelt beitragen. Das vorliegende Buch entstand im Anschluss an das Projekt „Austrian Light Weight Structures“ [7] und will StudentInnen der Technik, MitarbeiterInnen in Forschung und Entwicklung, DesignerInnen, Entwicklungs- und FertigungsingenieurInnen, technischen VerkäuferInnen, EntscheidungsträgerInnen für Innova-

Allgemeine Einleitung

tionen und allen, die an der Umsetzung von Leichtbaukonzepten interessiert sind, wissensbasierte Leichtbaulösungen vermitteln und sie zu deren kreativer Umsetzung anregen. Wien, im August 2009

Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl

Literaturnachweis 1 Leichtbaustrategien, DVM-Bericht 675, DVM-Berlin, 2008 2 Nachtigall, W. (2003) Bionik: Grundlagen und Beispiel für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, Berlin. 3 Elices, M. (ed.) (2000) Structural biological materials – design and structure-property relationships, Pergamon, Amsterdam. 4 Klein, B. (2007) Leichtbau-Konstruktion, 7. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden.

5 Hertel, H. (1980) Leichtbau, SpringerVerlag, Berlin. 6 Wiedemann, J. (2007) Leichtbau – Elemente und Konstruktion, 3. Aufl., SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, New York. 7 Leichtbau-Seminar im Rahmen des Forschungsprojektes „Austrian Light Weight Structures“ koordiniert vom ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (LKR), gefördert von der Österr. Nationalstiftung, 2005–2007

XIII

XV

Autorenverzeichnis

Vasiliki-Maria Archodoulaki Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Nichtmetallische Werkstoffe Favoritenstraße 9–11/E308 1040 Wien Österreich Andreas Bilek KTM SPORTMOTORCYCLE AG Motorentwicklung Stallhofnerstraße 3 5230 Mattighofen Österreich Wolfgang Billinger HTL Ried-Innviertel Molkereistraße 4 4910 Ried/Innkreis Österreich Bruno Buchmayr Lehrstuhl für Umformtechnik Montanuniversität Leoben 8700 Leoben Österreich

Herbert Danninger Technische Universität Wien Institut für chemische Technologien und Analytik Getreidemarkt 9/164-CT 1060 Wien Österreich Thomas Daxner Technische Universität Wien Institut für Leichtbau und StrukturBiomechanik Gußhausstraße 25–29/E317 1040 Wien Österreich Hans Peter Degischer Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Karlsplatz 13/E308 1040 Wien Österreich Beate Edl Technische Universität Wien Institut für Managementwissenschaften Theresianumgasse 27/E330 1040 Wien Österreich


XVI

Autorenverzeichnis

Wilfried Eichlseder Montanuniversität Leoben Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau CD-Labor für Betriebsfestigkeit Franz-Josef-Straße 18 8700 Leoben Österreich Bruno Götzinger MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik AG & Co KG Liebenauer Hauptstraße 317 8041 Graz Österreich Michael Kettner ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH Leitung Strangguss Postfach 26 5282 Ranshofen Österreich Leopold Kniewallner Georg Fischer Automotive AG Mühlentalstrasse 65 8201 Schaffhausen Schweiz Richard Kretz ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH Gießtechnik Postfach 26 5282 Ranshofen Österreich Helga Lichtenegger Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Favoritenstraße 9–11/E308 1040 Wien Österreich

Ulf Noster ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH Leitung Leichtbau Postfach 26 5282 Ranshofen Österreich Cecilia Poletti Technische Universität Wien Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie Karlsplatz 13/E308 1040 Wien Österreich Franz Rammerstorfer Technische Universität Wien Institut für Leichtbau und StrukturBiomechanik Gußhausstraße 25–29/E317 1040 Wien Österreich Isabella Skrna-Jakl Technische Universität Wien Institut für Leichtbau und StrukturBiomechanik Gußhausstraße 27–29/E317 1040 Wien Österreich Adolf Stepan Technische Universität Wien Institut für Managementwissenschaften Theresianumgasse 27/E330 1040 Wien Österreich

XVII

Abkürzungen

AMA B2B BMC BMI CES CFK CIP CNG DLC DOHC DSC ECRC EOP EP EPMA EU FB FCKW FEM FHF FTF Gew.% GFK GMT HIP HM HMS HS HT IM KB KTM

American Motorcyclist Association Business to Business Bulk Moulding Compound Bismaleinimid Cambridge Engineering Selector Carbonfaser (Kohlefaser) verstärkter Kunststoff Kaltisostatisches Pressen Compressed Natural Gas Diamond Like Carbon Dual Over Head Cam Differential Scanning Calorimetry European Composites Recycling Services Company End of Production Epoxid European Powder Metallurgy Association Europäische Union Funktionsbestätigung Fluorchlorkohlenwasserstoffe Finite Element Model Flap Hinge Fairing (Landeklappen Gelenksverkleidung) Flap Track Fairing (Landeklappen Schienenverkleidung) Gewichtsprozent Glasfaser verstärkter Kunststoff Glasmatten verstärkte Thermoplaste Heißisostatisches Pressen High-Modulus High-Modulus&Strength High-Strain High-Tensile Intermediate-Modulus Konzept Kronreif Trunkenpolz Mattighofen


XVIII

Abkürzungen

LFT LT MAG MES MFA MILA MMC MPIF MPV NCF NVH OEM PA PAN PBT PDS PE PEEK PEI PES PET PF PIM PM PMC PP PPS PS PSU PTO PUR R2R RAT RRECOM RS RTM S2 SMC SOP SUV TLA TOC UD UHM UP

Langfaser verstärkte Thermoplaste Leistungstest Multiaxial-Gelege Minimum Efficient Scale Microfibril Angle (Mikrofibrillenwinkel) Magna Innovative Leightweight Auto Metall-Matrix-Composite Metal Powder Industries Federation Multi Purpose Vehicle Non Crimp Fabric Noise Vibration Harshness Original Equipment Manufacturer Polyamid Polyacrylnitril Polybutylenterephthalat Progressive Damping System Polyethylen Polyetheretherketon Polyetherimid Polyethersulfon Polyethylenterephthalat Phenolformaldehyd Powder Injection Moulding (Pulverspritzgießen) Pulvermetallurgie Polymer-Matrix-Composite Polypropylen Polyphenylensulfid Prozesssicherheit Polysulfon Prototyp try out Polyurethane Ready to Race Ram Air Turbine (Staudruckturbine) Recycling and Recovery from Composites Materials Rasche Erstarrung Resin Transfer Molding Sekundärwand 2 Sheet Moulding Compound Start of Production Sport Utility Vehicle Total Life Cycle Assessment Total Organic Carbon Unidirektional Ultra-High-Modulus Ungesättigtes Polyester

Abkürzungen

UP-Harze USD vmax VE VPTC VPTF ZB ZV

Ungesättigte Polyesterharze Upside Down Höchstgeschwindigkeit Vinylester Virtual Prototype Concept Development Virtual Prototype Feasibility Zusammenbau Zielvereinbarung

XIX

1

1 Leichtbauprinzipien 1.1 Vorbild Natur Helga Lichtenegger Kurzfassung

Leichte Konstruktionen und sparsamer Materialeinsatz spielen in der Natur eine große Rolle. Eine Methode des Leichtbaus ist der gezielte Einsatz von Hohlräumen. Beispiele auf Werkstoffebene sind zellulare Strukturen wie Holz oder trabekulärer Knochen. Zellulare Strukturen können auch kombiniert mit Vollmaterial, z. B. als Sandwich- oder Röhren-Konstruktionen auftreten. Weiter bestehen viele biologische Werkstoffe aus leichten Grundkomponenten. Als Beispiele werden die organischen Faserverbunde Holz und Knochen näher beschrieben. Ein weiteres Spezifikum biologischer Werkstoffe ist deren hierarchischer Aufbau. An vereinfachten fraktalen Strukturen konnte gezeigt werden, dass eine höhere Anzahl von Hierarchieebenen die Materialeffizienz erhöhen kann. Zusätzlich haben biologische Strukturen die Fähigkeit, sich an geänderte Belastungen anzupassen, und gegebenenfalls sogar nachträglich Material einzusparen. In Knochen beispielsweise findet durch laufenden Auf- und Abbau ständig Strukturoptimierung statt. 1.1.1 Einleitung

Aufgrund der zunehmend verfeinerten technischen Möglichkeiten erlangen Leichtkonstruktionen und Leichtmaterialien in verschiedenen Bereichen wie Architektur, Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt etc. immer größere Wichtigkeit. Der Vorteil liegt auf der Hand: Bieten Leichtbaukonzepte doch einerseits Materialersparnis, andererseits aber auch Energieersparnis im Antrieb bei beweglichen Konstruktionen. In der Natur ist dieses Konzept seit jeher weit verbreitet. Der Grund dafür ist einerseits die sehr begrenzte Verfügbarkeit von Grundbausteinen und damit verbundene Erfordernis zum sparsamen Materialeinsatz, aber auch die Tatsache, dass biologische Organismen für die Materialsynthese metabolische Energie benötigen. Leichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

2

1 Leichtbauprinzipien

Weiter spielen auch funktionale Gesichtspunkte eine Rolle: Essenziell ist Leichtbau beispielsweise bei fliegenden Organismen, um überhaupt Flugtauglichkeit zu erreichen. Nicht zuletzt verbessert Leichtbau auch die Stabilität von großen Konstrukten, die ihr eigenes Gewicht tragen müssen (z. B. Baumstämme). Zusätzlich sind biologische Organismen noch mit weiteren Anforderungen konfrontiert, die für vom Menschen hergestellte Bauteile und Konstruktionen (meist) keine Rolle spielen. Biologische Organismen müssen über die gesamte Lebensdauer voll funktionsfähig sein und bleiben, und das bei veränderlichen Umweltbedingungen. Wartung, Reparatur oder Austausch von Ersatzteilen stehen außer Diskussion, jede Beseitigung von Schäden oder Anpassung muss „bei laufendem Betrieb“ erfolgen. Die Natur begegnet diesen Anforderungen mit hochkomplexen, an typische Lastfälle äußerst gut angepasste Konstruktionen, die sich durch Selektion über sehr lange Zeiträume hinweg entwickelt haben und ihre Zusammensetzung, Struktur und damit auch mechanischen Eigenschaften laufend anpassen können. Ein guten Überblick über Struktur und Eigenschaften von biologischen Materialien erhält man beispielsweise in [1–4]. In diesem Kapitel sollen einige Beispiele biologischen Leichtbaus, vorwiegend auf Werkstoffebene, kurz erläutert werden. 1.1.2 Materialersparnis durch Hohlräume

Eine nahe liegende Strategie ein Objekt leichter zu machen ist es, Material gezielt dort wegzulassen, wo typischerweise die geringsten Belastungen auftreten. Auf diese Weise erhält man Konstruktionen in Fachwerk- bzw. Skelettbauweise. Weiter können auch Werkstoffe selbst schaumartig oder zellular strukturiert sein. Zusätzlich zu Material- und Gewichtsersparnis bietet der zellulare Aufbau die Möglichkeit Hohlräume anderweitig zu verwenden, z. B. für den Stofftransport oder für metabolische Zwecke. 1.1.2.1 Zellulare Materialien Beispiele für zellulare Materialien in der Natur sind zahlreich, z. B. Holz, Kork, trabekulärer Knochen etc. Morphologie, typische Zellgröße und relativer Volumenanteil von Material und Hohlräumen können stark variieren. Der relative Anteil von Vollmaterial (relative Dichte ρ∗ /ρs , wobei ρ∗ die scheinbare Dichte ist und ρs die Dichte des Vollmaterials) reicht von 0,05 bis 0,3 für trabekuläre Knochen und 0,2 für Balsaholz (Ochroma lagopus) bis zu über 0,8 für die dichtesten Holzarten (Ebenholz und Guajak). Typischerweise liegen Zellgrößen im Bereich von wenigen bis mehreren Hundert Mikrometern [5]. Holzzellen: prismatische Wabenstruktur Holz besteht aus röhrenförmigen Holzzellen, die entlang der Längsrichtung des Stammes oder Astes ausgerichtet sind und je nach Holzart einen Durchmesser von 10 bis 500 µm und Wandstärken zwischen 1 und 8 µm erreichen können (Abb. 1.1.1c) [6]. Holzzellen haben einerseits die Aufgabe Wasser und Nährstoffe zu leiten und fungieren andererseits

1.1 Vorbild Natur

Abb. 1.1.1 (a) Küstenmammutbaum (Sequoia sempervirens), (b) Materialeffizienz für Druckbelastung versus relative Dichte (1 bezieht sich auf Vollmaterial), experimentelle Daten aus Modellstruktur, (c) Holzzellen im Längsschnitt, (d) Holzzellen im Querschnitt, (e) idealisierte Wabenstruktur (b–e aus [10]).

als mechanische Stütze. Die Röhren können runden bis etwa sechseckigen Querschnitt (Abb. 1.1.1d) haben und sind wesentlich länger als breit (ca. 1 mm lang), weshalb Holz mit einer prismatischen Wabenstruktur angenähert werden kann (Abb. 1.1.1e) [7]. Holz weist in Längsrichtung eine große Steifigkeit (Elastizitätsmodul E) bezogen auf seine Dichte ρ auf. Insbesondere erhält man einen sehr hohen Wert für den Materialparameter ξ = E1/2 /ρ – das ausschlaggebende Materialkriterium für den Bau eines möglichst leichten und steifen Balkens, der sich elastisch wenig biegt (siehe Abschnitte 2.1 und 2.3) [7]. Balsaholz in Längsrichtung erreicht Werte von ξ = 14,1 GPa1/2 (Mg m–3 )–1 und übertrifft damit sogar künstliche Hochleistungswerkstoffe wie unidirektionalen Kohlefaserverbund [8]. Am Beispiel Holz lässt sich der Vorteil eines zellularen Aufbaus sehr deutlich sehen. Mit sinkender Dichte steigt der Parameter ξ (auch als Materialeffizienz bezeichnet) im Vergleich zu einem (hypothetischen) Vollmaterial mit Dichte ρs (Abb. 1.1.1b). Bei einer relativen Dichte von ρ∗ /ρs = 0,3, wie sie für Fichtenholz

3

4


typisch ist, ergibt das eine doppelt so hohe Materialeffizienz im Vergleich zum Vollmaterial. Dreidimensional: trabekulärer Knochen Knochen ist in mehrerer Hinsicht als Leichtbaumaterial einzustufen. Zunächst umgibt auf makroskopischer Ebene eine kompakte Schale einen weniger dichten Kern. Das Innere von Knochen ist mit Knochenmark und teilweise mit schwammartiger Knochenstruktur gefüllt, auch trabekulärer oder spongiöser Knochen genannt. Trabekulärer Knochen besteht aus balkenförmigen bzw. plattenförmigen Verstrebungen als tragenden Elementen und ist ein typisches Beispiel für eine dreidimensionale zellulare Struktur. Die Dicke der Trabekel liegt im Bereich von 100 bis 300 µm. Die mechanischen Eigenschaften von trabekulärem Knochen hängen stark von dessen Dichte ab. Es konnte gezeigt werden, dass die Deformation von trabekulärem Knochen hauptsächlich mit der Biegung und – bei entsprechend hohen Lasten – Knickung der Trabekel einhergeht. Daraus lässt sich ableiten, dass E-Modul und Druckfestigkeit proportional zum Quadrat der Dichte sind [7]. Ein entsprechender Zusammenhang zeigt sich auch empirisch, allerdings ist die Streubreite beachtlich, da bei gleicher Dichte starke Unterschiede in der Trabekelarchitektur auftreten [9]. So können die Trabekel als annähernd zylindrische Balken oder als perforierte Platten vorliegen (Abb. 1.1.2c, d). Erstere Struktur findet sich hauptsächlich bei trabekulärem Knochen geringer Dichte tief im (wenig belasteten) Inneren von Knochen, Letztere oft knapp unter der kompakten Außenhaut. Weiter kann durch Vorzugsausrichtung der Trabekel in Belastungsausrichtung strukturelle und mechanische Anisotropie auftreten. Dadurch verändert sich der Zusammenhang zwischen E-Modul bzw. Druckfestigkeit und Dichte und wird bei besonders starker Vorzugsorientierung (prismatische Struktur) in Längsrichtung linear [9]. 1.1.2.2 Sandwich- und Röhren-Strukturen Eine andere weit verbreitete Variante natürlichen Leichtbaus sind Sandwich- und Röhren-Konstruktionen. Erstere bestehen aus zwei dichten äußeren Schichten und einer weniger dichten Mittelschicht, die oft mit zellularem Material gefüllt ist. Einen solchen Aufbau findet man beispielsweise in Pflanzenblättern (Abb. 1.1.3e, f) oder auch in der Schädeldecke (Abb. 1.1.3d). Die Verbindung der dichten äußeren Schichten durch eine zellulare Mittelschicht bewirkt ein erhöhtes Flächenmoment im Vergleich zum Vollmaterial und verbessert dadurch den Widerstand gegen Biegung und Knicken. Setzt man umgekehrt eine bestimmte Biegesteifigkeit voraus, so erhält man durch eine Sandwich-Konstruktion eine Reduktion des Gesamtgewichts, und zwar sowohl gegenüber einer Konstruktion aus Vollmaterial als auch einer aus zellularem Material. Röhren-Strukturen sind vor allem bei Pflanzenstängeln zu finden. Der Stängel besitzt eine dichte äußere Hülle, das Innere besteht aus einer Waben- oder Schaumstruktur. Dabei kann die Schaumstruktur als Mittelschicht innerhalb einer Doppelwand eingesetzt werden (Abb. 1.1.3a, b) oder den gesamten Innenraum ausfüllen. Auch in der Tierwelt ist diese Konstruktion durchaus verbreitet und fin-

1.1 Vorbild Natur

Abb. 1.1.2 (a) Menschlicher Oberschenkelknochen (Femur), (b) Oberschenkelkopf im Längsschnitt: außen kompakter Knochen, innen trabekulärer Knochen, (c) trabekulärer Knochen aus dem Gelenksknorren Richtung Knie: orientierte plattenförmige Struktur, (d) trabekulärer Knochen aus dem Oberschenkelkopf: stabförmige Trabekel mit zufälliger Ausrichtung (a, b aus [3]; c, d aus [7]).

det sich beispielsweise in Federkielen oder Stacheln (Abb. 1.1.3c). Dabei wirkt der zellulare Kern als elastische Unterstützung der äußeren Schale, nimmt Deformationen auf und erhöht so den Widerstand gegen Knicken [7, 10]. 1.1.3 Organische Fasern und Faserverbunde

Leichtbaukonstruktionen erfordern neben geeigneter Architektur auch möglichst leichte Grundkomponenten. In biologischen Materialien bieten sich dafür vor allem organische Faserverbunde an. Beispiele sind Haut, Haare, Sehnen oder Pflanzenzellwände. Sie bestehen aus longitudinal steifen, organischen Fasern, die in eine weichere, ebenfalls organische, Matrix eingebettet sind. Je nach Gewebe können die Fasern aus Protein (z. B. Kollagen, Keratin) oder Polysacchariden (Zellulose, Chitin) bestehen; gemeinsam ist ihnen jedenfalls die relativ niedrige Dichte im Bereich von 1,2 bis 1,4 g/cm3 . Faserverbunde bieten eine Reihe von Vorteilen wie leichte Herstellbarkeit im Wachstumsprozess oder große Variationsbreite von mechanischen Eigenschaften bei gleichen Grundkomponenten. Nachteilig ist al-

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Abb. 1.1.3 Beispiele für Röhren-Konstruktionen und Sandwich-Strukturen in der Natur: (a, b) Grasstängel (gewöhnliche Quecke, Elytrigia repens), (c) Stachel vom Stachelschwein, (d) menschliche Schädeldecke, (e) Querschnitt durch Blatt der Schwertlilie (Iris), (f) Querschnitt durch Blatt von Rohrkolben (Typha); angepasst aus [7].

lerdings die Gefahr des Materialversagens durch Faserknicken unter Druck. In der Natur finden sich einige Strategien diese Schwächen zu beheben, wie zum Beispiel die Vorspannung der Fasern unter Zug (in Pflanzenzellwänden durch Wachstumsspannungen und Zellinnendruck) oder die laterale Unterstützung der Fasern durch eine mechanisch stabile Matrix. 1.1.3.1 Zellulosefaserverbund in der Holzzellwand Ein typisches Beispiel für einen natürlichen Faserverbund stellt die Holzzellwand dar. Sie besteht aus ca. 2,5 nm dicken teilkristallinen Zellulosefibrillen, die in eine amorphe Matrix aus Hemizellulose und Lignin eingebettet sind. Die Zellwand ist aus mehreren Schichten aufgebaut, wobei die Zellulosefibrillen in verschiedenen Schichten unterschiedlich orientiert sind [6] (Abb. 1.1.4a). In der dicksten Schicht (der Sekundärwand 2, auch S2) laufen die Zellulosefibrillen spiralförmig um die röhrenförmige Holzzelle, wobei der Kippwinkel gegen die Längsrichtung (Mikrofibrillenwinkel, MFA) in ein und demselben Baum an unterschiedlichen Stellen

1.1 Vorbild Natur

Abb. 1.1.4 Zellulosefaserverbund in der Holzzellwand: (a) schichtförmiger Aufbau der Holzzelle, Orientierung der Zellulosefibrillen in der S2, gekennzeichnet als MFA (aus [29]), (b) Spannungs-Dehnungskurven von Fichten-

holz mit verschiedenem MFA im Zugversuch (aus [13]), (c, d) Bruchflächen von Fichtenholz im Zugversuch mit MFA = 0◦ und MFA = 50◦ (Prinzipskizzen der Zellulosefaserorientierung jeweils rechts); angepasst aus [14].

stark variieren kann. So finden sich beispielsweise im Zentrum von Stämmen und an der Unterseite von Ästen vorwiegend Holzzellen mit Zellulosefibrillen, die eine eher flache Spirale beschreiben (großer Mikrofibrillenwinkel), während an der Außenseite von älteren Stämmen vorwiegend Holz mit kleinerem Mikrofibrillenwinkel zu finden ist [11]. Tatsächlich ergibt eine Änderung des Mikrofibrillenwinkels von beinahe null (fast senkrechte Fibrillen) auf bis zu 50 Grad bei ansonsten weitgehend gleicher Struktur und Morphologie das Absinken des makroskopischen E-Moduls um einen Faktor 10, während die maximale Dehnung um einen Faktor 12 ansteigt (Abb. 1.1.4b) [12, 13]. Ebenso gravierend ändert sich das Bruchverhalten: im Fall von MFA = 0◦ verformt sich Holz zunächst elastisch, um dann spröde zu brechen (Abb. 1.1.4c); im Fall von MFA = 50◦ erfolgt starke plastische Verformung, die von einem Herausziehen spiralförmiger Bruchstücke begleitet wird, und so wesentlich zu einer erhöhten Zähigkeit des Werkstoffs beiträgt [14] (Abb. 1.1.4d). Konsequenterweise finden sich hohe MFA hauptsächlich in jungen Bäumen und Ästen, wo Fle-

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xibilität essenziell ist [11]. Weiter ist Holz mit großem MFA für Druckbelastung wesentlich besser geeignet, weil der Spiralaufbau der Holzzelle die Stabilität gegen Knicken wesentlich erhöht. Druckholz an der Unterseite von Nadelholzästen weist daher immer besonders große MFA und einen höheren Anteil an Lignin auf (harter Klebstoff in der Holzzellwand), wobei Letzteres die laterale Stabilität noch zusätzlich erhöht. 1.1.3.2 Insektenpanzer: von hart bis weich mit Chitinfasern Ein weiteres Beispiel eines organischen Faserverbundwerkstoffs mit äußerst variablen mechanischen Eigenschaften ist der Chitinpanzer von Insekten. Chitin ist wie Zellulose ein Polysaccharid, das – ebenso wie natürliche Zellulose – in Form von steifen, kristallinen Fasern vorliegt (E-Modul ca. 150 GPa [15]). Anders als bei Pflanzengeweben, besteht die Matrix des Insektenpanzers jedoch aus Protein. Ebenso wie bei Holz werden die mechanischen Eigenschaften stark durch die Faserorientierung bestimmt. So findet man zum Beispiel in Sehnen von Heuschrecken Chitinfasern, die fast völlig parallel in Längsrichtung orientiert sind (da Sehnen ausschließlich unter Zug beansprucht werden). Der E-Modul von Heuschreckensehnen wird in [1] mit E = 11 GPa in Längsrichtung und 0,15 GPa in Querrichtung angegeben. Im Gegensatz dazu müssen die plattenförmigen Elemente des Außenskeletts unterschiedliche Belastungsarten aushalten. Daher findet man dort einen schichtweisen Aufbau mit unterschiedlicher Faserorientierung in den einzelnen Schichten (oft mit einem genau definierten Winkel zwischen Nachbarschichten: helikoidaler Aufbau, siehe Abb. 1.1.5a). Dies hat eine Reduktion des E-Moduls auf 3/8 dessen der Sehne zur Folge. Allerdings gewinnt man auf diese Weise Isotropie in der Ebene und vor allem auch eine erhöhte Bruchzähigkeit [1]. Im Vergleich zu Holz ist die Variationsbreite von mechanischen Eigenschaften in Chitinfasergewebe noch wesentlich ausgeprägter: Der E-Modul variiert über 7(!) Größenordnungen, und zwar von ca. 1 kPa für intersegmentale Membranen bis zu 20 GPa für trockenes Chitingewebe aus Flügel oder Schädeldecke (Abb. 1.1.5b) [15]. Diese Variationsmöglichkeit ist biologisch notwendig, da das gesamte Insekt – vom Außenpanzer bis zu sämtlichen Organen – aus Chitinfasergewebe besteht. Zusätzlich zur Faserorientierung (siehe oben) können noch weitere Parameter variiert werden, wie z. B. der relative Anteil von steifen Fasern (Chitin) und Matrix (Protein). Weiter können die mechanischen Eigenschaften durch die Zusammensetzung und den Vernetzungsgrad der Proteinmatrix eingestellt werden [15, 16]. 1.1.4 Hierarchischer Aufbau

Viele natürliche Werkstoffe weisen ausgeprägte Strukturen auf mehreren verschiedenen Längenskalen auf, weshalb sie auch als „hierarchisch“ aufgebaut bezeichnet werden. Markante Beispiele sind Holz, Knochen oder Sehnen. Typischerweise folgen Hierarchieebenen mit sehr unterschiedlicher Architektur aufeinander und ergeben zusammen einen hierarchischen Verbund, der im Allgemeinen ein hoch komplexes Spektrum von funktionellen Anforderungen erfüllt. Inzwischen

1.1 Vorbild Natur

Abb. 1.1.5 (a) Chitinfasergewebe in Heuschrecken: helikoidale Faserorientierung im Außenpanzer; parallele Faserrichtung in der Heuschreckensehne, (b) Ashby-plot E-Modul versus Dichte (siehe Abschnitt 3.3) von Chitinfasergewebe in Insekten im Vergleich zu anderen biologischen Materialien [15].

ist allgemein anerkannt, dass der hierarchische Aufbau jedenfalls für die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften biologischer Werkstoffe eine große Rolle spielt [4, 17–19]. Allerdings ist das Zusammenspiel der Hierarchieebenen noch wenig verstanden, da die einzelnen Strukturebenen experimentell schwer getrennt werden können. Interessant im Zusammenhang mit Leichtbaukonzepten ist vor allem, ob und wie ein hierarchischer Aufbau die mechanische Effizienz steigern kann. Mathematische Ansätze basierend auf vereinfachten fraktalen Modellstrukturen liefern erste Hinweise. Fraktale Modelle besitzen strukturelle Hierarchieebenen, die – anders als in biologischen Materialien – untereinander ähnlich sind. Ein Beispiel ist eine Wabenstruktur, deren Zellwände wieder aus Waben bestehen, deren Zellwände aus noch kleineren Waben bestehen (und so weiter). Lakes [19] zeigte an einer fraktalen Wabenstruktur, dass eine höhere Anzahl der Hierarchieebenen die relative Festigkeit unter Druck (bezogen auf die Festigkeit des Vollmaterials) erhöhen kann (Abb. 1.1.6). Der Grund dürfte darin liegen, dass diese Konstruktion ein Knicken verhindert. Ebenso zeigte sich ein positiver, allerdings geringerer, Effekt bei orientierten Schaumstrukturen – einer Morphologie wie sie in trabekulärem Knochen auftritt [19]. Die mechanische Effizienz einer Platte mit hierarchischer Verstrebungsstruktur unter Biegebelastung und einer hierarchischen Schalenkon-

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Abb. 1.1.6 Verhältnis von Festigkeit des hierarchischen Materials mit relativer Dichte ρ∗ /ρs = 0,01 bzw. 0,0001 zur Festigkeit des Vollmaterials aufgetragen gegen die Anzahl der Hierarchieebenen (nach [19]).

struktion unter Druckbelastung erreicht (unter bestimmten Voraussetzungen, wie elastische Verformung unter zumindest teilweiser Druckbelastung) eine größere Effizienz für eine größere Anzahl von Hierarchieebenen [20, 21]. Die Tatsache, dass ein fraktaler Aufbau eine Materialersparnis bringen kann, lässt die Vermutung zu, dass biologische Werkstoffe mit ihren vielen, strukturell unterschiedlichen Hierarchieebenen noch ein weit größeres Optimierungspotenzial haben, da auf unterschiedlichen Längenskalen im Prinzip jeweils andere Parameter optimiert werden können. Dies könnte sich auch in einer vorteilhaften Kombination von Eigenschaften niederschlagen: Knochen beispielsweise weist eine höhere Festigkeit auf als seine Grundkomponenten (Kollagen, HydroxyapatitMineral) einzeln und bietet gleichzeitig einen sehr guten Kompromiss zwischen Steifigkeit und Zähigkeit. 1.1.5 Funktionsgerechtes Wachstum und Anpassung

Im Gegensatz zu vom Menschen hergestellten Konstruktionen, deren Bauteile bei Bedarf ausgetauscht und repariert werden können, sind biologische Organismen auf die ständige Verfügbarkeit und Funktionsfähigkeit ihrer Teile und bei Schäden und Verletzungen auch auf deren Selbstheilungsfähigkeit angewiesen. Zusätzlich müssen sie auch für Veränderungen in den Umweltbedingungen gewappnet sein. Im Wesentlichen gibt es zwei Strategien, um mechanische Eigenschaften anzupassen: den Materialanbau und den Materialumbau. Die erst genannte Strategie

1.1 Vorbild Natur

findet man beispielsweise in Holz, wo Material an der Außenseite, direkt unter der Rinde des Stammes oder Astes hinzugefügt wird [22], und zwar selektiv dort, wo es benötigt wird, um die lokalen Spannungen möglichst gleichmäßig zu verteilen [23]. Relevanter für den Leichtbau – und daher im vorliegenden Zusammenhang interessanter – ist die Strategie des Materialumbaus, bei der sowohl Material hinzugefügt als auch entfernt werden kann, d.h. auch Gewicht eingespart werden kann. Materialumbau findet in vielen biologischen Geweben statt, besonders offensichtlich ist die Anpassung an geänderte Lastverhältnisse in Knochen. Der Anatom Wolff (1836–1902) erkannte als Erster, dass lebender Knochen sich verändert, je nach Art der Spannungen und Dehnungen, die er erfährt [24]. Das kann Veränderungen der äußeren Form oder der inneren Struktur zur Folge haben, im letzteren Fall beobachtet man Veränderungen der Porosität, des Mineralgehaltes und der Dichte. Die mechanische Optimierung erfolgt nach zwei Hauptprinzipien: Minimierung der Spannungen und geeignete Verteilung des Materials, um ein möglichst geringes Gewicht zu erzielen. Der Umbau des Knochens findet laufend statt und ermöglicht so eine zwar langsame, aber kontinuierliche Anpassung [2, 25]. Zu beobachten ist dieser Prozess sehr gut an Veränderungen in trabekulärem Knochen. Roschger et al. [26] untersuchten die trabekuläre Struktur in menschlichen Wirbelkörpern in pränatalem und adultem Zustand (Alter: von 15 Wochen nach Empfängnis bis 97 Jahre). Dabei konnten die Autoren eine Entwicklung der Trabekelarchitektur von vorwiegend radialer Ausrichtung in pränatalem Wachstumsknorpel hin zu orthogonaler Architektur (vertikal in Belastungsrichtung und normal dazu Stütztrabekel) in adultem Knochen beobachten. Diese Veränderung setzt direkt nach der Geburt ein, wenn die Wirbelsäule vertikale, mechanische Belastungen durch Gravitation aufnehmen muss. Ebenso wurden Veränderungen auf Nanometerebene beobachtet: Auf dieser Längenskala ist Knochen ein Verbund von Kollagenfasern und Hydroxyapatit-Mineralplättchen. Während in pränatalen Wirbelkörpern (mineralisierter Wachstumsknorpel) zufällige Ausrichtung der Mineralplättchen [27] vorherrscht, entwickelt sich mit der Zeit eine starke Vorzugsorientierung in Trabekel-Längsrichtung (Abb. 1.1.7). Obwohl die Veränderungen in trabekulärem Knochen in den ersten Lebensjahren am auffälligsten sind, gibt es auch Beispiele für Anpassung im fortgeschrittenen Lebensalter. Die Ausbildung atypischer, diagonal ausgerichteter Trabekel bei einem 85-jährigen Mann in einem Wirbelkörper, der aufgrund eines Knochenauswuchses (Osteophyt) unter asymmetrischer Belastung stand, wurde in [3, 28] beschrieben. Kommt es umgekehrt zu verminderter Belastung (etwa durch längeren Aufenthalt in der Schwerelosigkeit bei Astronauten oder lokal durch ein schlecht angepasstes Implantat), wird Material eingespart. Diese – aus dem Blickwinkel des Leichtbaus – „intelligente“ Reaktion kann allerdings zu physiologisch unerwünschten Resultaten, nämlich zu vermehrtem Abbau von Knochen (Knochenschwund) und damit erhöhter Bruchanfälligkeit führen.

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Abb. 1.1.7 Menschlicher Wirbelknochen, Trabekelarchitektur: (a) 17 Wochen nach Empfängnis, (b) 5 Wochen nach der Geburt, (c) 8 Jahre nach der Geburt [26].

1.1.6 Ausblick für technische Konstruktionen

Zusammenfassend darf festgestellt werden, dass biologische Materialien weiterhin als nachahmenswerte Beispiele für neue Leichtmaterialien und Leichtkonstruktionen dienen können. Manche Konzepte, wie zum Beispiel die Skelettbauweise, haben schon lange in die Technik Eingang gefunden – nicht zuletzt auch durch Bauprinzipien, die Wissenschaftler und Ingenieure aus der Natur entlehnt haben. So ließ sich Gustav Eiffel für die Verstrebungen des Eiffelturms durch die Trabekulärstuktur des menschlichen Oberschenkelknochens inspirieren. Allerdings bleibt noch vieles zu verwirklichen: Etwa eine hierarchische Strukturierung oder gar die Fähigkeit der laufenden Selbstanpassung würden weitere Möglichkeiten zur Steigerung der mechanischen Effizienz bieten.

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1.2 Berechnungs- und Design-Konzepte für den Leichtbau Franz G. Rammerstorfer und Thomas Daxner Kurzfassung

Dieses Kapitel befasst sich zunächst mit Leichtbau-Berechnungsmethoden und nachfolgend mit Leichtbau-Konstruktionsprinzipien. Diese Reihenfolge wurde gewählt, um im Zuge der Beschreibung der Berechnungsmethoden auf die für Leichtbaukonstruktionen typischen Versagensformen (und deren Vorhersage) eingehen zu können. Dadurch wird die darauf folgende Vorstellung konstruktiver Maßnahmen, die eine effiziente Absicherung gegen diese Versagensarten darstellen, verständlicher. Bei der Beurteilung und der konstruktiven Auslegung von Leichtbau-Systemen sind sowohl festigkeits- als auch steifigkeitsbezogene Kriterien zu beachten. Da Leichtbau zumeist mit dünnwandigen Strukturen betrieben wird, kommen vermehrt Kriterien zum Tragen, welche die Steifigkeit der Konstruktion zum Inhalt haben, wie z. B. Vermeidung von zu großen Deformationen bzw. Vermeidung von steifigkeitsdominierten Instabilitäten, wie Knicken oder Beulen. Demgemäß wird in diesem Kapitel diesen Versagensformen besonderes Augenmerk zugewandt. Dem Umstand entsprechend, dass im modernen Leichtbau in vermehrtem Ausmaß Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde eingesetzt werden, wird auch auf die Berechnung von Sandwich- und Laminatstrukturen eingegangen. Unter dem Titel „Leichtbau-Konstruktionsprinzipien“ werden Empfehlungen dahingehend gegeben, wie durch bisweilen relativ kleine und einfache Veränderungen in der konstruktiven Gestaltung Masse (und damit Gewicht) eingespart bzw. die Tragfähigkeit der Konstruktion signifikant erhöht werden kann. Es werden die Vor- und Nachteile der Integral- bzw. Differentialbauweise diskutiert, und schließlich wird aufgezeigt, wie Methoden der Topologie-, Form-, Parameter- und Materialoptimierung nutzbringend im Leichtbau eingesetzt werden können. 1.2.1 Einleitung

„Leichtbau“ ist ein modernes Schlagwort geworden und in nahezu allen Gebieten des modernen Maschinenbaus als eine der vordringlichsten Zielsetzungen zu finden. Damit Leichtbau aber nicht nur ein Schlagwort ist, sind entsprechende Kenntnisse über Leichtbau-Konstruktionskonzepte und Leichtbau-Berechnungsmethoden und deren gezielter Einsatz unverzichtbar. Was ist nun „Leichtbau“? Leichtbau ist das Gestalten von Bauteilen in der Weise, dass sie – bei Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich ihres Einsatzes – möglichst leicht sind; exakter ausgedrückt: möglichst geringe Masse besitzen. Wenn hier von der „Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich des Einsatzes der Bauteile“ die Rede ist, dann bedeutet dies unter anderem, dass bei der Gestaltung auch auf die unterschiedlichen Versagensformen Bedacht zu nehmen ist. Wegen

1.2 Berechnungs- und Design-Konzepte für den Leichtbau

der aus den Leichtbau-Konzepten resultierenden eher dünnwandigen bzw. schlanken Konstruktionen ist keinesfalls allein auf Festigkeitserfordernisse (Materialversagen), wie sie z. B. im Kapitel 1.3 behandelt werden, sondern – in vermehrtem Ausmaß – auch auf Steifigkeitserfordernisse zu achten: Die Verformungen dürfen nicht unzulässig groß werden, und die Stabilität muss ausreichend gesichert sein. Dies bedeutet, dass die Leichtbau-Konstruktionen hinsichtlich statischer Instabilitäten, wie Knicken, Kippen, Beulen, Durchschlagen oder Erreichen der plastischen Traglast bzw. hinsichtlich Formen von dynamischen Instabilitäten, wie Flattern oder Parameterresonanzen, zu untersuchen sind. Demgemäß haben Konzepte der Stabilitätsanalyse im Leichtbau besondere Bedeutung. Während die leichtbaugemäße Materialauswahl im Kapitel 2 und der Fertigungsleichtbau im Kapitel 3 näher betrachtet werden, beschäftigt sich das vorliegende Kapitel neben einigen grundsätzlichen Konstruktionsrichtlinien des Leichtbaus und einigen Betrachtungen zu Optimierungsstrategien vorwiegend mit Berechnungsmethoden des Leichtbaus, wie sie z. B. in [1–4] ausführlicher dargestellt sind. Mit genaueren und zuverlässigeren Berechnungsmethoden können die Auslegungsbedingungen leichtbaugerechter gemacht werden, d. h. Sicherheitszuschläge, die aufgrund von nur ungefähren Abschätzungen oder näherungsweisen Berechnungen als masseerhöhend aufgeschlagen wurden, können reduziert werden bzw. ganz entfallen. Sicherheitsfaktoren können – wo es aufgrund genauerer Berechnungsmethoden gerechtfertigt erscheint – näher an 1,0 herangerückt werden, und über Optimierungsverfahren kann erreicht werden, dass die Auslastung des Materials weitgehend vergleichmäßigt wird und nicht mehr einzelne Details (z. B. Spannungskonzentrationen an Kerben oder Lasteinleitungsstellen) die Wanddicke auch in weniger beanspruchten Gebieten mit bestimmen. Aufgrund des geringen Ausmaßes an verfügbarem Platz wird im vorliegenden Kapitel bewusst auf tiefergehende Betrachtungen verzichtet; bisweilen wird als Ersatz dafür auf die einschlägige Literatur verwiesen. 1.2.2 Einige Leichtbau-Berechnungsmethoden

Aus der Sicht der Strukturmechanik im Leichtbau ist grundsätzlich zwischen Deformations-/Spannungsanalysen, Stabilitätsanalysen und Schwingungsanalysen zu unterscheiden. Ferner kann zwischen analytischen Methoden und numerischen, d. h. computerunterstützten Methoden, wie z. B. die Methode der Finiten Elemente, unterschieden werden. Die Methode der Finiten Elemente (die ihren Ursprung dem Leichtbau im Flugzeugbau verdankt) ist im Leichtbau unverzichtbar; dennoch würde es den Rahmen dieses Abschnitts sprengen, die Methode zu beschreiben; dazu sei auf die Literatur verwiesen – siehe z B. [5]. Allerdings sei mit Nachdruck darauf hingewiesen, dass ohne ausreichende Kenntnisse der theoretischen Hintergründe der FE-Methoden und der Grundlagen der Festigkeitslehre die Verwendung noch so benutzerfreundlicher FE-Programme in hohem Maße riskant und somit nicht ratsam ist.

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Im Folgenden werden einige Aspekte der analytischen Spannungsanalyse von typischen Leichtbaustrukturen diskutiert, ohne dass vertieft auf die Methoden eingegangen wird. Den Stabilitätsbetrachtungen, der Behandlung von Sandwich-Strukturen und Laminaten sowie der Optimierung werden eigene Abschnitte dieses Buchteils gewidmet. 1.2.2.1 Die Schubfeld-Theorie Dünnwandige Platten- oder Schalenkonstruktionen sind im Allgemeinen beulgefährdet. Die Beullast bzw. die Beulsicherheit lässt sich durch Steifen bzw. Rippen, welche – sofern sie zur Erzwingung von Knotenlinien in der Beulfigur ausreichend steif sind – die Abmessungen der relevanten Beulfelder reduzieren, beträchtlich erhöhen (siehe Abb. 1.2.1). Rippenrost-Strukturen sind oftmals nicht ausreichend steif und fest gegenüber Schubbelastung (aus Querkraftbiegung und Torsion); diesem Mangel kann durch die Aufbringung einer dünnen „Haut“, welche vorwiegend die Schubbeanspruchungen aufnimmt, abgeholfen werden, und zur Erzeugung wandartiger Leichtbaukonstruktionen werden vielfach Bauteile aus dünnen Blechen, die an relativ steife Gurte angeschlossen sind, gestaltet (vgl. Abb. 1.2.1). In all diesen Fällen entstehen Konstruktionen, welche mittels der im Folgenden skizzierten Schubfeld-Theorie zur näherungweisen Erfassung der Beanspruchungen behandelt werden können. Die Abb. 1.2.2 zeigt am Beispiel der Querkraftbiegung eines I-Trägers mit hohem, dünnem Steg die grundsätzlichen Näherungen der Schubfeld-Theorie. Die in Abb. 1.2.2b dargestellte Näherung setzt voraus, dass gilt: tS > b und l >> h die hinsichtlich Kippens kritische Querlast, oben am freien Balkenende angreifend, näherungsweise zu

Q∗z W

4 EJz GJT l2

(1.2.20)

1.2.3.3 Beulen von Platten Platten können unter Belastungen in Plattenebene aus der trivialen (d. h. ebenen) Deformation heraus in eine nichttriviale Deformationsfigur (Transversalverschiebung w) verzweigen, d. h. beulen. Der aus der Belastung resultierende Membranspannungszustand wird durch die Schnittgrößen Nij , das sind Membrankräfte je

Abb. 1.2.10 Kippen von hohen Trägern.

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Längeneinheit, beschrieben. Hier sei beispielhaft das elastische Beulen von isotropen Rechteckplatten skizziert; weitergehende Betrachtungen sind z. B. in [1, 3, 16] zu finden. Elastisches Beulen von dünnen Rechteckplatten Jener Membranspannungszustand (bzw. die zu diesem Membranspannungszustand führende Belastung) ist als „kritisch“ zu bezeichnen, bei dem – in Analogie zu der bei den Stäben beschriebenen Vorgehensweise – unter Beachtung der Randbedingungen, erstmals eine nichttriviale Lösung der linearisierten und auf reine Scheibenbelastung spezialisierten von Kármán’schen Plattengleichung (vgl. [16]),

KΔΔw + Nxx

∂2w ∂2w ∂2w + N + 2N =0 yy xy ∂x2 ∂y2 ∂x∂y

(1.2.21)

auftritt (Druck-Membrankräfte sind hier positiv angenommen). Die Plattenbiegesteifigkeit ist für homogene, linear elastische, isotrope Platten der Dicke t durch Et3 K = 12(1–ν 2 ) gegeben. Auf diese Weise gewinnt man unter Voraussetzung elastischen Beulens für festgelegte Belastungsarten und Randbedingungen die den beulkritischen Zustand charakterisierende Membranspannung zu σ ∗ = kE

t 2 b

(1.2.22)

Darin bedeutet k den Beulfaktor, der von der Belastungsart, den Randbedingungen und dem Längen-Breiten-Verhältnis der Rechteckplatte abhängt. Auch die Querdehnungszahl ν geht in k ein. Diese Abhängigkeiten sind in Diagrammform in diversen Sammlungen zu finden, siehe z. B. [1, 3]. Für konstante einachsige Membran-Druckbelastung sind beispielhaft derartige Diagramme in Abb. 1.2.11 dargestellt. Für elastisches Beulen bei gemischten Membran-Beanspruchungen stehen Interaktionsbeziehungen (siehe z. B. [17]) bzw. Interaktionsdiagramme (siehe z. B. [3]) zur Verfügung. In Abb. 1.2.12 ist als Beispiel das Interaktionsdiagramm für zweiachsige Druck-Membranbelastung eines langen Plattenstreifens dargestellt. Darin bedeutet Rx das Verhältnis zwischen der vorliegenden Druckspannung in x-Richtung und der beulkritischen Spannung, bestimmt unter einachsiger Beanspruchung in x-Richtung; in analoger Weise ist Ry das Verhältnis zwischen Lastspannung und Beulspannung in y-Richtung. Liegt der durch (Rx , Ry ) bestimmte Punkt im Inneren des von der Interaktionskurve begrenzten Bereichs, dann liegen unterkritische Verhältnisse vor; außerhalb der Interaktionskurve liegende Wertepaare stellen instabile Lastkombinationen dar. Die Beziehungen für die Ermittlung der kritischen Membranspannungen sind unter Annahme linear elastischen Materialverhaltens gewonnen worden. Demgemäß ist zu beachten, dass Ergebnisse für kritische Spannungen, welche eine Vergleichsspannung liefern, die über der Streckgrenze liegt, ungültig sind; in solchen Fällen liegt inelastisches Beulen vor, welches hier nicht behandelt wird; siehe dazu z. B. [1, 3].


Abb. 1.2.11 Diagramm zur Bestimmung des Beulfaktors k zum Beulen von Rechteckplatten unter einachsiger Druckbelastung. Die Beulfiguren für verschiedene Längen-Breiten-Verhältnisse und Lagerungsbedingungen sind dargestellt.

Abb. 1.2.12 Interaktionsdiagramm bei zweiachsigem Druck (langer Plattenstreifen).

Analog zum Stabknicken reduziert auch beim Plattenbeulen die Berücksichtigung der transversalen Schubnachgiebigkeit die kritischen Lasten; vgl. [4, 18]. Dies ist besonders bei Sandwichplatten zu beachten! Hinsichtlich der Behandlung des Beulens von versteiften Platten und auch deren Tragreserven nach Eintreten erster lokaler Instabilitäten (Stichwort „mittragende

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Breite“) sei hier auf die Literatur verwiesen, siehe z. B. [1, 3]. Das Beulen von orthotropen Platten, das auch bei Platten aus Verbundwerkstoffen eine Rolle spielen kann, ist z. B. in [16, 18] behandelt. Lokales Beulen von Profilwänden bei gedrückten, dünnwandigen Stäben Axial gedrückte Stäbe, die aus dünnwandigem Profil gebaut sind, können instabil werden durch globales Knicken (einschließlich Biegedrillknicken) als Stab, durch elastisches Beulen der Stabwände bzw., bei vergleichsweise eher dickeren Wänden, durch plastisches Beulen der Profilwände sowie durch Kombinationen obiger Formen; siehe dazu Abb. 1.2.13. Beulformen für das Profilwandbeulen sind schematisch in Abb. 1.2.14 dargestellt. Dieses lokale Beulen der Stabwände kann in erster Näherung als das Beulen von einzelnen Plattenstreifen bei geeigneter (konservativer) Festlegung der Randbedingungen behandelt werden. Für eine genauere Analyse des Beulens von Stab-

Abb. 1.2.13 Typische Formen von Instabilitäten von Stäben mit dünnwandigem Profil (Profilwandbeulen).

Abb. 1.2.14 Schematische Darstellung der Amplitudenverteilung der Beulmuster bei Profilwandbeulen.


wänden ist der Umstand zu berücksichtigen, dass die Beulmuster der an einer gemeinsamen Kante verbundenen Stabwände nicht voneinander unabhängig sind, sondern im Allgemeinen gleiche Wellenzahl haben. In [3] sind solche Probleme behandelt. Übergang vom Schubfeld zum Zugfeld (Zugfeldtheorie) Eine besondere Form des Plattenbeulens stellt das Beulen von Schubfeldern dar. Der Spannungszustand im unterkritisch beanspruchten Schubfeld kann durch den zentrisch liegenden Mohr’schen Spannungskreis dargestellt werden (Abb. 1.2.15). Erreicht die durch Erhöhung der äußeren Belastung gesteigerte Schubspannung 2 im Schubfeld die kritische Schubspannung τ∗ = kE bt , mit dem Beulfaktor k, der aus Diagrammen in Abhängigkeit von der Art der Einbindung des Schubfelds in die Randstäbe entnommen werden kann, siehe (z. B. [3]), so beult das Schubfeld, und in weiterer Folge bilden sich Falten in etwa normal zur Richtung der DruckHauptnormalspannung, also etwa 45◦ gegenüber den Randstäben geneigt, aus. Die Schubspannung τ im Stegblech kann auch im überkritischen Zustand gesteigert werden. Es kann also die äußere Last bei bereits gebeultem Feld noch (im Allgemeinen sehr beträchtlich) erhöht werden. Die Hauptnormaldruckspannung kann im überkritischen Fall nur noch schwach ansteigen; somit wandert der mit τ als Radius größer werdende Mohr’sche Spannungskreis in der Abb. 1.2.15 nach rechts, und es bildet sich ein „Zugfeld“ (Wagner’sches Zugfeld; siehe [19]) aus. Der Spannungszustand im gebeulten Feld kann für sehr hohe Überschreitungsgrade, ξ := τ/τ∗ , unter Zugrundelegung der für das ideale Zugfeld getroffenen Annahme σ2 = 0, Faltenwinkel 45◦ , direkt aus dem Mohr’schen Spannungskreis (siehe Abb. 1.2.15) ermittelt werden:

σ1 = 2τ ,

σxx = σyy = τ

(1.2.23)

Die nur im überkritischen Zustand des Felds auftretenden Normalspannungskomponenten σxx und σyy (es sind dies immer Zugspannungen!) führen zu zusätzlichen Beanspruchungen der Verbindungen zwischen den Feldern und den Stäben sowie zu zusätzlichen Beanspruchungen der Stäbe selbst: Biegung und weitere Normalkräfte.

Abb. 1.2.15 Mohr’sche Spannungskreise; Entwicklung des Zugfelds.

29

30


Abb. 1.2.16 Vollständiges Versagen eines Schubfeldträgers bei hohen Überschreitungsgraden.

Das Auftreten von Falten in den Feldern ist – je nach Bemessungsrichtlinie – im Allgemeinen noch keine Versagensform; somit müssen für Bauteilversagen nach dem ersten Auftreten von Falten in den Feldern folgende Ereignisse in Betracht gezogen werden (Abb. 1.2.16): lokales Plastizieren (bleibende Deformationen), Zugbruch des Felds (quer zu den Falten – σ1 maßgeblich), globaler Stabilitätsverlust durch Knicken der Stäbe, Beulen der Profilwände der Stäbe, Versagen der Verbindungen, globales Kippen bei wandartigen Trägern etc. 1.2.3.4 Zum Beulen von Rotationsschalen Das Beulen von dünnwandigen Schalen stellt in den meisten Fällen ein Verzweigungsproblem mit instabilem Nachbeulverhalten dar, was auf hohe Imperfektionsempfindlichkeit hinweist (siehe Abb. 1.2.7). Schwach gekrümmte Schalen unter Flächendruckbelastung (z. B. dünne Kugelkalotten unter Außendruck) oder dünne Schalen unter konzentrierten transversalen Lasten können auch durchschlagen. Im Folgenden wird – aus Platzgründen – lediglich die axial gedrückte Kreiszylinderschale etwas näher betrachtet; weiterführende Betrachtungen zum Schalenbeulen können der Literatur, z. B. [9, 20, 21], entnommen werden. Beulen von Kreiszylinderschalen Für die homogene, linear elastische, dünnwandige, axial gedrückte (axiale Membrandruckkraft Nxx ) belastete Kreiszylinderschale kann eine theoretische (d. h. perfekte Geometrie und Lasteinleitung, linear elastisches, isotropes, homogenes Material vorausgesetzt), „klassische“ Beulspannung über die aus den Donnel’schen Gleichungen (siehe [16]) gewonnene Differentialgleichung

KΔ4 w +

4 2 D p 2 ∂2w 2 ∂ w 2∂ w (1 – ν ) + N Δ + =0 Δ xx R2 ∂x4 ∂x2 R ∂ϕ2 3

(1.2.24)

Et Et mit der Biegesteifigkeit K = 12(1–ν 2 ) und der Dehnsteifigkeit D = 1–ν2 , ohne äußeren Manteldruck, d. h. p = 0, bei einem (praktisch kaum relevanten) axialsymmetrischen, in Längsrichtung periodischen Lösungsansatz mit radial und tangential


Abb. 1.2.17 Diagramm zur Bestimmung des Beulfaktors k zum Beulen von Zylinderschalen unter axialer Druckbelastung. Die Beulfiguren für verschiedene Geometrieparameter sind dargestellt.

unverschieblichen Rändern als σ∗ = kE mit k = √

t R

1 , 3(1–ν2 )

(1.2.25) gewonnen werden. Tiefergehende Stabilitätsanalysen, wie sie

in [22] dargestellt sind, zeigen, dass Gl. (1.2.25) mit einem Beulfaktor k, der von den geometrischen Verhältnissen (R/l und t/R) gemäß dem in der Abb. 1.2.17 dargestellten Girlandendiagramm abhängt, auch für die relevanteren nicht-axialsymmetrischen Beulformen zur Berechnung der theoretischen Beulspannung herangezogen werden kann. Es ist unbedingt zu beachten, dass bei radial verschieblichen bzw. freien Rändern die kritische Axiallast deutlich absinken kann; siehe dazu auch [21]. Wesentlich erweiterte Betrachtungsweisen unter Miteinbeziehung der nichtlinearen Beultheorie sind z. B. in [9] dargestellt. Im Girlandendiagramm (Abb. 1.2.17) ist eine Einteilung in kurze, mittellange und lange Zylinderschalen erkennbar. Diese Zuordnung wird in Regelwerken über geometrische Parameter festgelegt; vgl. z. B. [23, 24]. Für mittellange Zylinderschalen mit radial und tangential unverschieblichen Rändern wird oftmals – unter Annahme von ν = 0,3 – die theoretische kritische Axialdruckspannung (für elastisches Beulen) mittels ∗ σth = 0,605E

t R

(1.2.26)

berechnet, obgleich dies – insbesondere für größere Rl -Werte – eine Näherung darstellt (wie man aus Abb. 1.2.17 erkennt).

31

32


Abb. 1.2.18 Reduktion der praktischen gegenüber der theoretischen Beulspannung aufgrund von Imperfektionen (und RandBiegestörungen).

Dünnwandige Schalen, und so auch die hier behandelten Zylinderschalen, sind wegen des instabilen Nachbeulverhaltens sehr imperfektionsempfindlich. Aus diesem Grund (und wegen der Rand-Biegestörungen) liegt in der Realität ein Durch∗ , sind deutlich schlagsproblem vor, und die praktischen Beulspannungswerte, σpr ∗ geringer als die theoretischen, σth (Abb. 1.2.18). Dieser Umstand wird durch die Einführung eines Abminderungsfaktors αA berücksichtigt, der je nach Auslegungsvorschrift und Qualitätsmaßstäben zu ermitteln ist (vgl. z. B. [21, 23]): ∗ ∗ σpr = αA σth = αA 0,605E

t R

(1.2.27)

Da das elastische Beulen mittellanger Zylinderschalen ein eher lokales Phänomen ist, wird es auch durch den lokalen Spannungszustand bestimmt. Demgemäß kann das Beulen solcher Schalen zufolge der maximalen axialen Druckspannung bei globaler Biegung (die evtl. einer Axialbelastung überlagert ist) mit obigen Formeln untersucht werden. Ein innerer Überdruck pi hat bei elastischem Axiallastbeulen – vorwiegend durch das Glätten von geometrischen Imperfektionen – eine stabilisierende Wirkung [24]; allerdings kann ein zu hoher Innendruck auch wegen der dadurch verursachten Umfangs-Zugspannungen, welche das Plastizieren begünstigen, destabilisierend wirken! Nähere Betrachtungen dazu sind in [21] zu finden. Generell ist auch beim Schalenbeulen zu beachten, dass die obigen Beulformeln nur angewendet werden dürfen, wenn der berechnete beulkritische Spannungszustand ausreichend weit entfernt vom Überschreiten der Streckgrenze ist. Dabei ist zu bedenken, dass wegen der Rand-Biegestörungen nicht allein der Membranspannungszustand für den Plastizierungsbeginn maßgeblich ist. Dazu sind der Fachliteratur Angaben für die Grenzen der Anwendbarkeit der Beziehungen für elastisches Beulen und Methoden zur Behandlung des elasto-plastischen Beulens zu entnehmen, siehe z. B. [24]. Für das elastische Beulen axial gedrückter kurzer Kreiszylinderschalen ist sowohl auf Schalen- als auch auf Plattenbeulen zu prüfen: Es wird zunächst so vorgegangen wie bei der Ermittlung der kritischen Spannung für mittellange Zylinderschalen. Allerdings muss aber auch berücksichtigt werden, dass das Schalenbeulen bei


kurzen Zylindern mehr und mehr in das Beulen gekrümmter Platten übergeht; Genaueres siehe z. B. [9]. Die maßgebliche kritische Spannung ist dann die größere der beiden so ermittelten kritischen Spannungen. Bei langen Zylinderschalen geht das Beulen mehr und mehr in das globale Knicken der Zylinderschale als rohrförmiger Stab über, und es ist für das elastische Beulen sowohl auf Schalenbeulen für lange Zylinder, z. B. mittels ∗ σpr,l = αA 0,36E

t R

(1.2.28)

als auch auf Stabknicken mit den Knickformeln des Stabs (mit kreisringförmigem Querschnitt), siehe Gl. (1.2.17), zu untersuchen. Hier ist nun der kleinere der beiden kritischen Axiallastwerte maßgeblich. Außendruckbelastete, tordierte, auf Schub und kombiniert beanspruchte Zylinderschalen werden hier nicht behandelt; dazu sei auf die einschlägige Literatur verwiesen (siehe z. B. [9, 20, 21]). Dort finden sich auch Informationen zum Beulen von anderen Rotationsschalen sowie von versteiften und orthotropen Schalen. 1.2.4 Sandwich- und Laminat-Strukturen

Zur Erzielung hoher Festigkeiten und Steifigkeiten der Bauteile bei möglichst geringer Masse werden im Leichtbau unterschiedliche Materialien ortsabhängig in effizienter Weise angeordnet, was zu Materialverbunden führt, wobei die Komponenten dieser Verbunde sowohl homogenes Material als auch selbst Verbundmaterialien oder – in Sandwich-Kernen – zellulär strukturierte Materialien sein können. Zwei Vertreter dieser Designmethode sind Sandwich- und Laminat-Strukturen. 1.2.4.1 Sandwich-Strukturen Sandwich-Elemente bestehen im Wesentlichen aus dünnen Deckschichten aus festem und steifem Material, die durch eine Kernschicht aus möglichst leichtem, ausreichend schubsteifem und -festem Material auf Distanz gehalten werden (siehe Abb. 1.2.19). Auf diese Weise werden hohe Biegesteifigkeiten und -festigkeiten bei geringem Flächengewicht erreicht. Solche Strukturen werden im Leichtbau vorwiegend dort eingesetzt, wo in Balken-, Platten- oder Schalenkonstruktionen neben Membran- auch Biegebeanspruchungen bei möglichst geringem Gewicht zu übertragen sind bzw. Stabilitätsverlust bemessungsrelevant wird. Zur Vereinfachung werden in den folgenden Betrachtungen isotropes, linear elastisches Verhalten des Deckschichtmaterials, linear elastisches Kernverhalten und idealer Verbund zwischen den Deckschichten und dem Kern vorausgesetzt. Die Biege- und die Dehnsteifigkeit der Kernschicht in Richtung der Mittelfläche und die Biege- sowie die Querschubsteifigkeit der als sehr dünn vorausgesetzten Deckschichten werden vernachlässigt. Somit werden die globalen Biegemomente und Membranschnittkräfte nur durch Membrankräfte in den Deckschichten und die Querkräfte nur durch Schub im Kern übertragen. Die Schubdeformationen des

33

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Abb. 1.2.19 Sandwich-Platten mit (a) Honigwaben- und Schaumkern sowie mit (b) gewelltem Kern.

Kerns müssen allerdings berücksichtigt werden, d. h. die Bernoulli-Hypothese für Balken bzw. die Kirchhoff’sche Hypothese für Platten und Schalen sind nicht mehr anwendbar, und es können in manchen Fällen zufolge der transversalen Schubdeformationen eher unerwartete Verformungsbilder entstehen (Abb. 1.2.20). Bei der Beurteilung des Tragvermögens von Sandwich-Konstruktionen sind u. a. folgende Versagensformen zu beachten: Plastizieren oder Bruch der Deckschicht zufolge zu hoher Membranspannungen, Kernversagen durch zu hohe Schubspannungen (Aufreißen des Kerns unter 45◦ ), Versagen der Verbindung zwischen Kern und Deckschichten, lokales Versagen an Lasteinleitungsstellen sowie diverse Formen des globalen und lokalen Stabilitätsverlustes. Bei der Bestimmung der knick- bzw. beulkritischen Belastungen von SandwichStäben bzw. -Platten ist die transversale Schubnachgiebigkeit zu berücksichtigen, und es ergeben sich gegenüber den klassischen Euler-Fällen reduzierte kritische Werte; vgl. Gl. (1.2.19), aus der sich mit GAS → GKxz bh die Knicklast P¯ ∗K aus der folgenden Beziehung ergibt: 1 1 1 , = + ¯P∗K P∗K GKxz bh

mit P∗K =

π 2 ED J , l2K

J = 2bt(h/2)2

(1.2.29)

In analoger Weise sind auch die kritischen Lasten für das Beulen von SandwichPlatten und -Schalen bei gleicher Biegesteifigkeit wegen der Schubnachgiebigkeit geringer als bei homogenen Platten und Schalen; siehe dazu z. B. [18, 25].

Abb. 1.2.20 Schematische Darstellung des Deformationsverhaltens eines Sandwich-Balkens.


Als lokale Instabilitätsformen sei auf das Beulen bzw. – in kurzwelliger Form – Knittern der Deckschichten unter Druckmembranspannungen aus globaler Druck- oder Biegebeanspruchung hingewiesen. Bei hinreichend dickem Kern aus isotropem Material kann die hinsichtlich des Knitterns kritische Druckmembranspannung in der betroffenen Deckschicht nach [25] konservativ durch

σ∗ W 0,5 3 ED EK GK

(1.2.30)

abgeschätzt werden (Genaueres siehe [26, 27]), wobei zu beachten ist, dass bei strukturierten Kernen und sehr dünnen Deckschichten, das „Dimpling“ (Beulen der Deckschichten in der Periodizität der Kern-Zellen) vor dem Knittern auftreten kann; siehe dazu [26, 28]. Zur näheren Behandlung von Sandwich-Strukturen sei auf die Literatur, z. B. [1, 3, 29], verwiesen. 1.2.4.2 Laminat-Strukturen – einfache Laminat-Theorie Leichtbau-Platten- und -Schalenstrukturen werden in zunehmendem Ausmaß als Verbund einer Vielzahl von übereinander angeordneten, miteinander im Verbund stehenden Schichten (zumeist selbst aus Verbundwerkstoff) aufgebaut. Dieses Konzept erlaubt eine große Variationsmöglichkeit der Eigenschaften solcher Konstruktionen. In der im Folgenden grob skizzierten, vereinfachten Laminat-Theorie (siehe z. B. [4, 17]) werden einige einschränkende Annahmen getroffen: Gültigkeit der Kirchhoff’schen Hypothese (also dünne Laminate); ebener, über die Einzelschichtdicke konstanter Spannungszustand in jeder der vielen, sehr dünnen Schichten; Aufbau des Verbunds aus orthotropen Schichten mit bekannten Werkstoffdaten (woraus die Elastizitätsmatrizen i EL , bezogen auf die Materialachsen l, q der betrachteten i-ten Schicht, bestimmt sind), Dicken, Abstände von einer Bezugsfläche und bekannten Orientierungen der Materialachsen gegenüber einem festgelegten Laminat-Koordinatensystem. Die Schalenschnittgrößen (Membrankräfte, Biegeund Torsionsmomente je Längeneinheit) sind bekannt bzw. aus den Belastungen (im Falle innerlich statisch unbestimmter Systeme unter Heranziehung der effektiven Steifigkeiten der Schale) berechnet. Die Abb. 1.2.21 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Laminat-Schale an einer beliebigen Stelle, an der die Festigkeit des Verbunds überprüft werden soll. Fasst man die Schalenschnittgrößen (Spannungsresultanten) zu den beiden Vektoren nT = (nxx , nyy , nxy ) und mT = (mxx , myy , mxy ) zusammen, so kann das vereinfachte Laminatgesetz (ohne Feuchtigkeits-, Temperatur- oder piezoelektrische Effekte) wie folgt angeschrieben werden:

n m

=

A B

B D

ε¯ ϕ ¯

(1.2.31)

Die Membran-Steifigkeitsmatrix A, die Biege-Torsions-Steifigkeitsmatrix D und die Koppel-Steifigkeitsmatrix B können aus dem Aufbau des Verbunds wie folgt

35

36


Abb. 1.2.21 Schalenschnittgrößen (links), geschichteter Laminataufbau (Mitte) und Komponenten des SchichtSpannungstensors, ausgedrückt im globalen x-y- und im lokalen l-q-Koordinatensystem (rechts).

berechnet werden: A=

M

i

E(i z–i–1 z) ,

i=1

B=

M i=1

i

E

i 2

z – i–1 z2 , 2

D=

M i=1

i

E

i 3

z – i–1 z3 (1.2.32) 3

Hinsichtlich der Bedeutung der Matrizen A, B und D sei auf Abschnitt 2.2 verwiesen, wo die Nachteile nichtsymmetrischer Lamintaufbauten erläutert werden. Die Elastizitätsmatrizen des Materials i E der einzelnen Schichten, bezogen auf das gemeinsame Laminat-Koordinatensystem, werden aus den auf die jeweiligen Materialachsen der einzelnen Schichten bezogenen und aus den Schicht-Werkstoffdaten bestimmten Elastizitätsmatrizen i EL durch eine Rotationstransformation i

E = (i T–1 )i EL (i T–1 )T

(1.2.33)

gewonnen. Die vom Verdrehwinkel i α des lokalen Schicht-Koordinatensystems gegenüber dem globalen Laminat-Koordinatensystem abhängige Matrix i T ist gegeben durch i

T =i

⎧ ⎨ c2 ⎩

s2 –sc

s2 c2 sc

⎫

2cs ⎬ –2cs ⎭ (c2 – s2 )

(1.2.34)

Darin bedeuten s := sin i α und c := cos i α. Somit können nach Kenntnis der Schnittgrößen mittels Gl. (1.2.31) der Verzerrungszustand (¯εxx , ε¯yy , γ¯ xy ) und der Krümmungsänderungszustand ϕ¯ xx , ϕ¯ y , ϕ¯ xy in der Bezugsfläche (z = 0) des Laminats, zusammengefasst zu den Vektoren ε¯ und ϕ ¯ , berechnet werden. Aus diesen Zuständen wird der Verzerrungszustand in jeder einzelnen Schicht ermittelt: i

ε = ε¯ –

i–1

z + iz ϕ ¯ 2

(1.2.35)


Dieser noch auf das Laminat-Koordinatensystem bezogene Schicht-Verzerrungszustand, wird nun auf das Schicht-Koordinatensystem transformiert, und mit dem Schicht-Materialgesetz werden die lokalen Schichtspannungen berechnet: i

εL = (i T–1 )Ti ε =⇒ i σ L = i EL i εL

(1.2.36)

Der Vektor i σ L beinhaltet die Normalspannungen in Richtung der Materialachsen i σll , i σqq und die Schubspannung i σlq . Mit den so bestimmten Schichtspannungen kann unter Heranziehung eines Versagenskriteriums geprüft werden, ob die betrachtete Schicht i im betrachteten Schalenpunkt den dort herrschenden Beanspruchungen standhält oder nicht. Um den grundsätzlichen Charakter solcher Versagenskriterien anzudeuten, sei ein sehr einfaches, nicht besonders genaues Versagenskriterium, das Tsai-Hill-Kriterium, dargestellt: i 2 σll i X2

+

i 2 σqq i Y2

i

–

i 2 σll i σqq σlq + < 1 =⇒ kein Versagen in der i-ten Schicht (1.2.37) i X2 i S2

Darin bedeutet i X die Versagensspannung der i-ten Schicht bei einachsiger Zug- oder Druckbelastung – je nach Vorzeichen von i σll – in Faserrichtung, d. h. in l-Richtung. i Y ist die entsprechende Zug- bzw. Druck-Versagensspannung in q-Richtung, und i S ist die Schubfestigkeit des Materials der i-ten Schicht. Weitere, deutlich bessere Versagenskriterien sind z. B. in [30] zu finden. Tritt an einer Stelle der Konstruktion in einer Schicht Versagen auf – d. h. die „First-Ply-Failure (FPF)“-Last wurde erreicht – so verändert sich bei weiterer Laststeigerung die Steifigkeit, und das Systemverhalten wird nichtlinear. Die hier skizzierte Vorgehensweise setzt voraus, dass die Belastungen so gering sind, dass an keiner Stelle Schichtversagen auftritt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass neben dem oben beschriebenen Schichtversagen auch interlaminares Versagen, Delamination (insbesondere durch Randeffekte) usw. auftreten kann, was hier nicht behandelt wird. Diesbezüglich und für weitergehendere Betrachtungen sei auf die Fachliteratur [31–33] verwiesen. 1.2.5 Leichtbau-Konstruktionsprinzipien

Wie in der Einleitung zu Kapitel 1 erwähnt, sind bei der Gestaltung von Konstruktionen nach Leichtbau-Kriterien zusätzlich zur und in Verbindung mit der Auswahl geeigneter Materialien und Berechnungskonzepte auch ökonomische und ökologische Erfordernisse, Anforderungen, die aus dem Komfort für die Nutzung, der Wartbarkeit und der Reparierbarkeit der Produkte sowie aus Aspekten der Ästhetik kommen, zu beachten, was durch die Anwendung von grundsätzlichen Design-Konzepten unterstützt wird. Als wesentliche Konstruktionsmerkmale können folgende Maßnahmen angesehen werden: • Äußere Lasten sollen möglichst direkt in Auflager, Steifen, Spanten oder entsprechende Lasteinleitungs-Strukturen (z. B. Inserts in Sandwich-Schalen) eingeleitet werden.

37

38


Abb. 1.2.22 Erhöhung der Beulsicherheit durch Krümmung quer zur Druckrichtung.

Abb. 1.2.23 Verschiedene Sickenformen (nach [2]).

• Übertragung von Kräften nach Möglichkeit über ebene oder gerade Zugglieder (auch nur schwach gekrümmte Stäbe unter Längskraft benötigen wegen des aufgrund der Krümmung auftretenden Biegemoments wesentlich massivere Querschnitte als gerade Stäbe). • Wo es auf Torsionssteifigkeit und -festigkeit ankommt, sind dünnwandige, geschlossene Querschnitte (eventuell mehrzellig) offenen Querschnitten unbedingt vorzuziehen. • Für die Übertragung von Druckkräften sind zur Vermeidung des Beulens gekrümmte Bleche besser als ebene (Abb. 1.2.22). • Die örtliche Biegesteifigkeit (und damit auch der Widerstand gegen Beulen) von flächigen, dünnwandigen Strukturen wird durch Sicken deutlich erhöht (Abb. 1.2.23). • Versteifung freier Ränder (auch an Ausschnitten und Durchgängen) durch Bördelung oder ähnliche Maßnahmen (Abb. 1.2.24).


Abb. 1.2.24 Verschiedene Möglichkeiten zur Versteifung von freien Rändern (nach [2]).

Abb. 1.2.25 Entwicklung eines Rechteckquerschnitts vom (a) Vollquerschnitt über einen (b) Kastenquerschnitt zum (c) Sandwich-Balken und (d) Entwicklung eines vollen Kreisquerschnitts über einen (e) Hohlquerschnitt zum (f) dünnwandigen Querschnitt mit Schaumkern, vgl. [2].

• Ausschnitte und Durchgänge möglichst in gering beanspruchte Gebiete legen. • Spannungskonzentrationen (und erst recht Spannungssingularitäten) durch Ausrunden vermeiden; dies ist auch bei der Gestaltung der Enden aufgesetzter Rippen zu beachten. • Günstige Materialausnutzung wird durch entsprechende Formgebung erreicht. Zum Beispiel ist bei Biegeträgern Material möglichst weit von der neutralen Achse zu konzentrieren (Abb. 1.2.25), wobei allerdings die Möglichkeit des globalen Kippens sowie die Gefahr des Beulens dünner, hoher Stege zu berücksichtigen ist. Der Gütefaktor ηW eines Querschnitts, der in einem Rechteckbereich b ~ h unterzubringen ist, kennzeichnet die Effizienz des Querschnitts im Sinne hohen Widerstandsmoments W bei geringer Querschnittsfläche A, also ηW ~ W A . Damit ergibt sich der in Abb. 1.2.26 dargestellte Zusammenhang 3 h0 zwischen ηW = 1–β 1–β und β = h . • Zur Erhöhung der Beulsicherheit von flächenartigen Strukturen (dünnen Platten oder Schalen) ist darauf zu achten, dass die „Beulfelder“ durch Anbringung von Steifen, deren Biege- und Torsionssteifigkeit gerade dazu ausreicht, Knotenlinien in der Beulfigur zu provozieren, klein gehalten werden. Andererseits sind Stabwerke in Form von Rosten relativ empfindlich gegen Schubbeanspruchungen und daher vorteilhafterweise mit einer „Haut“ auszusteifen, welche den Schub (aus Querkraft oder Torsion) aufnimmt. Diese beiden genannten Versteifungseffekte sind in den Abb. 1.2.27 und 1.2.28 schematisch dargestellt.

39

40


Abb. 1.2.26 Gütefaktor von Querschnitten innerhalb von Rechteckbereichen, vgl. [4].

Abb. 1.2.27 Gewährleistung der Schubsteifigkeit einer (a) Rahmenkonstruktion durch (b) Hinzufügen von Diagonalstäben oder (c) Schubfeldern. Die Kombination aus Steifenrost und „Haut“ liefert schubsteife, wandartige Strukturen mit hoher Beulstabilität.

• Günstige Materialausnutzung wird aber auch dadurch erreicht, dass die Materialeigenschaften den örtlichen Beanspruchungen entsprechend ortsabhängig (Werkstoffverbunde; vgl. sog. „tailored blanks“, Sandwich-Strukturen, Multi-Material-Elemente) oder orts- und richtungsabhängig (Verbundwerkstoffe) verändert eingesetzt werden (siehe z. B. Abb. 1.2.29). • Natürlich sind Kombinationen obiger Maßnahmen zur günstigen Materialausnutzung besonders effizient, wie es z. B. bei Sandwich-Strukturen mit Deckschichten aus Verbundwerkstoffen der Fall ist. • Dünnwandige Hohlprofile gewinnen substantiell an Sicherheit gegen lokale Instabililtäten bzw. an Energieabsorptionsvermögen, wenn sie mit ausreichend steifem, aber nicht zu schwerem Schaum ausgeschäumt werden (vgl. [34] und Abb. 1.2.30).


Abb. 1.2.28 Bildung (d) schubsteifer Schalenstrukturen mit hoher Beulstabilität durch Kombination einer (a) „Haut“ und eines Steifenrosts, bestehend aus (b) Stringern und (c) Spanten.

Abb. 1.2.29 Schematische Darstellung eines Querschnitts einer Tragfläche. Die dunkel gezeichneten Gurte des Hauptholms deuten den Einsatz von Kohlenfaser-verstärktem Kunststoff in diesen hochbelasteten Bereichen an. Sandwich-Kerne dienen zur Versteifung der dünnen Beplankung und des HauptholmStegs.

• Gezielt eingebrachte Eigenspannungszustände können sowohl die Festigkeit als auch die Steifigkeit im Sinne höherer Beullasten oder einer Veränderung der Eigenfrequenzen positiv beeinflussen [35]. • Die Gestaltung der Lasteinleitungsstellen und der Bauteilverbindungen bedarf besonderer Sorgfalt (siehe dazu z. B. [2]). Als grundsätzliche Bauweisen findet man im Leichtbau die Differential- und die Integralbauweise. Beide haben ihre Berechtigung und bringen je nach Anwendungs-

41

42


Abb. 1.2.30 (a) Verbesserung der Stabilitätssicherheit von dünnwandigen Hohlprofilen; (b) Anwendung: Fachwerk-Knoten im Zeppelin NT.

Abb. 1.2.31 Versteifung von Platten durch Rippen mit (a–c) geschlossenem und (d–e) offenem Profil, sowie (f) integrale Sandwich-Bauweise und (g–i) Rippen in Strangpresstechnik.

fall Vor- bzw. Nachteile gegenüber der jeweils anderen Bauweise. Bei der Differentialbauweise wird die Konstruktion aus einzelnen (oftmals vielen) Einzelteilen unter Anwendung von Verbindungstechniken zusammengesetzt, während bei der Integralbauweise danach getrachtet wird, Bauteile oder ganze Konstruktionen möglichst in einem Stück zu fertigen (Abb. 1.2.31). Die Vorteile der Differentialbauweise liegen darin, dass man (unter Beachtung der Vermeidung von chemischen oder thermischen Inkompatibiläten) unterschiedliche Materialien (z. B. „tailored blanks“) miteinander verbinden und dabei auch sehr dünne Bleche verwenden kann, sodass der Austausch von beschädigten Komponenten im Zuge von Wartungs- oder Reparaturarbeiten im Allgemeinen ohne allzugroße Probleme möglich ist und Halbzeug unterschiedlichster Variation zum Einsatz kommen kann. Nachteilig ist der Umstand, dass Verbindungen


Abb. 1.2.32 Detail der Karosserie eines Audi TT als Beispiel für (a) Differentialbauweise und (b) Cockpit eines Rennfahrzeugs in Integral-Faserverbundbauweise.

im Allgemeinen kritische Stellen darstellen und – je nach Art der Verbindung – zusätzliches Gewicht (z. B. bei Schraubenverbindungen) in die Struktur einbringen. Die genannten Nachteile der Differentialbauweise treten bei der Integralbauweise nicht auf, dafür gehen etliche der oben genannten Vorteile der Differentialbauweise, wie leichtere Reparierbarkeit, Verwendung sehr dünnwandiger Halbzeuge (Bleche, Profile usw.) verloren. In der Abb. 1.2.32 sind typische Differential- und Integralbauweisen an den Beispielen von Autokarosserien dargestellt. In Abb. 1.2.32a ist ein Ausschnitt einer Karosserie in Differentialbauweise, zusammengesetzt aus (teilweise mit Sicken versehenen) Blechen, zu sehen, und in Abb. 1.2.32b ist ein in einem Stück gefertigtes Cockpit eines Rennwagens als Monocoque in Integralbauweise unter Einsatz von CFK dargestellt. In der Abb. 1.2.33 ist ein Querspant eines Flugzeugflügels in Differentialbauweise dargestellt. In dieser Abbildung sind etliche der oben angeführten LeichtbauKonstruktionsprinzipien verwirklicht: Ausnehmungen (Durchlässe) an eher weniger beanspruchten Stellen reduzieren das Gewicht, Randversteifungen und Sicken erhöhen die Steifigkeit, und Längssteifen in Form von Hutprofilen bilden mit der Flügelhaut geschlossene, torsionssteife Querschnitte. 1.2.6 Optimierung als Leichtbau-Konzept

Im vorhergehenden Abschnitt wurden allgemeine Prinzipien für die leichtbaugerechte Konstruktion gegeben. Bei manchen Strukturen, wie z. B. Rümpfen von

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Abb. 1.2.33 Anwendung verschiedener Versteifungsstrategien in einer Tragflügel-Profilnase in Differential-Metallbauweise.

Großflugzeugen, sind auf Grund der verhältnismäßig einfachen Grundgeometrien und Belastungsfälle klassische Leichtbauweisen, wie orthotrop versteifte Zylinderschalen (Abb. 1.2.28), direkt anwendbar. Muss sich der Konstrukteur allerdings mit komplizierten Bauteilen bei gleichzeitig hohen Anforderungen hinsichtlich der maximal zulässigen Bauteilmasse auseinandersetzen, so wird sich ihm die vorteilhafteste Ausführung oder Dimensionierung unter Umständen nicht unmittelbar erschließen. In diesen Fällen können Optimierungsverfahren eine gewisse Hilfestellung bieten. Optimierungsaufgaben bedürfen einer klaren Festlegung eines Optimierungsziels, der Bestimmung der zur Erreichung dieses Zieles verfügbaren Möglichkeiten zur Veränderung, d. h. der Definition von Optimierungsparametern, und der Beschreibung der zu erfüllenden Nebenbedingungen, die entweder als Gleichungen oder als Ungleichungen formuliert sein können. Aus der Sicht des Leichtbaus ist es bei vielen Problemstellungen naheliegend, als Zielfunktion die Minimierung der Masse (bei Erfüllung der Anforderungen, die als Nebenbedingungen zu formulieren sind) bzw. die Maximierung der unter Beachtung aller relevanten Versagensformen ertragbaren Belastung (bei in Form einer Nebenbedingung festgelegter Masse) zu wählen. Nachdem das Optimierungsziel definiert worden ist, gilt es eine geeignete Optimierungsstrategie auszuwählen. Die diesbezügliche Auswahl hängt ab von den Freiheiten, die man in der Konstruktion bezüglich Formgebung, Materialauswahl und -verarbeitung hat: • Topologie-Optimierung: Hat man große Freiheit in der Formgebung, so kann man mit Hilfe eines Topologie-optimierenden Verfahrens einen Eindruck über eine geeignete Materialverteilung im Designraum gewinnen, in den und durch den die Belastungen geleitet werden sollen. Im Zuge der Topologie-Optimierung zeichnet sich eine geeignete Lage von Löchern, Ausnehmungen und Rippen im Designraum ab.


• Form-Optimierung: Ist eine geeignete Topologie bereits bekannt bzw. wird eine solche durch das Herstellverfahren erzwungen, so kann man immer noch die Form des Bauteils in vorteilhafter Weise verändern, z. B. mit Hilfe formoptimierender Verfahren. • Parameter-Optimierung: Ist das Konstruktionsprinzip derart genau vorgeschrieben, dass eine Optimierung nur noch durch eine Veränderung von einigen wenigen Hauptabmessungen (oder anderen Kenngrößen) erreicht werden kann, so spricht man von einer Parameter-Optimierung. Einen speziellen Fall stellen diskrete Optimierungsprobleme dar, bei denen die kennzeichnenden Parameter nicht stetig verändert werden können, sondern aus einer beschränkten Menge von festgelegten Werten, etwa in Form eines Katalogs von genormten Halbzeugen, entnommen werden müssen. • Material-Optimierung: Manchmal hat man die Möglichkeit, über die Topologie hinaus auch noch in die lokale Struktur des Werkstoffs einzugreifen, etwa durch Variation der Orientierung und des Volumsanteils von Fasern in Verbundwerkstoffen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit der MaterialOptimierung als weiteres Mittel zur Reduktion der Masse. In Abb. 1.2.34 werden die eben beschriebenen Optimierungsstrategien sequentiell auf ein generisches Optimierungsproblem angewandt, das in [36] untersucht wurde. In Abb. 1.2.34a ist ein quadratischer Designraum mit einer Bohrung skizziert, an der zwei Kräfte F1 und F2 angreifen. Abbildung 1.2.34b zeigt, dass die „optimale“ Topologie in diesem Fall aus einem Zweistab besteht. Wendet man auf die ermittelte Topologie einen Formoptimierungs-Algorithmus an, so verändert sich das

Abb. 1.2.34 Verschiedene Stufen der FEM-basierten Optimierung einer Konstruktion: (a) Designraum mit Lasten, Optimierung von (b) Topologie, (c) Form, (d) lokaler Dichte, (e, f) Materialausrichtung (aus [36]).

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Ergebnis gemäß Abb. 1.2.34c. Beim Einsatz eines faserverstärkten Materials steht der lokale Faservolumenanteil als Feldvariable zur Verfügung. Unterwirft man diese einem Optimierungsprozess, so findet man das Ergebnis in Abb. 1.2.34d, wo Regionen mit höherem Faservolumenanteil heller gekennzeichnet sind. Hat man schließlich auch noch Kontrolle über die Materialausrichtung, so kann man auch diese optimieren, wie die Abb. 1.2.34e–f zeigen. Wenn der Ablauf c–f iterativ angewandt wird, so ist eine weitere Verbesserung möglich. Oft steht der Wunsch nach der Erhöhung der auf die Masse bezogenen Steifigkeit und Festigkeit einer Konstruktion am Anfang der Formulierung eines Optimierungsproblems. Mit der Steifigkeit in direktem Zusammenhang steht das dynamische Schwingungsverhalten, das im Rahmen einer Erhöhung der Eigenfrequenzen zu anderen Ergebnissen führen kann als eine Optimierung nach statischen Kriterien. Algorithmen zur Optimierung der massebezogenen Steifigkeit leiden oft unter dem grundlegenden Problem, dass die Lösungen einer Topologie-Optimierung stark netzabhängig sind, wobei eine Erhöhung der räumlichen Auflösung des Verfahrens zu feiner aufgegliederten Strukturen führen kann. Dieses Problem liegt in der Natur der mathematischen Formulierung und wird mit allerlei Methoden wie Filtertechniken, Simulation von Material-Mikrostrukturen etc. bekämpft. Eine weitere Manifestation dieses Problems ist der Umstand, dass eine Steifigkeitsoptimierung im Allgemeinen zu diskreten, scharf berandeten Strukturen führt, selbst wenn das verwendete Material, etwa Metallschaum, Dichtegradienten zulassen würde. Im Falle einer Festigkeitsoptimierung kann es hingegen, wie in [37] gezeigt wird, tatsächlich zu Strukturen mit endlich großen Dichtegradienten kommen (Abb. 1.2.35). Bei der Optimierung der Steifigkeit von sehr dünnen oder schlanken Bauteilen ist weiter zu beachten, dass eine Vernachlässigung der geometrischen Nichtlinearität das Ergebnis verfälschen kann, weil Strukturen wie z. B. Hängebrücken, die erst in durchhängendem Zustand ihre volle Steifigkeit entfalten, sonst gegenüber biegedominierten Strukturen benachteiligt werden. Ebenfalls mit der Steifigkeit in Verbindung steht die Limitierung der Tragfähigkeit von Strukturen durch Instabilitätsformen wie Knicken oder Beulen. Berücksichtigt man diese im Rahmen einer rein festigkeitsorientierten Optimierung nicht, so kann es zum Versagen durch Stabilitätsverlust der optimierten Struktur kommen, obwohl die Tragfähigkeit des Materials noch nicht erschöpft ist. Abbildung 1.2.36 zeigt das Ergebnis einer Parameteroptimierung von Wellpappe zur

Abb. 1.2.35 Beispiel für eine Festigkeitsoptimierung eines Balkens aus zellularem Metall durch graduelle Veränderung der Schaumdichte (siehe [37]).


Abb. 1.2.36 Beispiel für eine Formoptimierung in der Form der Minimierung des flächenspezifischen Gewichts der Welle einer Wellpappe unter Einhaltung von Mindestsicherheiten gegen globales und lokales Beulen (siehe [38]).

Minimierung des Flächengewichts bei gleichzeitiger Einhaltung einer Mindestsicherheit gegen lokales und globales Beulen [38]. Das Beispiel zeigt, dass man mit Hilfe einer semi-analytischen „Primitiv-Optimierung“ in der Form des Gleichsetzens der kritischen Lasten für verschiedene Versagensformen als Optimalitätskriterium sehr nahe an ein numerisch ermitteltes, zumindest lokales Optimum herankommt. Es muss in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass solche einfachen Ansätze zu imperfektionsempfindlichen Strukturen führen können. Tatsächlich ist die Optimierung unter dem Gesichtspunkt der Robustheit, also der Unempfindlichkeit gegen kleine Variationen (Störungen, Imperfektionen) der Geometrie, des Werkstoffverhaltens oder der Belastungen ein sehr aktives Forschungsfeld. Ebenso keineswegs abgeschlossen ist die Entwicklung von Optimierungsverfahren für Strukturen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Aufgrund der Vielzahl von freien Parametern (z. B. Laminatdicke, Anzahl Laminatschichten, Schichtwinkel) sind die betreffenden Optimierungsprobleme oft sehr schwer zu behandeln. Die Verwendung stochastischer Verfahren, wie z. B. evolutionärer Algorithmen, wurde hier erfolgreich demonstriert. Es ist zu erwarten, dass mit der fortschreitenden Vereinfachung der Bedienung gängiger Optimierungsprogramme diese mehr und mehr Einzug in den Entwurf von Leichtbau-Konstruktionen halten werden.

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1 Leichtbauprinzipien 6 Ziegler, F. (1998) Technische Mechanik der festen und flüssigen Körper, 3. Aufl., Springer Verlag, Wien, New York. 7 Mang, H., Hofstetter, G. (2000) Festigkeitslehre, Springer Verlag, Wien, New York. 8 Bleich, F. (1952) Buckling Strength of Metal Structures, McGraw-Hill, New York. 9 Kollar, L., Dulacska, E. (1984) Buckling of Shells for Engineers, John Wiley & Sons, New York. 10 Troger, H., Steindl, A. (1991) Nonlinear Stability and Bifurcation Theory, Springer Verlag, Wien, New York. 11 Auli, W. (1986) Statische und dynamische Stabilität elastischer Leichtbaukonstruktionen unter konservativer und nichtkonservativer Belastung, Heft ILFB-4/86 der Berichte aus dem Institut für Leichtbau und Flugzeugbau, TU Wien. 12 Ziegler, F., Rammerstorfer, F.G. (1989) Thermoelastic Stability, in Thermal Stresses III (ed. R.B. Hetnarski), Elsevier Science Publ., Amsterdam, S. 107–189. 13 Czerwenka, G., Schnell, W. (1970) Einführung in die Rechenmethoden des Leichtbaus, Bibliographisches Institut, Mannheim. 14 Young, W.C., Budynas, R.G. (2002) Roark’s Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill, New York. 15 Grothe, K.-H., Feldhusen, J. (2007) Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau, 22. Aufl., Springer Verlag, Berlin. 16 Brush, D.O., Almroth, B.O. (1975) Buckling of Bars, Plates, and Shells, McGrawHill, New York. 17 Vinson, J.R. (1993) The Behavior of Shells Composed of Isotropic and Composite Materials, Kluwer Academic Publ., Dordrecht, Boston, London. 18 Plantema, F.J. (1966) Sandwich Construction, John Wiley & Sons, New York. 19 Megson, T.H.G. (1999) Aircraft Structures for Engineering Students, Edward Arnold, London. 20 Samuelson, L.A., Eggwertz, S. (eds) (1992) Shell Stability Handbook, Elsevier Appl. Science, London, New York. 21 Teng, J.G., Rotter, J.M. (eds) (2004) Buckling of Thin Metal Shells, Spon Press, London, New York. 22 Flügge, W. (1973) Stresses in Shells, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.

23 European Convention for Constructional Steelwork (1988) Buckling of Steel Shells – European Recommendations, 4. Auflage, Nr. 56. 24 Resinger,F., Greiner, R. (1978) Erläuterungen zur ÖNORM B4650, Teil 4, ÖNORM 5. 25 Zenkert, D. (1995) An Introduction to Sandwich Construction, Engng. Mater. Advis. Serv. Ltd., Solihull. 26 Starlinger, A. (1991) Development of Efficient Finite Shell Elements for the Analysis of Sandwich Structures under Large Deformations and Global as well as Local Instabilities, VDI Verlag, Düsseldorf. 27 Vonach, W.K. (2001) A General Solution to the Wrinkling Problem of Sandwiches, VDI Verlag, Düsseldorf. 28 Pahr, D.H., Rammerstorfer, F.G. (2006) Buckling of Honeycomb Sandwiches: Periodic Finite Element Considerations. Computer Model. Eng. Sci., 12, 229–241. 29 Vinson, J.R. (1999) The Behavior of Sandwich Structures of Isotropic and Composite Materials, Technomic Publ. Comp., Lancaster. 30 Schürmann, H. (2005) Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg. 31 Agarwal, B.D., Broutman, L.J. (1990) Analysis and Performance of Fiber Composites, John Wiley & Sons, New York. 32 Stiftinger, M.A. (1996) Semi-Analytical Finite Element Formulations for Layered Shells with Consideration of Edge Effects, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf. 33 Skrna-Jakl, I.C. (1996) Numerical and Experimental Investigations of Interlaminar Stresses and Free Edge Effects in Integrally Stiffened, Layered Composite Panels, VDI Verlag, Düsseldorf. 34 Seitzberger, M., Rammerstorfer, F.G., Gradinger, R., Degischer, H.P., Blaimschein, M., Walch, C. (2000) Experimental studies on the quasi-static axial crushing of steel columns filled with aluminium foam, Int. J. Sol. Struct., 37, 4125–4147. 35 Rammerstorfer, F.G. (1977) Increase of the first natural frequency and buckling load of plates by optimal fields of initial stresses, Acta Mechanica, 27, 217–238.

1.3 Bauteilversagen 36 Reiter, T.J. (1996) Functional Adaptation of Bone and Application in Optimal Structural Design, VDI Verlag, Düsseldorf. 37 Daxner, T. (2003) Multi-Scale Modeling and Simulation of Metallic Foams, VDI Verlag, Düsseldorf.

38 Daxner, T., Flatscher, T., Rammerstorfer, F.G. (2007) Optimum Design of Corrugated Board under Buckling Constraints. Proceedings of the 7th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization (ed. B.M. Kwak), BMD Co., Seoul.

1.3 Bauteilversagen Wilfried Eichlseder Kurzfassung

Im Entwicklungsprozess von Bauteilen wird häufig eine Gewichtsminimierung angestrebt, die den Einsatz von Simulationsmethoden zur Ermittlung der Lebensdauer sowohl im Berechnungs- als auch im Versuchsablauf fordert. Im Folgenden werden Grundlagen zur Spannungsbewertung, Methoden zur Beschreibung der zyklischen Festigkeit von Werkstoffen und Verfahren zur Aufbereitung von Lastdaten durch Klassierung vorgestellt. Ausgehend von diesen bauteilbezogenen Daten werden Konzepte zur Schädigungs- und Lebensdauerberechnung beschrieben. Zyklische Festigkeitseigenschaften in Bauteilen sind von zahlreichen Randbedingungen, wie Fertigungsprozess oder Eigenspannungen, abhängig. Beispielhaft wird auf die Einflüsse auf die Festigkeit bei frei geformten Geometrien und unregelmäßigen Spannungsverläufen eingegangen. Mit angeführten Methoden wird der Entwickler in die Lage versetzt, auf Basis von Probenversuchen Aussagen über die Lebensdauer an komplexen Bauteilen zu treffen und eine entsprechend abgesicherte Dimensionierung bei minimalem Werkstoffeinsatz und Gewicht durchzuführen. 1.3.1 Einleitung

Häufig werden an die Produktentwicklung die Forderungen gestellt, neue Produkte leichter zu gestalten, deren Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Kosten zu minimieren. Gleichzeitig steht das Bestreben nach Reduktion der Entwicklungszeit, um neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Mit den Methoden, Bauteile auf die geforderte Mindestlebensdauer hin bei entsprechender Zuverlässigkeit zu dimensionieren, beschäftigt sich die Betriebsfestigkeit. Durch den Einsatz von Simulation im Berechnungs- und Versuchsstadium liefert die Betriebsfestigkeit Methoden, die eine wesentliche Reduktion der Entwicklungszeit ermöglichen. Das Versagen von Bauteilen im Maschinenbau kann verschiedene Ursachen haben:

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50


• • • • • •

Bruchbildung durch Gewaltbruch, Ermüdung, unzulässige Verformung, Instabilität (Kriechen, Beulen), Verschleiß, Korrosion.

Bauteile im Maschinenbau fallen nur selten durch statische Überbeanspruchung aus. Der weitaus häufigere Schadensfall wird durch zyklische Kräfte, die zu einer Ermüdung des Werkstoffs führen, verursacht. Die Betriebsfestigkeit befasst sich mit der Bemessung von zyklisch belasteten Bauteilen, Systemen und Anlagen und ist damit ein wesentliches Element des Leichtbaus und der Bauteiloptimierung. Bei der betriebsfesten Bemessung wird das Bauteil für eine vorgegebene Nutzungsdauer, die es unter zyklischer Last sicher ohne Versagen ertragen können muss, dimensioniert [1]. Um die Dimensionierung für eine geforderte Nutzungsdauer durchführen zu können, ist die Kenntnis über die Funktion des Produkts und die Betriebsbedingungen, unter denen die Funktion erfüllt werden soll, über das Bauteil, charakterisiert durch Spannungen oder Dehnungen, sowie über das Werkstoffverhalten erforderlich. Die Aufgabenstellungen an die betriebsfeste Auslegung lauten meist: • Einsatz neuer und/oder kostengünstiger Werkstoffe, • Einsatz neuer Fertigungstechnologien, • Optimierung der Geometrie, • Minimierung des Gewichts. 1.3.2 Ermüdungsvorgang

Bei schwingender Beanspruchung werden in Proben oder Bauteilen beim Überschreiten von kritischen Lasten plastische Verformungen hervorgerufen, die erst im Mikrobereich, dann im Makrobereich Risse einleiten, die sich stabil vergrößern und schließlich zu einem instabilen Restbruch führen. Metallphysikalisch gesehen ist es die Bildung und später das Wandern von Versetzungen, die diese Rissbildungs- und Rissfortschrittsphase prägen [2]. Je nach Beanspruchungshöhe, Belastungsart und Bauteilgeometrie bilden sich die Bruchflächen in der jeweiligen Rissfortschrittsphase unterschiedlich aus: Im Bereich der zyklischen Ermüdung sind es Rastlinien mit feinstrukturierter Bruchfläche, die Restbruchfläche zeigt meist eine grobstrukturierte Bruchfläche (Abb. 1.3.1). Der Ermüdungsvorgang umfasst die Risseinleitung, den stabilen Rissfortschritt und den instabilen Restbruch (Abb. 1.3.2). Welche Zeitanteile der Gesamtlebensdauer auf die Anrissphase und den stabilen Rissfortschritt fallen, ist unterschiedlich und von Belastung, Geometrie und Werkstoff abhängig. Dabei stellt sich die Frage, wie der Anriss definiert wird: In den meisten Ingenieursbereichen geht man von einer Risslänge von 1 mm aus. Diese Anrisslebensdauer wird in Betriebsfestigkeitsversuchen festgestellt; mit der darauf folgenden Rissausbreitung befasst sich die Technische Bruchmechanik.

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.1 Ermüdungsbruch mit Anriss, Rastlinien und Restbruchfläche.

Abb. 1.3.2 Phasen des Ermüdungsvorgangs.

1.3.3 Nennspannung und tatsächliche Spannung

Die Nennspannungen in einem Konstruktionsquerschnitt sind die Spannungen, die sich aus den äußeren Lasten, Kräften oder Momenten, bezogen auf den Bauteilquerschnitt, ergeben. Berechnet werden sie nach den elementaren Gleichungen der Festigkeitslehre [3]. Während bei Zug-Druck-Beanspruchung die Nennspannung gleichmäßig über den gesamten Querschnitt verteilt ist, zeigen die Nennspannungen bei Biegung und Torsion in der äußeren Randfaser ein Maximum (Abb. 1.3.3). Nennspannungsverläufe beschreiben idealisierte Spannungsverteilungen, die in realen Bauteilen nur selten zutreffen. Nur wenige Bauteile haben eine regelmäßige Geometrie und eine gleichmäßige Spannungsverteilung über dem Querschnitt. In den meisten Fällen führen Bohrungen, Kerben, Querschnittsübergänge oder punktuelle Krafteinleitungen zu unregelmäßigen Spannungsverteilungen. Diese Unregelmäßigkeiten führen zu Störungen im Spannungsverlauf und schwächen damit die Festigkeit der Bauteile. Die Auswirkung von Kerben dynamisch beanspruchter Bauteile ist von der Anzahl der Schwingungen abhängig: Die Schwächung der Bauteilfestigkeit durch Kerben ist bei hohen Schwingspielzahlen höher als bei niedrigen. In Abb. 1.3.4 ist die Spannungserhöhung durch Kerben

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Abb. 1.3.3 Beanspruchungsarten.

am Beispiel des gekerbten Zugstabs dargestellt. Neben den aus der Formgebung bedingten Spannungskonzentrationen kommen jene aus dem Fertigungsprozess, wie Schweißen, Gießen oder Zerspanung sowie Materialinhomogenitäten, Risse oder Poren, die zusätzlich zur Kerbbildung führen können. Durch Kerben kommt es zu einer Anhebung der Nennspannungen, da sich die Restfläche verringert. Der unregelmäßige Spannungsverlauf in Kerbumgebung (Abb. 1.3.4) führt zu einer weiteren Erhöhung der Spannungen im Kerbgrund. Bei geometrisch einfachen Körpern wird die Erhöhung der Spannung σ gegenüber der

Abb. 1.3.4 Spannungsverlauf in gekerbten Zugstäben.

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.5 Spannungsverteilungen und Formzahlen bei den Grundbeanspruchungen Zug, Druck und Torsion.

Nennspannung S mit der Kerbzahl Kt beschrieben: σ = S · Kt

(1.3.1)

Neben der Geometrie wirkt sich auch die Belastungsart auf die lokale Spannungserhöhung aus. Die Kerbzahl Kt kann, wie im Beispiel in Abb. 1.3.5 dargestellt, bei gleicher Geometrie des Kerbstabs je nach Belastungsart erhebliche Unterschiede zeigen. Für die wichtigsten Kerbgeometrien und -abmessungen können Formzahlen aus entsprechenden Diagrammen entnommen oder mit Näherungsformeln berechnet werden [4]. Die Formzahl Kt wird sehr stark vom Verhältnis r/d beeinflusst. Wenn man davon ausgeht, dass bei einer Konstruktion d vorgegeben ist, wird Kt in erster Linie vom Kerbradius r bestimmt. Allgemein betrachtet kommt es bei kleinen Kerbradien zu größeren Spannungsüberhöhungen in der Kerbe und zu größeren Kt , das äußere Gleichgewicht muss jedoch erhalten bleiben und die Bedingung

F=

σ(r) · dA = S · AK

(1.3.2)

erfüllen. Die Kerbzahl Kt ist unabhängig von der Höhe der Belastung (im elastischen Bereich), dem Werkstoff (solange ein homogener Werkstoff vorliegt) und der Größe des Bauteils. In geometrisch komplexen Bauteilen kann die Kerbzahl im Allgemeinen nicht angegeben werden, da meist kein Nennquerschnitt definiert werden kann und der Spannungsverlauf, z. B. durch lokale Krafteinwirkungen, unregelmäßig ist. In diesen Fällen kann die lokale Spannung rechnerisch durch Finite Elemente Berechnungen oder experimentell durch Messungen ermittelt werden.

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Abb. 1.3.6 Spannungs-Dehnungsverhalten im Zugversuch.

1.3.4 Werkstoffverhalten und Bemessungskenngrößen 1.3.4.1 Statische Beanspruchungen Das statische Werkstoffverhalten wird im Zugversuch ermittelt und im Spannungs-Dehnungsdiagramm beschrieben (Abb. 1.3.6). Die meisten Werkstoffe zeigen dabei folgendes, charakteristisches Verhalten: In der ersten Phase zeigt sich ein annähernd linear-elastischer σ–ε-Verlauf, ab der sogenannten Fließgrenze kommt es zur plastischen Formänderung mit Verformungsverfestigung und schließlich zum Bruch. Je nach Werkstoffgruppe und Legierungszusammensetzung sind diese Abschnitte unterschiedlich ausgeprägt, so zeigen z. B. spröde Werkstoffe nur eine kurze Phase der plastischen Verformung bis zum Bruch. Der erste Abschnitt im σ–ε-Diagramm, in welchem der Spannungs-Dehnungsverlauf ein elastisches Verhalten zeigt, wird mit dem Hook’schen Gesetz beschrieben, wobei E als Elastizitätsmodul (E-Modul) bezeichnet wird. Dieser E-Modul wird bei linear-elastischen Finite Elemente Berechnungen zur Beschreibung der Werkstoffsteifigkeit zugrunde gelegt:

σ =E·ε

(1.3.3)

1.3.4.2 Zyklisches Spannungs-Dehnungsverhalten Wird eine Probe im Zugversuch wiederholt bis in den plastischen Bereich hinein, aber nicht bis zum Bruch belastet, anschließend entlastet und im Druckbereich beansprucht, so stellt sich im σ–ε-Diagramm eine Hysterese ein (Abb. 1.3.7). Diese lässt sich durch die Anteile im elastischen und plastischen Bereich beschreiben: Das zyklische Spannungs-Dehnungsdiagramm zeigt häufig mit zunehmender Zyklenzahl eine Änderung im Verlauf. Wird eine Belastung wiederholt mit gleicher Spannung aufgebracht, kann mit Fortschreiten der Lastwechsel die Dehnung zu- oder abnehmen. Wird die Dehnung mit zunehmender Lastwechselzahl grö-

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.7 Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm.

ßer, spricht man von einer Werkstoffentfestigung, im umgekehrten Fall von einer Werkstoffverfestigung (Abb. 1.3.8). Manche Werkstoffe neigen zur Entfestigung (z. B. kaltverformte), andere zur Verfestigung (z. B. unverformte oder erholte), es gibt aber auch Werkstoffe, die mit fortschreitender Zyklenzahl das Verhalten än-

Abb. 1.3.8 Ent- und Verfestigung unter zyklischer Belastung.

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dern, also bei anfänglicher Verfestigung später entfestigen oder umgekehrt. Analog ist das Verhalten, wenn statt der Spannungs- die Dehnungsamplituden konstant gehalten werden. In diesem Fall verändern sich die Spannungen mit fortschreitender Zyklenzahl. Je nachdem ob die Spannungs- oder die Dehnungsamplituden im Probenversuch konstant gehalten werden, spricht man von spannungsbzw. dehnungsgeregelter Versuchsführung. 1.3.4.3 Schwingfestigkeit Unter Schwingfestigkeit versteht man die Festigkeit des Werkstoffs bei zyklischer Beanspruchung. Diese ist gegenüber der statischen Festigkeit wesentlich geringer, für die praktische Anwendung aber bedeutsamer, da wesentlich mehr Bauteile durch zyklische als durch statische Belastungen ausfallen. Trotzdem wurde die Festigkeit zyklisch beanspruchter Bauteile in ihrer Bedeutung erst relativ spät erkannt, die ersten systematischen Untersuchungen wurden im 19. Jahrhundert durchgeführt. Die Schwingbelastungen resultieren aus mechanischen oder thermischen Betriebslasten, die einer statischen Grundlast überlagert sein können. Betrachtet man z. B. einen Lastkraftwagen, so ist das Fahrgestell durch das Eigengewicht des Fahrzeugs belastet. Durch Be- und Entladen wird diese Belastung quasistatisch verändert. Im Fahrbetrieb kommen zu dieser statischen Last zyklische Kräfte, die sich aus Fahrmanövern, wie Bremsen, Beschleunigen oder Kurvenfahrt, oder durch Umgebungsbedingungen, wie z. B. Fahrbahnunebenheiten oder Windkräften, ergeben. Resonanzschwingungen des Motors und Getriebes, des Tanks oder des Reserverads stellen zusätzliche Belastungen dar. Diese zyklischen Lasten führen zur Ermüdung des Werkstoffs und bei Überbeanspruchung zum Anriss, in der Folge zum Rissfortschritt und schließlich zum Ausfall des Bauteils. Wöhlerlinie Werden Bauteile mit einer Mindestlast zyklisch beansprucht, so fallen sie nach einer bestimmten Lastwechselanzahl durch Bruch aus. Mit steigenden Schwingungsamplituden verringert sich die Anzahl der ertragbaren Schwingzahlen, unterschreitet die Schwingungsamplitude ein bestimmtes Maß, so kann man die zyklische Last scheinbar beliebig oft aufbringen, ohne dass ein Bruch eintritt. Dieses Festigkeitsverhalten wurde von August Wöhler (1819–1914) erstmals systematisch erfasst. Das Zeitfestigkeitsverhalten und die Dauerfestigkeit werden in den nach ihm benannten Wöhlerversuchen bei sinusförmigem Lastverlauf und konstanter Spannungsamplitude bestimmt. Werden die Versuchsergebnisse, Spannungsniveaus über ertragener Lastspielzahl, aufgetragen, ergibt sich das in Abb. 1.3.9 dargestellte charakteristische Festigkeitsverhalten. Trägt man die Versuchsergebnisse im doppellogarithmischen Maßstab auf, lassen sich die Ergebnisse in Geradenabschnitten darstellen (Abb. 1.3.10). Im Lastwechselbereich bis zu einigen Millionen Lastwechseln spricht man von der Zeitfestigkeitsgeraden, im darüber hinaus gehenden Lastwechselbereich von der Dauerfestigkeits- bzw. Langzeitfestigkeitsgeraden. Die Neigungen der Geraden der Wöhlerlinie sind vom Werkstoff, aber auch von Einflüssen resultierend aus Temperatur, Beanspruchungsart, Kerbform etc.

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.9 Wöhlerdiagramm mit linearer Skalierung.

Abb. 1.3.10 Wöhlerdiagramm in doppel-logarithmischer Darstellung und Abgrenzung der Bereiche der Langzeitfestigkeit (L), der Zeitfestigkeit (Z) und der Kurzzeitfestigkeit (K).

abhängig. Der Langzeitfestigkeitsabschnitt wird bei manchen Werkstoffen, wie z. B. ferritischen Stählen, durch eine horizontale Linie beschrieben. Man spricht in diesem Fall von der Dauerfestigkeit, d. h. unterhalb dieser Belastung treten keine Brüche mehr auf, die ertragbare Schwingspielzahl wird unendlich groß. Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass es auch unterhalb dieser Grenze bei hohen Lastwechselzahlen zu Ermüdungsbrüchen kommt [5]. Bei manchen Werkstoffen, wie z. B. Aluminiumlegierungen, zeigt sich ein deutlicher Abfall im Langfestigkeitsbereich, der mit der Neigung k2 beschrieben wird. Zur Beschreibung des Wöhlerschaubilds sind vier Größen ausreichend: ND σD k k2

Ecklastspielzahl Schwingfestigkeit bei der Ecklastspielzahl bzw. Dauerfestigkeit Neigung der Wöhlerlinie Neigung der Wöhlerlinie im Langzeitfestigkeitsbereich

57

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Der Zusammenhang von Spannung und ertragbarer Lastwechselzahl kann im Zeitfestigkeitsbereich mit der Beziehung

N = ND ·

σa σD

–k für

σa v σ D

(1.3.4)

beschrieben werden. Im Langzeitfestigkeitsbereich ergibt sich bei Werkstoffen mit ausgeprägter Dauerfestigkeit N=∞

für σa < σD

(1.3.5)

und bei jenen mit abfallender Schwingfestigkeit

N = ND ·

σa σD

–k2 für σa < σD

(1.3.6)

Zum Kurzzeitfestigkeitsbereich hin wird das Wöhlerschaubild durch jenen Bereich begrenzt, in welchem makroskopische, plastische Dehnungen auftreten. Für die Ableitung des Festigkeitsverhaltens im Kurzzeitfestigkeitsbereich ist die Spannungswöhlerlinie nicht geeignet. Dieser Bereich kann mit sogenannten Dehnungswöhlerlinien wesentlich besser beschrieben werden [1]. 1.3.5 Vergleichsspannungshypothesen

Die in Laborversuchen aufgenommenen Festigkeitswerte gelten nur für die am Prüfstand vorgegebenen Belastungsbedingungen, meistens Zug oder Biegung. Bei mehrachsialen Beanspruchungen stellt sich die Frage, welche Werte aus dem Versuch für die Bemessung herangezogen werden können. Es wurden dazu verschiedene Hypothesen entwickelt, die das Versagenskriterium unter mehrachsialer Beanspruchung näherungsweise beschreiben. Diese Hypothesen führen zu der Vergleichsspannung σv , die bei der Bemessung dem jeweiligen Werkstoffkennwert gegenübergestellt wird [6]. Die Festigkeitshypothesen wurden ursprünglich für statisches Versagen entwickelt, sie werden aber auch für zyklische Belastungen herangezogen. 1.3.5.1 Normalspannungshypothese Bei dieser Hypothese ist für den Bruch die maximale Hauptnormalspannung ausschlaggebend. Dieser tritt ein, wenn die größte Hauptnormalspannung die Bruchfestigkeit Rm erreicht, unabhängig davon, wie hoch die Schubspannung ist (Abb. 1.3.11). Die Hypothese findet hauptsächlich bei spröden Werkstoffen Anwendung. Die Versagensbedingung lautet:

σvNH = σ1 = Rm

(1.3.7)

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.11 Normalspannungshypothese in Mohr’scher Darstellung.

1.3.5.2 Schubspannungshypothese Nach der Schubspannungshypothese von Tresca kommt es zum Versagen, wenn die maximale Schubspannung τmax einen kritischen Wert, die Fließschubspannung τF , erreicht. τmax ergibt sich aus der Differenz aus größter und kleinster Hauptnormalspannung:

τmax =

σ1 – σ3 2

(1.3.8)

Die Fließschubspannung τF kann im Torsionsversuch oder im Zugversuch ermittelt werden. Im Zugversuch bezieht man sich auf die Streckgrenze Re , da diese das Ende des linear-elastischen Werkstoffverhaltens kennzeichnet und damit das Versagen durch Fließen beschrieben werden kann. Die Fließschubspannung τF berechnet sich dann aus τF =

Re 2

(1.3.9)

Bei der Schubspannungshypothese spielt es für die Bewertung der Festigkeit keine Rolle, wie hoch die Normalspannungen sind (Abb. 1.3.12). Als Versagenskriterium gilt: σvSH = σmax – σmin = σ1 – σ3 = Re

Abb. 1.3.12 Schubspannungshypothese in Mohr’scher Darstellung.

(1.3.10)

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1.3.5.3 Gestaltänderungsenergiehypothese Bei der Gestaltänderungshypothese oder Mises-Vergleichsspannung tritt Versagen auf, wenn die Gestaltänderungsenergie einen Grenzwert überschreitet. Der hydrostatische Spannungsanteil, der die gleich großen Spannungsanteile in allen Raumrichtungen beschreibt, trägt nicht zur Vergleichsspannung bei und ist daher nicht versagensrelevant. Die Hypothese findet bei zähen Werkstoffen Anwendung und ist die meisteingesetzte Vergleichsspannungshypothese:

1 σv = √ (σ1 – σ2 )2 + (σ2 – σ3 )2 + (σ3 – σ1 )2 = Rp 2

(1.3.11)

1.3.5.4 Weitere Bewertungskriterien für mehrachsiale Beanspruchungen Angeführte Vergleichsspannungshypothesen beschreiben das Versagen unter einachsialer Belastung mit mehrachsialem Spannungszustand oder mehrachsialer synchroner Belastung. Häufig treten mehrachsiale Belastungen regellos zueinander auf; in diesen Fällen werden die Berechnungen von Vergleichsgrößen zur Bewertung des Versagens wesentlich komplexer [7]. 1.3.6 Beanspruchungs-Zeit-Verläufe

Bauteile werden im Betrieb zeitlich mehr oder weniger unregelmäßig belastet. Diese Belastungen können funktionsbedingt sein, ergeben sich durch Einflüsse aus der Umgebung, aus dem Eigenschwingverhalten oder durch Missbrauch. Die Kenntnis dieser Belastungen ist eine der Voraussetzungen für die Berechnung der Lebensdauer. Zur Ermittlung der Belastungsverläufe bieten sich experimentelle und numerische Verfahren an. Im Versuch erfolgt die Lastermittlung meist durch Messung der Dehnungen mit sogenannten Dehnmessstreifen (DMS), deren Widerstandsänderungen ein Maß für die auftretenden Dehnungen darstellen [8]. Durch entsprechende Anordnung am Bauteil können aus diesen DMS-Messungen Zugkräfte, Biege- oder Torsionsmomente errechnet und Zeitverläufe dargestellt werden. Diese Zeitverläufe bilden die Ausgangsbasis für die anschließende Lastklassierung, die für die Lebensdauerberechnung herangezogen wird. Alternativ zum Versuch können Betriebsbeanspruchungen durch Simulation des dynamischen Verhaltens ermittelt werden. Dazu bieten sich die Methoden der Mehrkörpersimulation (MKS) oder der Finite Elemente Methode (FEM) [9] an, deren Ergebnisse wiederum zur Klassierung herangezogen werden. Die Genauigkeit der Simulationsergebnisse ist im Vergleich zu jenen der Messungen geringer; es können jedoch einfach Varianten mit geänderten Randbedingungen simuliert werden. Ob Versuch oder Simulation, in beiden Fällen sind die Ergebnisse Last-ZeitVerläufe (Abb. 1.3.13). Wie in Abb. 1.3.13 ersichtlich, sind die dynamischen Kräfte häufig regellos und können nicht mit nur einer Amplitude und Mittelspannung beschrieben werden. Zur Beschreibung dieser Beanspruchungs-Zeit-Verläufe werden diese daher

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.13 Beanspruchungs-Zeit-Verläufe.

in einzelne Schwingspiele zerlegt, die mit einfachen Kenngrößen beschrieben werden können (Abb. 1.3.14). Für die Schwingfestigkeit sind die Spannungsamplitude und die Lage der Mittelspannung zur Nulllinie von Bedeutung, die durch das Spannungsverhältnis ausgedrückt wird: R=

σu σo

Abb. 1.3.14 Kenngrößen eines Schwingspiels.

(1.3.12)

61

62


Abb. 1.3.15 Verschiedene Mittelspannungen.

Beanspruchungen, deren Amplituden die Nulllinie schneiden, werden als Wechselbeanspruchungen bezeichnet; Beanspruchungsverläufe, welche die Nulllinie nicht schneiden, als Schwellbeanspruchung. Schwingungen mit besonderen Lagen zur Nulllinie sind jene mit einem Spannungsverhältnis R = –1, bezeichnet als wechselnde Beanspruchung, und jene mit R = 0, genannt schwellende Beanspruchung (Abb. 1.3.15). 1.3.6.1 Klassierung von Beanspruchungs-Zeit-Verläufen Die statistische Auswertung eines Belastungs-Zeit-Verlaufes wird als Klassierung bezeichnet. Klassierung bedeutet die Einteilung von zählbaren Merkmalen eines analogen Belastungs-Zeit-Verlaufes in Wertebereiche (Klassen). Diese Merkmale werden dann je Klasse gezählt und in Form eines sogenannten Lastkollektivs dargestellt. Vorab müssen die Merkmale, nach denen die Klassierung erfolgen soll, definiert werden. In der Betriebsfestigkeit bieten sich folgende Merkmale an: • Spitzenzählung: Die Last F erreicht einen Umkehrpunkt (Maximum oder Minimum) (Abb. 1.3.16). • Bereichszählung: Die Last F erfasst den Bereich zwischen einem Minimum und dem darauf folgenden Maximum (positiver Bereich) bzw. umgekehrt (negativer Bereich), (Abb. 1.3.17). • Klassengrenzenüberschreitungszählung: Die Last F überschreitet eine vorgegebene Klassengrenze entweder in ansteigender (positiver) oder fallender (negativer) Richtung (Abb. 1.3.18).

Die meisten Klassierverfahren lassen sich auf diese drei Grundtypen zurückführen. Zur Visualisierung der Häufigkeitsverteilung großer Datenmengen sind für die Darstellung des Klassierergebnisses zwei Arten üblich (Abb. 1.3.16 bis 1.3.18). • Histogramm: Aufgetragen wird die Häufigkeit in einer Klasse h(xk , i), gezählt werden die Werte x zwischen den Klassengrenzen xi und xi+1 . h (xk,i ) wird Klassenhäufigkeit genannt; die Klassenmitte xk,i ist definiert als xk,i =

xi+1 + xi 2

(1.3.13)

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.16 Spitzenzählung: Klassen- und Summenhäufigkeit.

• Summenhäufigkeit: Die Zählung aller Werte für x oberhalb einer Klassengrenze xi ergibt die Summenhäufigkeit H(xi ). Die Klassen- und Summenhäufigkeit stehen in Beziehung durch h(xk,i ) = |H(xi+1 )| – |H(xi )|

(1.3.14)

Die Darstellung erfolgt als Summenhäufigkeitskurve, wobei die einzelnen Wertepaare für xi und H(xi ) in erster Näherung durch Geraden verbunden werden. 1.3.6.2 Reduktion des Informationsgehalts durch Zählung Die Klassierung und Zählung reduziert in einem sehr großen Umfang die Datenmengen gegenüber der analogen Darstellung und bildet außerdem die Grundlage für die Lebensdauerberechnung. Durch die Datenreduktion müssen aber auch einige Nachteile in Kauf genommen werden, da folgende Informationen über die Lastgeschichte verloren gehen: • Der zeitliche Verlauf der Spitzen oder Bereiche und damit die Reihenfolge können aus den Lastkollektiven nicht mehr rekonstruiert werden, weil diese nur nach Höhe und Häufigkeit gezählt werden. • Die Lastkollektive enthalten keine Informationen über die Belastungsfrequenz und den zeitlichen Verlauf einzelner Schwingspiele, wie z. B. sinusoder dreiecksförmiger Verlauf.

63

64


Abb. 1.3.17 Bereichszählung: Klassen- und Summenhäufigkeit.

• Da nur gezählt wird, wie oft Ober- oder Unterwerte erreicht wurden, lassen die Häufigkeitsverteilungen keinen Rückschluss auf Mittelspannung und Spannungsamplitude zu. • Um letzteren Nachteil der angeführten Klassierverfahren auszugleichen, wurde das „Rainflow-Klassierverfahren“ vorgeschlagen. Bei diesem handelt es sich um ein zweidimensionales Verfahren, bei dem die Ergebnisse der Klassierung in einer Matrix abgelegt werden. Diese erlaubt die Rekonstruktion der Amplituden mit den zugehörigen Mittelspannungen [10].

1.3.7 Betriebsfestigkeit-Lebensdauerberechnung

Viele Bauteile in technischen Anwendungen sind zyklischen Lasten, mit konstanten oder variablen Amplituden, unterworfen. Die überwiegende Anzahl von Bauteilausfällen ist auf diese dynamische Beanspruchung, die zur Materialermüdung führt, zurückzuführen. Ziel der Betriebsfestigkeit ist, Bauteile derart zu dimensionieren, dass diese eine geforderte Mindestlebensdauer ohne Ausfall ertragen, wobei aus Gewichtsgründen ein möglichst geringer Werkstoffeinsatz angestrebt

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.18 Klassengrenzenüberschreitungen: Klassen- und Summenhäufigkeit.

wird. Grundsätzlich kann die Dimensionierung von Bauteilen hinsichtlich ausreichender Lebensdauer auf zwei Wegen erfolgen: • Auslegung über Versuche: In diesem Fall werden, ausgehend von einer ersten Variante, an Prototypen die zu erwartenden Lasten aufgebracht. Wird die geforderte Lebensdauer nicht erreicht, wird durch Modifikation der Konstruktion ein neuer Prototyp gebaut und neuerlich den Versuchslasten unterworfen. Dieser Ablauf wird solange wiederholt, bis die geforderten Spezifikationen erreicht sind. Schwachpunkte einer Konstruktion werden damit sehr gut erfasst, überdimensionierte Stellen werden, da dort keine Schädigung sichtbar wird, nicht aufgezeigt. • Auslegung durch Simulation: Auf Basis von Spannungen, der Kenntnis des Werkstoffverhaltens und des Lastkollektivs wird eine Lebensdauerberechnung durchgeführt. Stellen, die die geforderte Lebensdauer nicht erreichen, werden durch Änderung der Geometrie oder des Werkstoffs verstärkt, wenig beanspruchte Stellen ermöglichen durch gezielte Materialwegnahme eine Gewichtsminimierung. Die zweite Methode, die Auslegung durch Simulation, hat den wesentlichen Vorteil, dass sie in einem frühen Abschnitt der Bauteilentwicklung angewendet wer-

65

66


den kann und weniger Zeit und Kosten in Anspruch nimmt. Allerdings ist die Treffsicherheit bei der Lebensdauerberechnung gegenüber dem Versuch geringer. Im Entwicklungsablauf von Serienprodukten kommt daher in der ersten Phase die rechnerische Simulation zum Einsatz, gegen Ende der Entwicklungsphase werden die Produkte versuchstechnisch abgesichert. 1.3.7.1 Berechnungskonzepte Es wurde eine Reihe von Methoden für die Lebensdauerberechnung vorgeschlagen, die sich in drei Hauptgruppen einteilen lassen: Berechnung der Lebensdauer auf Basis von Spannungen, von Dehnungen sowie des Rissfortschritts. Lebensdauerberechnung auf Basis von Spannungen Die Lebensdauerabschätzung basiert auf Wöhlerlinien und den im Bauteil auftretenden Spannungen. Das Hauptanwendungsgebiet der spannungsbasierten Konzepte liegt bei Bauteilen mit Beanspruchungen im makroskopisch linear-elastischen Bereich des Werkstoffs. Ursprünglich wurde diese Methode auf Nennspannungen angewandt, inzwischen hat sich in weiten Bereichen die Berechnung auf Basis lokaler Spannungen durchgesetzt (Abb. 1.3.19). Dieses Verfahren lässt sich mit der Finite Elemente Methode kombinieren und ermöglicht damit auch die Berechnung geometrisch komplexer Bauteile [11]. Da lokale Spannungen als Vergleichsgrößen Verwendung finden, müssen diese den lokalen Festigkeitseigenschaften des Werkstoffs gegenübergestellt werden. Lokale Festigkeitseigenschaften können jedoch aus Kosten- und Zeitgründen nur punktuell im Versuch ermittelt werden, weshalb auf die Simulation von Wöhlerlinien zurückgegriffen wird.

Abb. 1.3.19 Lebensdauerberechnung auf Basis lokaler Spannungen.

1.3 Bauteilversagen

Als Kombination von Nennspannungs- und örtlichem Spannungskonzept findet das Strukturspannungskonzept Anwendung, welches hauptsächlich für die Lebensdauerberechnung von Schweißkonstruktionen eingesetzt wird. Bei der Finite Elemente Berechnung wird in diesem Fall die Schweißnaht nicht im Detail abgebildet, sondern die Struktur global modelliert und die Spannung ohne Berücksichtigung lokaler Effekte durch die Schweißnaht berechnet („Strukturspannung“). Die Detailspannungen in der Schweißnaht werden dann in dem der Finite Elemente Berechnung folgenden Schritt aus den Strukturspannungen und Übertragungsfaktoren, die von Schweißnahttyp und -form abhängen, berechnet und für die Lebensdauerberechnung herangezogen [12]. Lebensdauerberechnung auf Basis von Dehnungen Das Versagenskriterium bei diesem Konzept sind lokale Dehnungen im Kerbgrund. Das Lebensdauerverhalten wird mit Dehnungswöhlerlinien beschrieben, die in dehnungsgesteuerten Versuchen ermittelt werden. Die Berechnungen der lokalen Dehnungen sind, da Plastizitäten mit einbezogen werden, gegenüber den spannungsbasierten Methoden aufwändiger. Benötigt wird neben der Dehnungswöhlerlinie auch das zyklische Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Dieses Konzept zeigt seine Vorteile bei der Berechnung von Bauteilen, die im Niedriglastwechselbereich beansprucht werden und bei denen makroskopisch plastische Verformungen auftreten [1]. Lebensdauerberechnung auf Basis des Rissfortschritts Diese Verfahren gehen von einem bestehenden Anriss oder einer Fehlstelle aus und berechnen die Restlebensdauer durch den Rissfortschritt bis zum Bauteilbruch. 1.3.7.2 Schadensakkumulation In realen Anwendungen haben dynamische Lasten häufig nicht konstante, sondern variable Amplituden, die noch dazu mit unterschiedlicher Frequenz und in zufälliger Abfolge auftreten. Die Schädigung unter zyklischer Beanspruchung basiert auf Bildung und Bewegung von Kristalldefekten, die noch nicht quantitativ erfassbar sind, man ist daher auf empirische Modelle angewiesen. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Hypothesen aufgestellt. Eine der ältesten, aber auch jene mit Abstand am meisten eingesetzte Hypothese, ist jene von Palmgren und Miner [1]. Dieses Modell konzentriert sich, wie auch andere Modelle, auf die Beschreibung folgender zweier Beobachtungen: Es gibt eine zusätzliche Schädigung Di durch eine Anzahl von ni Schwingspielen mit der Amplitude σi , die durch die Amplitude selbst und die diesen Schwingspielen vorangegangenen Belastungen bestimmt wird. Die Akkumulation der Einzelschädigungen führt zur Gesamtschädigung D, bei einem kritischen Schädigungswert Dc tritt Versagen ein. Verfahren nach Palmgren-Miner Die heute meist benutzte Schadensakkumulationshypothese wurde bereits durch Palmgren 1924 und Miner 1945 formuliert. Dabei wird von der Betriebsdauer bei einstufiger Beanspruchung auf die Betriebs-

67

68


Abb. 1.3.20 Rechnerische Betriebsdauerermittlung.

dauer bei mehrstufiger Beanspruchung geschlossen. Die Schädigung infolge eines einzelnen Schwingspieles beträgt D1 =

1 Ni

(1.3.15)

wobei Ni die Bruchschwingspielzahl der Wöhlerlinie auf dem Beanspruchungsniveau σai ist. Treten auf dem Beanspruchungsniveau σai Lastwechsel mit der Häufigkeit ni auf, so beträgt die Schädigung auf diesem Niveau Di : Di =

ni Ni

(1.3.16)

Durch Addieren der Schädigungen infolge aller Schwingspiele eines Kollektivs erhält man die Schadenssumme D=

ni i=1

Ni

(1.3.17)

Darin bedeutet i die Stufe des Kollektivs (1 u i u l), ni die Schwingspielzahl der i-ten Stufe und σai die Beanspruchungsamplitude in der i-ten Stufe (Abb. 1.3.20). Das Versagen des Bauteils tritt gemäß Definition ein, wenn die Schadensumme den kritischen Wert von 1 erreicht: D = 1,0

(1.3.18)

Modifikationen der Palmgren-Miner-Regel Die Schädigungshypothese nach Miner besagt, dass alle Beanspruchungsamplituden des Kollektivs unterhalb der Dauerfestigkeit keinen Schädigungsbeitrag liefern. Versuche mit Spannungsamplituden unterhalb der Dauerfestigkeit zeigten aber, dass diese ebenfalls Auswirkungen auf die Lebensdauer haben können. Es wurden daher Modifikationen für das MinerVerfahren entwickelt. Am bekanntesten sind die Modifikationen nach Corten-Dolan und Haibach [1]. Bei beiden Verfahren wird die Zeitfestigkeitsgerade über die Ecklastspielzahl hin-

1.3 Bauteilversagen

aus im Wöhlerschaubild verlängert. Nach Corten-Dolan („Miner elementar“) erfolgt die Verlängerung geradlinig, nach Haibach („Miner modifiziert“) wird im Bereich der Langzeitfestigkeit die Wöhlerlinie mit der Neigung (2k – 1) fortgeführt (Abb. 1.3.20). Die Berechnung der Schädigung nach Miner im Langzeitfestigkeitsbereich erfolgt wie im Zeitfestigkeitsbereich mit der jeweiligen Neigung der Wöhlerlinie. Relative Miner-Regel Die Praxis zeigt, dass Bauteile auch bei Schadenssummen D über oder unter 1 ausfallen. Der Grund ist, dass das Palmgren-Miner-Verfahren die komplexen Vorgänge der Ermüdung nur vereinfacht beschreiben kann. Dazu kommt, dass häufig die angenommenen Lastkollektive in Amplitude und Lastwechselzahl die realen Belastungen nur näherungsweise abbilden oder das lokale Werkstoffverhalten von jenem abweicht, das in Versuchen an Proben unter Laborbedingungen ermittelt wurde. Es zeigt sich jedoch, dass die Schadenssummen an Bauteilen mit ähnlichen Werkstoffen und Einsatzbedingungen auch ähnliche Werte annehmen. Um diese in Betriebsfestigkeitsversuchen an Vorgängern oder Prototypen gewonnene Erfahrung in die Bewertung von Neukonstruktionen einfließen zu lassen, findet die sogenannte Relative Miner-Regel Anwendung. Bei dieser wird als Versagenskriterium nicht die Schädigungssumme D = 1 angenommen, sondern die in früheren, vergleichbaren Betriebsfestigkeitsversuchen ermittelte Schadenssumme Dref . Für die Auslegung gilt in diesen Fällen:

D=

ni /Ni = Dref

(1.3.19)

i

Wurde zum Beispiel in Referenzversuchen eine rechnerische Schädigungssumme von 1,5 erreicht, so erfolgt die Neuauslegung für den gleichen Schädigungswert. 1.3.8 Wöhlerlinien durch Simulation

Die Abschätzung der Lebensdauer auf Basis lokaler Spannungen erfordert die Kenntnis lokaler Wöhlerlinien des Bauteils (Abb. 1.3.21). Diese lokalen Wöhlerlinien können erheblich von den an Proben gewonnenen Wöhlerlinien abweichen. Die experimentelle Ermittlung der lokalen Eigenschaften ist, wenn das Bauteil erst virtuell und noch nicht in Realität existiert, nur schwierig möglich, daher ist man hier auf die Simulation angewiesen. Die lokale Schwingfestigkeit unterliegt einer großen Anzahl von Einflüssen, wie der Formgebung (Kerben, Abmessungen) oder dem Fertigungsprozess (Gießen, Schmieden, Zerspanung). Im Folgenden wird beispielhaft auf einen dieser Einflüsse, die Stützwirkung durch unregelmäßige Spannungsverteilung, eingegangen. Beschreibungen technologischer Einflüsse finden sich unter anderem in [13–16]. 1.3.8.1 Kerben und Belastungsart Kerben, biegebeanspruchte Zonen oder durch ungleichmäßigen Kraftfluss beanspruchte Bauteile zeichnen sich dadurch aus, dass der Verlauf der Spannungs-

69

70


Abb. 1.3.21 Finite Elemente Struktur und lokale Wöhlerlinien.

niveaus unregelmäßig ist. Diese Unregelmäßigkeit kann durch die Ableitung der Spannung ausgedrückt werden: dem Spannungsgradient χ oder, bezogen auf die lokale Spannung, dem relativen Spannungsgradient χ∗ (Abb. 1.3.22): ∗

χ =

1 σmax

dσ dx

(1.3.20)

Da der Spannungsgradient aus Finite Elemente Ergebnissen einfach errechnet werden kann, ist es naheliegend diesen für die Spannungsbewertung heranzuziehen und damit die Einflüsse auf die Wöhlerlinieneigenschaften bei Zug/Druckund Biege-Belastung sowie bei Kerben zu beschreiben. 1.3.8.2 Zug/Druck-Biege-Gradientenkonzept Kerben zeichnen sich durch einen Spannungsabfall normal zum Kerbgrund aus, ebenso wie biegebelastete Balken, bei denen sich normal zur Biegemittellinie zwischen Ober- und Unterseite ein einfach zu definierender Spannungsabfall einstellt (Abb. 1.3.23). In beiden Fällen zeigt der Werkstoff unter schwingender Belastung lokal eine höhere ertragbare Spannung als bei ungestörtem Spannungsverlauf, die auf die Stützwirkung zurückgeführt werden kann. Zur Darstellung des Einflusses des Spannungsgradienten auf die Dauerfestigkeit eines beliebigen Bauteils wird im folgenden Modell von zwei Schwingfestigkeitswerten ausgegangen:

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.22 Spannungsgefälle im Kerbgrund.

Abb. 1.3.23 Spannungsgradient in Kerbe und Biegeprobe.

• die Dauerfestigkeit σzdw eines ungekerbten Stabs unter Zug/Druckbelastung mit dem relativen Spannungsgradienten χ∗ = 0 und • die Dauerfestigkeit σbw einer Biegeprobe mit der Dicke b und dem relativen Spannungsgradienten χ∗ = 2/b. Zur Beschreibung der Dauerfestigkeit von Bauteilen mit beliebigen Spannungsgradienten muss nun zwischen diesen Werten inter- bzw. extrapoliert werden. Die Erfahrung zeigt, dass der Zusammenhang zwischen Dauerfestigkeit und Spannungsgradient nicht linear proportional verläuft, sondern mit zunehmenden Gradienten eine Verflachung der Dauerfestigkeitszunahme auftritt (Abb. 1.3.24).

71

72


Abb. 1.3.24 Schwingfestigkeit bei 107 LW in Abhängigkeit des Spannungsgradienten.

Um diesen Zusammenhang zu beschreiben wird ein Exponentialansatz gewählt, der durch den Exponenten KD charakterisiert wird:

σD = σzdw ·

1+

σbw –1 σzdw

·

χ∗ 2/b

KD

(1.3.21)

oder σD = σzdw · nχ

(1.3.22)

Für die der Lebensdauerberechnung zugrunde liegende Wöhlerlinie nach Gl. (1.3.4) sind zwei weitere Parameter erforderlich: die Ecklastspielzahl ND und die Neigung k. Allgemein kann gesagt werden, dass mit zunehmender Kerbung die Neigung der Wöhlerlinie steiler wird und die Ecklastspielzahl abnimmt. Zur Beschreibung des Verlaufs der Ecklastspielzahl ND und der Wöhlerlinienneigung k werden die jeweiligen minimalen und maximalen Werte (ND min , ND max , kmin , kmax ) bei kleinem oder sehr hohem χ∗ entsprechend den Versuchsergebnissen vorgegeben. Für die Beschreibung dieser Größen zwischen diesen Grenzwerten wird ebenfalls ein Exponentenansatz mit den Exponenten Kn bzw. Kk gewählt. log(ND ) = log(ND min ) +

k = kmin +

kmax – kmin nKχ k

log(ND max ) – log(ND min ) nKχ n

(1.3.23)

(1.3.24)

Mit den Gl. (1.3.21) bis (1.3.24) ist die Wöhlerlinie für Bauteile mit Kerben bzw. unregelmäßiger Spannungsverteilung definiert und kann für die Lebensdauerberechnung von geometrisch komplexen Bauteilen herangezogen werden. Dies ermöglicht bei der Auswertung von Finite Elemente Strukturen mit zig- oder hunderttausenden Freiheitsgraden die effiziente Ermittlung der jeweiligen Wöhlerlinie

1.3 Bauteilversagen

Abb. 1.3.25 Exponent KD für den Verlauf der Dauerfestigkeit über dem relativen Spannungsgradienten für Beispiele von niedriglegierten Stählen, Al-Gusslegierungen und Grauguss.

in jedem Knoten der Struktur und damit die Abschätzung der Lebensdauer. Charakteristische Werte für den Exponent KD sind für einige metallische Werkstoffe in Abb. 1.3.25 dargestellt. 1.3.9 Schlussfolgerungen und Ausblick

Durch moderne Verfahren zur Spannungsberechnung, wie z. B. die Finite Elemente Methode, ist die Möglichkeit gegeben, Bauteile hinsichtlich Werkstoffausnutzung weiter zu optimieren und damit leichter zu gestalten. Neben der Kenntnis der lokalen Spannungen, die diese Verfahren liefern, ist auch die Kenntnis der lokalen Festigkeitseigenschaften erforderlich, die durch zahlreiche Einflüsse geprägt werden, wie • Beanspruchungsart (Zug/Druck, Biegung, Torsion), • Geometrie und Größe, • Temperatur, • Mittelspannung, • mehrachsiale Belastung, • Randschicht (Oberflächentopographie, Eigenspannungen, Gefüge, Härte), • Lastfolge, • Oberflächenbeschaffenheit, • Fertigungsprozess, wie Gießen, Umformen, Zerspanen oder Schweißen, • Korrosion etc.

73

74


Diese Einflüsse können sich auf das Bauteil festigkeitssteigernd oder -mindernd auswirken; bei gleichzeitigem Auftreten können sich die Effekte verstärken oder abschwächen. Die experimentelle Ermittlung der Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit ist in ihrer ganzen Fülle aus Kosten- und Zeitgründen unmöglich und kann nur punktuell erfolgen; die Simulation ist daher erforderlich. Zahlreiche Fragestellungen zu angeführten Einflüssen und die Übertragbarkeit von Proben auf reale Bauteile machen noch umfangreiche Forschungsarbeiten notwendig, um die bestehenden Modelle zur Lebensdauerberechnung weiter auszubauen und zu verbessern.

Nomenklatur

A D Dc E F ε Kt k k2 N ND n nχ R Rm Rp S σ σaD σzdw σbw σv T τ χ∗

Fläche Schädigung kritische Schadenssumme Elastizitätsmodul Fläche Dehnung Kerbzahl Neigung der Wöhlerlinie Neigung der Wöhlerlinie im Langzeitfestigkeitsbereich Lastspielzahl Ecklastspielzahl Stützzahl Stützzahl aufgrund des Spannungsgradienten Spannungsverhältnis Bruchfestigkeit Fließgrenze Nennspannung lokale Spannung Schwingfestigkeit bei der Ecklastspielzahl, Dauerfestigkeit Dauerfestigkeit unter Zug/Druckbelastung Dauerfestigkeit unter Biegebelastungsprobe Vergleichsspannung Schubnennspannung Schubspannung relativer Spannungsgradient

1.3 Bauteilversagen

Literaturnachweis 1 Haibach, E. (2002) Betriebsfestigkeit. Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. 2 Bargel, H.J., Schulze, G. (2005) Werkstoffkunde, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg. 3 Hibbeler, R.C. (2006) Technische Mechanik 2 – Festigkeitslehre, Pearson Education Deutschland. 4 Pilkey, W.D. (1997) Peterson’s Stress Concentration Factors, John Wiley & Sons, New York. 5 Sonsino, C.M. (2007) Course of SN-curves especially in the high-cycle fatigue regime with regard to component design and safety. International Journal of Fatigue, 29, 2246–2258. 6 Issler, L., Ruoß, H., Häfele, P. (1995) Festigkeitslehre – Grundlagen, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg. 7 Fröschl, J., Gänser, H.P., Gerstmayr, G., Eichlseder, W. (2007) Neuere Berechnungsansätze für die betriebsfeste Auslegung von Gussbauteilen in Leichtbauweise. Gießerei Rundschau, 54, 222–232. 8 Hoffmann, K. (1987) Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmeßstreifen, Hottinger Baldwin Messtechnik, Darmstadt.

9 Schwarz, H.R. (1991) Methode der Finiten Elemente, Teubner Studienbücher Mathematik, Teubner Verlag, Stuttgart. 10 Anthes, R.J. (1997) Modified rainflow counting keeping the load sequence. Int. Journal of Fatigue, 19, 529–535. 11 Eichlseder, W. (2002) Fatigue analysis by local stress concept based on finite element results. Computers and Structures, 80, 2109–2113. 12 Radaj, D., Sonsino, C.M., Fricke, W. (2006) Fatigue Assessment of Welded Joints by Local Approaches, Woodhead Publishing Limited. 13 Leitner, H. (2001) Simulation des Ermüdungsverhaltens von Aluminiumgusslegierungen, Dissertation, Montanuniversität Leoben. 14 Minichmayr, R., Eichlseder, W. (2003) Lebensdauerberechnung von Gussbauteilen unter Berücksichtigung des lokalen Dendritenarmabstandes und der Porosität. Verein Deutscher Giessereifachleute, 90, 70–75. 15 Fröschl, J. (2006) Fatigue effects of forged components: Technological effects and multiaxial fatigue, Dissertation, Montanuniversität Leoben. 16 Javidi, A., Rieger, U., Eichlseder, W. (2008) The effect of machining on the surface integrity and fatigue life. Int. Journal of Fatigue, 30, 2050–2055.

75

77

2 Werkstoffangebot für den Leichtbau 2.1 Werkstoffe Hans Peter Degischer Kurzfassung

Die Kategorien der Konstruktionswerkstoffe – Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe – unterscheiden sich grundsätzlich im Typus der Atombindungen, aus dem die wesentlichsten Eigenschaften resultieren. Die elastische Verformbarkeit bis zur Elastizitätsgrenze wird beschrieben und die gewichtsbezogenen, spezifischen Materialkennwerte definiert, die auch auf den Werkstoffpreis bezogen werden. Aus der plastischen Verformbarkeit der Metalle werden die Verfestigungsmechanismen abgeleitet, mit denen die Streck- bzw. Dehngrenzen in weiten Bereichen verändert werden können. Erhöhte Temperaturen verursachen Diffusionsvorgänge und damit Kriechverformung unterhalb der Elastizitätsgrenze. Wechselbelastungen im elastischen Bereich und nahe der Dehngrenze rufen Materialschädigungen hervor, die den Einsatzbereich der Werkstoffe wesentlich beschränken. Die Bruchzähigkeit begrenzt die zulässige Spannung und Defektgröße der Werkstoffe, besonders die der Keramiken. Verschleiß und Korrosion verursachen Materialabtrag und vermindern dadurch die dauerhafte Belastbarkeit der Werkstoffe. Die mechanischen Belastbarkeitsgrenzen der Werkstoffe werden auf das spezifische Gewicht bezogen, um das Werkstoffangebot für den Leichtbau bewerten zu können. Das Eigenschaftsprofil der Werkstoffe wird durch die Formgebung und Weiterverarbeitung eingestellt, somit ist die Werkstoffauswahl ein integrativer Prozess zwischen Konstruktion, Werkstoffanforderungen, Formgebung, wirtschaftlichem Nutzen und ökologischen Auswirkungen. 2.1.1 Einleitung

Die Vielfalt der Werkstoffe hat in der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhunderts enorm zugenommen. Es wird geschätzt, dass derzeit an die 100 000 verschiedene Werkstoffe zur Produktherstellung angeboten werden. Grundsätzlich sind Leichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

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2 Werkstoffangebot für den Leichtbau

Abb. 2.1.1 Beispiel der Werkstoffvielfalt in einem PKW (Audi A2, Baujahr 2000) mit 900 kg Leergewicht [6].

keramische von metallischen Materialien und von Kunststoffen zu unterscheiden, aus welchen es noch die Kombinationen in Verbundwerkstoffen gibt [1–4]. Unter Verbundwerkstoffen werden jene verstanden, die mit makroskopischen Eigenschaften wie homogene Materialien beschrieben werden können, zum Unterschied zu Werkstoffverbunden, die durch Fügetechniken erzeugt werden (siehe Abschnitt 4.2). Die Konstruktionswerkstoffe müssen vor allem mechanischen Belastungen [5] standhalten (Tabelle 2.1.1); dazu kommen Belastungen des Umfelds, wie beispielsweise Temperatur und korrosive Medien. Zu beachten sind aber auch innere Spannungen in den Materialien aus dem Fertigungsprozess, die sich den äußeren Belastungen überlagern. Tabelle 2.1.1 führt die wichtigsten Prüfmethoden, Kennwerte und ihre Symbole an, die das Eigenschaftsprofil eines Werkstoffs charakterisieren. Im Leichtbau müssen die Gebrauchseigenschaften bei möglichst geringer Masse des konstruktiv erforderlichen Werkstoffs erbracht werden. Den unterschiedlichen Bauteilbeanspruchungen wird in zunehmendem Maße durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe in Mischbauweisen Rechnung getragen (siehe Abschnitt 4.2). Der praktisch realisierte Werkstoffmix wird am Beispiel eines PKW in Abb. 2.1.1 gezeigt, das beispielhaft den Leichtbau einsetzte [6]. Mehr als die Hälfte des Gewichts entfällt auf Leichtwerkstoffe, nahezu gleich viel auf Kunststoffe wie Leichtmetalle. Fahrzeugbereiche, die hohe Festigkeit aufzuweisen haben, werden aus Stahl gefertigt. Fe-Basiswerkstoffe (Stähle und Gusseisen) betragen insgesamt ein Drittel des Gesamtgewichts. Die Dominanz der Leichtwerkstoffe ist aus den Volumenanteilen erkennbar: mehr als doppelt soviel Polymere wie Leichtmetalle, die wiederum mehr als das doppelte Volumen der Fe-Werkstoffe einnehmen. Die Bedeutung der Werkstoffe ist nicht nur aus der produzierten Masse zu schließen, sondern auch über das produzierte Volumen, aber noch mehr über die damit verbundene Wertschöpfung. Das beträchtliche Wachstum der industriellen Werkstoffproduktion in den vergangenen 100 Jahren ist in Abb. 2.1.2 dargestellt. Die Werkstoffmasse wuchs in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts etwa um das 25-Fache, worauf sie sich in der zweiten Hälfte noch verdoppelte. Die Masse der er-

2.1 Werkstoffe Tab. 2.1.1 Beanspruchungen der Konstruktionswerkstoffe. Mechanische Belastungen

Prüfmethode

Kennwerte

Äußere statische Kräfte

Zug, Druck

Zug-, Biege-, Druckversuch

E, Re , Rp0,2 , Rm , Agl , Au , Z

Schub

Torsion, Scherung

mit Anriss

Rissfortschrittsmessung a

E-Modul, Streck- bzw. Dehngrenze, Zug-/ Druckfestigkeit, Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung, Brucheinschürung Schubmodul, Scherfestigkeit Bruchzähigkeit

mit thermischer Aktivierung

Kriech- und Relaxationsversuche a

Zeitdehngrenzen, Zeitstandfestigkeit

σx%,T,t , σm,T,t

Thermoschockresistenz

Temperaturwechseltest

ΔT = Rm /Eα

schlagend (hohe Geschwindigkeit)

Kerbschlag-, Fallgewichtstest

wechselnd

Wechselbelastung unter bzw. über der Elastizitätsgrenze a

linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient α Kerbschlagarbeit, Verformungs- bzw. Bruchwiderstand Speicher-/ Verlustmodul, Dämpfung, Zeit- bzw. Dauerfestigkeit

mit Anriss

Rissfortschrittsmessung a Verschleißtests a

Ermüdungsrisswachstum Verschleißrate

Bohrlochmethode, Diffraktion

lokale bzw. integrierte Spannungen

Positronenannihilation, Durchstrahlungselektronenmikroskopie

Defektdichten

Äußere dynamische Kräfte

Reibung Innere Makro-, Mikrospannungen

a

z. B. Abkühlspannungen z. B. an Phasengrenzen in Verbundwerkstoffen; Punktdefekte, Versetzungen, Stapelfehler

G, τaB KIc

W(T), Übergangstemperatur E(1 + iη) η, σN , σD

ParisExponent ΔM

mit/ohne korrosive Umgebung

zeugten Kunststoffe liegt nun mehr als eine Größenordnung unter der der Stähle, aber volumenmäßig liegen sie gleich auf. Die Wertschöpfung der Kunststoffe und der Al-Werkstoffe beträgt etwa gleich viel, liegt aber eine Größenordnung unter der der Stähle. Die Sekundäraluminiumproduktion läuft dem primären Alumini-

79

80


Abb. 2.1.2 Entwicklung der Werkstoffproduktionsmengen in den vergangenen 100 Jahren in Gegenüberstellung von (a) Millionen Jahrestonnen, (b) Millionen Kubikmeter/Jahr, (c) Millionen Euro Marktwert/Jahr.

umwachstum 15 bis 20 Jahre hinterher (siehe Abschnitt 5.1). Die Leichtmetalle Mg und Ti liegen in Abb. 2.1.2 um Größenordnungen unter den oben angeführten Werkstoffen. Die wesentlichsten, mechanischen Eigenschaften, die in der Literatur über Grundlagen der Werkstofftechnik [1–5] ausführlicher beschrieben werden, sind im Folgenden kurz dargestellt. 2.1.2 Werkstoffkategorien

Das spezifische Gewicht der Materialien hängt von den Atommassen und der Packungsdichte der Atome ab. Die Kunststoffe bestehen aus leichten Elementen

2.1 Werkstoffe

(C, H, O, N), die über starke kovalente Bindungen Molekülketten bilden, die jedoch durch schwache Sekundärbindungen verbunden sind. Keramiken bestehen ebenfalls aus kovalent gebundenen Molekülen aus metallischen Elementen mit den leichten Elementen B, C, N und O. Die im Allgemeinen leichten Keramikmoleküle sind auch untereinander kovalent und gegebenenfalls mit elektrostatischen Ionenbindungsanteilen verbunden. Positive Ionen der metallischen Elemente ordnen sich dreidimensional periodisch in Kristallstrukturen und werden durch das Elektronengas gebunden. Ihr spezifisches Gewicht wird wesentlich durch die Atommassen bestimmt. Als Leichtmetalle werden die Legierungen mit Mg- [7], Al- [8] und Ti- [9] Basis bezeichnet (Dichte < 4,6 g/cm3 ). Die Atomradien der Elemente zeigen eine den Reihen des Periodensystems entsprechende Oszillation (Abb. 2.1.3). Die Elemente, die in Stählen, Mg-, Al-Legierungen und Messing legiert werden, sind markiert. Die Werkstoffkategorien begründen sich in diesen unterschiedlichen Bindungstypen wie es in Abb. 2.1.4 veranschaulicht ist. Die Moleküle der Polymere sind meist ungeordnet (amorph), können aber bereichsweise regelmäßig angeordnet (kristallin) sein. Keramiken und Metalle sind entweder amorph (glasartig) oder kristallin. Häufig in der Natur vorkommende dichtest gepackte Atomanordnungen werden in den Abb. 2.1.5a und b verglichen. Die Abb. 2.1.5c veranschaulicht die etwas weniger dicht gepackte kubisch-raumzentrierte (krz) Struktur. Mit wenigen Ausnahmen bestehen kristalline Werkstoffe aus

Abb. 2.1.3 Atomradien hängen von der Ordnungszahl ab. In den Stählen nehmen kleine Atome wie B, C, N Zwischengitterplätze im Fe-Gitter ein, während die anderen, markierten Elemente als Substitutionsatome aufgenommen werden können. Die Elemente in Al- und Mg-Legierungen treten nur als Substitutionsatome auf. Messing (Cu-Zn) erzielt eine signifikante Mischkristallverfestigung.

81

82


Abb. 2.1.4 Bindungsarten der Werkstoffkategorien, die deren Eigenschaften prägen [3].

Abb. 2.1.5 Häufige, einfache Kristallstrukturen: (a) hexagonal dichtest gepackte (hdp) Atomanordnung mit dichtest gepackten Basisebenen (Mg, α-Ti), (b) kubisch-flächenzentrierte (kfz) Struktur mit dichtest gepackten Diagonalebenen (Al, γ-Fe, Cu, Ni, Ag, Au), (c) kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur (krz) mit relativ dicht gepackten Diagonalebenen (α-Fe, β-Ti).

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.6 Zusammenhang zwischen Schmelzpunkt bzw. Glasübergangstemperatur bei Polymeren und (a) E-Modul, (b) linearem, thermischen Ausdehnungskoeffizient.

Kristallkörnern unterschiedlicher kristallografischer Orientierung mit Durchmessern im Bereich von µm bis mm; Werkstoffe sind im Allgemeinen polykristallin. Bindungstypen und Atomanordnungen begründen die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffkategorien: Polymere und Keramiken leiten weder elektrischen Strom noch Wärme so gut wie Metalle; je stärker die Bindung umso höher der Schmelzpunkt und der E-Modul, desto kleiner der thermische Ausdehnungskoeffizient. Die Zusammenhänge zwischen diesen Größen sind in Abb. 2.1.6 veranschaulicht. 2.1.3 Elastizitätseigenschaften

Die elastischen Eigenschaften der Materialien begründen sich in den Bindungskräften zwischen den Atomen (Abb. 2.1.7). An den Atompositionen stehen die anziehenden und abstoßenden Kräfte im Gleichgewicht. Die Tangente des radialen Verlaufs der Atomkräfte ergibt der E-Modul, der die elastischen Dehnungen ε mit der erforderlichen Spannung σ im Hooke’schen Gesetz (Gl. (2.1.1)) verknüpft: σ = Eε ,

ν = –v/u

(2.1.1)

Die leichte Asymmetrie der elastischen Dehnungen in Zugrichtung (u) zur Kontraktion quer dazu (v) wird durch die Poisson-Zahl ν beschrieben (Abb. 2.1.7b). Sie nähert sich nur bei schwach gebundenen Elastomeren an 0,5, was Volumenkonstanz bedeutet. Meist ist sie kleiner als 0,5, was einer Volumenexpansion bei elastischer Verformung entspricht: Bei starken keramischen Bindungen ca. 0,2,

83

84


Abb. 2.1.7 Darstellung (a) der Bindungskraft zwischen zwei Atomen als Resultierende aus Abstoßungs- und Anziehungskräften. Die Tangente an der Gleichgewichtsposition eines Atoms ergibt den Elastizitätsmodul. Je mehr die Anziehungskraft überwiegt, umso steiler

wird die Tangente und somit der E-Modul, (b) die elastische Querschnittsverminderung v eines Festkörpers bei elastischer Verlängerung u unter der Zugspannung σ zur Erklärung der Poisson-Zahl ν, siehe Gl. (2.1.1).

bei den Metallen und Duromeren ca. 0,3. Bei zellularen Strukturen kann sie auch nahezu null werden. Der Gewichtsbezug der Werkstoffeigenschaften ist am Beispiel des E-Moduls und der Elastizitätsgrenze in Tabelle 2.1.2 ersichtlich. Diese Kennwerte sind durch das spezifische Gewicht dividiert als spezifischer E-Modul bzw. spezifische Dehngrenze für einige Werkstoffe angeführt. Die spezifischen Kennwerte der Kohlenstofffasern und der Kohlenstofffaser verstärkten Kunststoffe (CFK) übertreffen in Faserrichtung die anderen Werkstoffe. Der spezifische E-Modul der angeführten, massiven Metalle ist etwa gleich. Der relative Preis für den E-Modul wird durch die Division durch den Preisindex verdeutlicht. Der Preisindex drückt das Vielfache des Werkstoffpreises gegenüber Stahl aus [10]. Von den Beispielen in Tabelle 2.1.2 weist Stahl die preisgünstigsten Kennwerte für E-Modul, Dehngrenzen und deren gewichtsbezogenen Größen auf. Die elastische Verformung von Strukturen, die von der Geometrie und der Mehrachsigkeit der Belastung abhängt, wird durch die Steifigkeit beschrieben. Die Steifigkeit von einseitig eingespannten, metallischen Biegebalken ist in Abb. 2.1.8 veranschaulicht: Biegebalken gleichen Gewichts aus Werkstoffen mit unterschiedlichem spezifischem Gewicht zeichnen sich durch unterschiedliche Dicke aus, die den Leichtwerkstoffen höhere Steifigkeit verleiht, während die Biegebalken gleicher Steifigkeit umso leichter sind, je kleiner das spezifische Gewicht ist. Aus dem extrem leichten Versuchswerkstoff Mg-Li (ρ = 1,4 g/cm3 ) [11] kann der leichteste bzw. steifste Biegebalken hergestellt werden. Bei gleicher Steifigkeit zeichnet sich der Stahlbalken durch die kleinste Dicke aus, aber trotzdem ist er der schwerste und zwar dreimal so schwer wie der Mg-Li Balken.

CFK-UD 60f (längs) Zellulare Al-Si-Legierung

Ungefährer Preisfaktor bezogen auf 1 kg Baustahl

1,9

1,7 0,5

HT-C-Faser (längs)

a

2,7 7,9

Al-Legierg. AA6082-T6 C-Stahl S355 40 10

50

6 1

2 10

[$] a

[g/cm3 ]

1,5 1,8

Preisindex

Dichte ρ

Epoxy Mg-Legierung AZ91

Werkstoff

140 (3,5) 4 (0,4)

230 (4,5)

70 (12) 205 (205)

3,5 (1,8) 45 (4,5)

[GPa] (E/$)

E-Modul

Tab. 2.1.2 Beispiele spezifischer Werkstoffkenngrößen (in Klammern auf den Preis bezogen).

80 (2) 8 (0,8)

120 (2,5)

26 (4,3) 26 (26)

2,3 (1,2) 25 (2,5)

[GPa/g/cm3 ]

E/ρ (E/$ ρ)

2000 (50) 5 (0,5)

4200 (84)

270 (45) 355 (355)

75 (38) 145 (15)

[MPa] (Rp0,2 /$)

Dehngrenze Rp0,2

Rp0,2 /ρ(Rp0,2 /$)

1170 (29) 10 (1)

2210 (45)

100 (17) 45 (45)

50 (25) 80 (8)

[MPa/g/cm3 ]

2.1 Werkstoffe 85

86


Abb. 2.1.8 Schematischer Vergleich steifer Biegebalken aus verschiedenen Metallen (Mg-Li-Versuchslegierung mit ρ = 1,4 g/cm3 [11]): das kleinste spezifische Gewicht ergibt den steifsten, bzw. leichtesten, weil dicksten Balken.

√ Die Materialeffizienz für Biegebelastung ist durch E/ρ gegeben, was Leichtwerkstoffe attraktiver macht (siehe Abschnitt 2.3). Ähnlich hängt die Steifigkeit S zellularer Strukturen mit effektivem spezifischem Gewicht ρS quadratisch vom Dichteverhältnis des massiven Werkstoffs ab: S/E = c(ρS /ρ)2 [12]. Erst Biege- und Torsionsbelastung erlauben geringe Materialdichten für hohe Steifigkeit effizient zu nutzen. Der E-Modul von Polymeren und Metallen kann durch keramische Einlagerungen (Verstärkungen) erhöht werden. Die Steifigkeit der entsprechenden Verbundwerkstoffe hängt von der Anordnung der Verstärkungskomponente und dem Volumenanteil vf ab. Die Grenzwerte des effektiven E-Moduls E lassen sich nach Gl. (2.1.2a) entlang und quer zu Faserverstärkungen realisieren, die sich aus den Randbedingungen der gleichen Dehnung bzw. der gleichen Spannung nach Abb. 2.1.9 ableiten. Die Indizes f und m beziehen sich auf Verstärkung (z. B. Fasern) und Matrix. σ MMC = vf σf + vm σm ⇒ EMMC = vf Ef + (1 – vf )Em

(2.1.2a)

εn = vf εf + vm εm ⇒ 1/EMMC = vf /Ef + (1 – vf )/Em

(2.1.2b)

Der obere Grenzwert ergibt sich aus der linearen Mischungsregel nach Voigt (Gl. (2.1.2a)) für die longitudinale Steifigkeit, während die durchgehende Spannung zum unteren Grenzwert der reziproken Mischungsregel nach Reuss (Gl. (2.1.2b)) führt, die auch für Teilchen-Verstärkungen gilt. Abbildung 2.1.10

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.9 Ableitung der Mischungsregeln Gl. (2.1.2a) für Verbundwerkstoffe: (a) bei longitudinal gleicher elastischer Dehnung nach Voigt, (b) bei transversal gleicher Spannung beider Komponenten nach Reuss [1].

Abb. 2.1.10 Darstellung der Mischungsregel für longitudinale und transversale E-Module eines unidirektionalen CFK (s. Tabelle 2.1.2) mit anisotropen Faser-E-Modulen bzw. unter der Annahme eines isotropen Faser-E-Moduls (z. B. für Keramikfasern).

stellt die Grenzwerte der Gl. (2.1.2a) dar: für isotrope Fasern mit E = 230 GPa, aber auch für anisotrope Kohlenstofffasern, deren E-Modul transversal nur 10 GPa beträgt. Daraus ergeben sich über den ganzen Volumenanteilsbereich weit auseinander liegende Grenzwerte. Kohlenstofffaserverstärkungen (siehe Abschnitt 2.2)

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88


sind daher transversal immer mit vernachlässigbarer Verstärkungsfunktion für Kunststoffmatrix gepaart (bei Metallmatrix ergeben C-Fasern transversal eine Steifigkeitsverminderung). Das spezifische Gewicht von Verbundwerkstoffen ergibt sich aus der Berechnung nach der linearen Mischungsregel. Somit lassen sich die spezifischen E-Module monolithischer Werkstoffe durch steife, keramische Einlagerungen in ihrer spezifischen Steifigkeit erhöhen. Analoge Mischungsregeln lassen sich auch auf andere Eigenschaften anwenden und helfen, die geeigneten Komponenten für Verbundwerkstoffe zu ermitteln [13]. 2.1.4 Festigkeit und plastische Verformung

Mechanische Beanspruchungen dürfen die Werkstoffe im Allgemeinen nur unterhalb der Elastizitätsgrenze belasten. Die Bauteile sollen sich im Einsatz nicht plastisch verformen, aber die Duktilität von Metallen und Thermoplasten wird für die Formgebung bei der Herstellung von Bauteilen genutzt. Die Abb. 2.1.11 zeigt das Spannungs-Dehnungsdiagramm eines Zugversuchs, aus dem die angegebenen Kennwerte abgelesen werden können: der E-Modul aus der Hooke’schen Gerade nach Gl. (2.1.1); die praktische Elastizitätsgrenze definiert durch eine x% Dehngrenze (i. A. Rp0,2 ), die x% plastische Verformung zulässt (i. A. 0,2%); der Be-

Abb. 2.1.11 Technische Spannungs-Dehnungskurve eines duktilen Metalls angedeutet durch verformte Zugproben mit elastischem, gleichmäßig plastischem und lokalisiertem (geschädigtem) Verformungsbereich, wobei die Zugversuchskennwerte x%-Dehngrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaß- und Bruchdehnung angezeigt sind. Elastische Rückfederung hängt von der Größe der Spannungsabnahme ab.

2.1 Werkstoffe

reich der gleichmäßigen, plastischen Verformung mit Verfestigung bis zur maximalen Festigkeit (Rm ) und der zugehörigen Dehnung (Agl ); danach Entfestigung durch Materialschädigung bis zum Bruch bei der Bruchdehnung. Entlastungen bewirken eine Rückfederung parallel zur Hooke’schen Gerade. Die Abb. 2.1.12 zeigt wie unterschiedlich Spannungs-Dehnungskurven verschiedener Werkstoffe verlaufen: spröde Kohlenstofffasern und gehärtete Stähle mit hohen Festigkeiten, aber ohne plastische Verformung, extrem große plastische Verformungen eines austenitischen Stahls und eines thermoplastischen Kunststoffs, dazwischen unterschiedliches plastisches Verformungsverhalten für Guss- und Knetwerkstoffe. Ferritische Stähle weisen die Besonderheit einer Streckgrenze (siehe Kurven 1, 2 und 4 in Abb. 2.1.12) mit kleinen, nicht verfestigenden Verformungsbereichen nach ihrem Überschreiten auf. In Tabelle 2.1.2 sind die Dehngrenzen und die spezifischen Dehngrenzen einiger Werkstoffe angeführt. Die spezifische Dehngrenze der AlMgSi-Knetlegierung [8] übertrifft die der anderen angeführten Metalle geringfügig. Die geringsten Kosten für hohe Festigkeit sind für Baustähle aufzuwenden, während die höchsten spezifischen Festigkeiten der Kohlenstofffasern nicht teurer sind. In Abschnitt 2.3 werden die gewichtsbezogenen Festigkeitskennwerte für verschiedene Beanspruchungen verglichen. Die plastische Verformbarkeit der Metalle ist auf die Beweglichkeit von linienförmigen Versetzungen zurückzuführen. In den Kristallgittern sind die Gitterplätze mit gleichwertigen Ionen besetzt, sodass Verschiebungen von Gitterbindungen in der Gleitebene (relativ dicht gepackte Kristallebenen, siehe Abb. 2.1.5) mit ge-

Abb. 2.1.12 Typische Zugversuchskurven für Stähle, Gusslegierungen, eine Aluminiumknetlegierung, Thermoplaste und eine C-Faser (repräsentativ für Keramik, linear elastischer Bruch außerhalb des Diagramms, s. Tabelle 2.1.2). Die ferritischen Werkstoffe (Kurven 1, 2, 4) weisen Streckgrenzen auf [2, 5].

89

90

2 Werkstoffangebot für den Leichtbau Tab. 2.1.3 Verfestigungsmechanismen der Metalle und deren Umsetzung. Mechanismus

Versetzungshindernisse

Steuerbarkeit

Beispiele

Herstellung

Mischkristallhärtung

interstitielle oder substitutionelle Fremdatome

unterschiedliche Messing, Atomradien, Stähle, Ni-, Al-, Löslichkeiten Mg-, etc. Legierungen

Legieren der Schmelze

Verformungsverfestigung Feinkornhärtung

Versetzungen untereinander Korngrenzen

Versetzungsdichte Korngröße klein

Stahl, Al, CuLegierungen Stahl, Ti-, Al-, MgLegierungen

Kaltverformen

Ausscheidungshärtung

Ausscheidungen, Dispersoide

mittlerer Abstand und Teilchen klein

Al-, Mg-, Cu-, Ni-Leg., Stähle (Karbidbildung)

Wärmebehandlung, mechan. Legieren

Umwandlungshärtung

verspannte Körner (Martensit)

hoher Volumenanteil und Verteilung

allotrope Leg.: Stahl, Titanleg., Messing

Härten: Abschrecken von oberhalb der Umwandlungstemperatur

Warm-, Kaltverformung + Rekristallisation

ringer Verformungsenergie möglich sind und den Gitterverband nicht schädigen. Die Abb. 2.1.13 zeigt einen Abschnitt einer sogenannten Stufenversetzung mit den lokalen elastischen Verzerrungen. Wie in Abb. 2.1.13a–h gezeigt, wird eine Versetzung durch Schubspannungen verschoben, bis sie den Kristallbereich durchquert hat und eine plastische Verformung erzeugt. Die Elastizitätsgrenze wird dann erreicht, wenn die Schubspannungen ausreichen, Versetzungen irreversibel durch den Kristall zu verschieben. Die Versetzungsbewegung kann durch innere Spannungsfelder behindert werden, die eine Erhöhung der Elastizitätsgrenze, also eine Verfestigung bewirken. Die Abb. 2.1.14 zeigt einige Kristallfehler, die durch Legieren eingebracht werden: gelöste Atome unterschiedlicher Größe (Abb. 2.1.3) oder neu gebildete Kriställchen (Ausscheidungen), wie sie Abb. 2.1.14c andeutet. Die Spannungsfelder um diese Kristallfehler bewirken Mischkristall- bzw. Ausscheidungsverfestigung und dies umso mehr, je dichter diese im Kristallkorn vorliegen. Die Abb. 2.1.15 skizziert, wie Versetzungen in ihrer Bewegung durch Kristalldefekte behindert werden, und den qualitativen Verlauf der erforderlichen Schubspannung in Abhängigkeit vom Abstand der Hindernisse. Während der plastischen Verformung von Metallen entstehen neue Versetzungen, die Versetzungsdichte wird erhöht, sodass sich die Versetzungen gegenseitig in ihrer Bewegungsmöglichkeit behindern. So entsteht Verformungsverfestigung, die in Spannungs-Dehnungsdiagrammen ersichtlich ist. Auch die Verkleinerung der Kristallkörner erhöht die

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.13 Schematische Darstellung der plastischen Verformung eines Kristalls durch Gleiten einer Versetzung: (a) perfektes Kristallgitter, (b) Schubspannungen erzeugen oberflächennahe Verzerrungen, (c) Stufe an der Oberfläche und (d) Versetzung im Inneren entstehen, (e) Skizze einer Stufenversetzung mit Druck- und Zugspannungsbereichen,

(f, g) Versetzung gleitet durch fortschreitenden Wechsel der Bindungen, (h) Versetzung erreicht auf ihrer Gleitebene die andere Seite des Kristalls und (i) verlässt diesen. Zurück bleiben gegensätzliche Stufen, die eine plastische Verformung um eine Gitterebene darstellen.

Abb. 2.1.14 Fremdatome im Kristallgitter erzeugen innere Spannungsfelder und behindern dadurch das Gleiten von Versetzungen: Punktdefekte wie (a) Zwischengitteratom (ZG), (b) größeres und kleineres Substitutionselement (S), (c) dreidimensionale Anordnung der Fremdatome (Ausscheidungen).

kritische Schubspannung und führt zur sogenannten Feinkornhärtung, die aber die Duktilität nicht vermindert. In nanoskopisch kleinen Körnern ist keine Versetzungsbewegung mehr möglich (hohe Festigkeit mit geringer Duktilität). Die Abb. 2.1.16 zeigt die Verfestigungsmöglichkeiten für Aluminium und seine Legierungen [8]: die nicht aushärtbaren Legierungen durch Mischkristallhärtung und Verformungsverfestigung, die aushärtenden Legierungen noch zusätzlich durch Ausscheidungen. Der E-Modul bleibt durch die Verfestigungsmecha-

91

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Abb. 2.1.15 Schematische Darstellung der Überwindung von periodischen, nicht schneidbaren Hindernissen für die Gleitbewegung von Versetzungen. Je kleiner der mittlere Hindernisabstand, umso höher ist die erforderliche Schubkraft zu ihrer Überwindung mittels Orowan Mechanismus [1].

nismen unbeeinflusst, nur die Elastizitätsgrenze wird bis zu einem Vielfachen erhöht, gleichzeitig aber im Allgemeinen auch die Verformbarkeit (Agl ) vermindert. Die Versetzungsbeweglichkeit wird extrem vermindert durch Umwandlungshärtung allotroper Metalle wie Fe und Ti. Die Unterdrückung der Gleichgewichtsumwandlung durch Abschrecken erzeugt Ungleichgewichtszustände mit verspanntem Kristallgitter, sogenanntem Martensit, der die kritische Schubspannung stark erhöht. Die Abb. 2.1.17 zeigt Martensitnadeln in einem Kohlenstoffstahl mit hoher Festigkeit. Die Tabelle 2.1.3 fasst die Verfestigungsmechanismen für Metalle zusammen und führt Beispiele an, wie ohne Veränderung der Dichte und des E-Moduls die Elastizitätsgrenzen wesentlich verändert werden können. Die spezifische Festigkeit von Aluminium und Stahl kann durch Gefügeänderungen mehr als verzehnfacht werden. Die Abb. 2.3.3 in Abschnitt 2.3 stellt die Festigkeitsbereiche der Werkstoffe mit dem spezifischen Gewicht in Beziehung.

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.16 Festigkeitssteigerungen, die für Al-Legierungen genutzt werden: Mischkristall- und Verformungsverfestigung bei nicht aushärtbaren Legierungen; zusätzlich Kalt- bzw. Warmaushärtung bei ausscheidungshärtenden Legierungen.

Abb. 2.1.17 Martensitnadeln mit hohen inneren Spannungen in Kohlenstoffstahl nach Umklappvorgängen in bestimmten, kristallografischen Richtungen. Je dichter die Martensitnadeln liegen, umso höher die Elastizitätsgrenze und desto geringer die Verformbarkeit [5].

Mit Kohlenstofffasern und keramischen Fasern können Kunststoffe und Leichtmetalle durch Spannungsumlagerung verstärkt werden. Der hohe E-Modul der Fasern bewirkt, dass diese die longitudinalen Spannungen tragen und das Matrixmaterial entlastet wird. Die Abb. 2.1.18 zeigt schematisch das Spannungs-Dehnungsdiagramm einer unidirektional mit Kohlenstoffendlosfasern verstärkten Al-Legierung (A6082/C-HT/60f-UD; Kennwerte der Komponenten aus Tabelle 2.1.2). Die dehnungskontrollierte Spannung in den Fasern und in der Matrix wird nach der

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Abb. 2.1.18 Spannungs-Dehnungsdiagramme der Zugversuche mit Al-Matrix, mit C-Fasern und dem unidirektional verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoff daraus (CFRM: Al/C/60f-UD) in Faserrichtung; EMMC und EMMC sind die Längssteifigkeiten 1 2 ohne bzw. mit Matrixplastifizierung; RMMC ist die optimale m Zugfestigkeit.

linearen Mischungsregel Gl. (2.1.2a) summiert. Zuerst dehnen sich beide Komponenten elastisch, was eine Verbundsteifigkeit EMMC ergibt. Beim Überschreiten der 1 Dehngrenze der Matrix plastifiziert diese, was zu einem Knick in der SpannungsDehnungskurve führt, deren Steigung mit EMMC bezeichnet ist. Sobald der Faser2 , die Verfestigung der Matrix bruch eintritt versagt der Verbundwerkstoff bei RMMC m bis zur Zugfestigkeit Rm ist nicht nutzbar. 2.1.5 Einfluss erhöhter Temperatur

Mit steigender Temperatur nehmen die Bindungskräfte zwischen den Atomen eines Festkörpers ab, die Atomabstände werden vergrößert. Folglich nimmt der E-Modul ab und der thermische Ausdehnungskoeffizient steigt [1–5]. Bei keramischen Werkstoffen sind wegen der starken, kovalenten Bindungen die Eigenschaften relativ temperaturstabil. Diffusionsvorgänge in Festkörpern sind stark temperaturabhängig und werden durch die Zunahme der Leerstellenkonzentration (unbesetzte Positionen im Kristallgitter) beschleunigt. Die exponentielle Temperaturabhängigkeit (absolute Temperatur T in K) des Diffusionskoeffizienten D zeigt Gl. (2.1.3) mit den Konstanten D0 und der Gaskonstanten R. D = D0 e–Q/RT → ln D = –Q/R ·

1 + ln D0 T

(2.1.3)

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.19 (a) Größenordnung der Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten in Metallen für Wasserstoffionen (Protonen), Zwischengitteratome und Gitterdiffusion mit Angabe der Wahrscheinlichkeit von Atomsprüngen (Sprungzeit) [2]. (b) Schematische

Darstellung des diffusionskontrollierten Kletterns einer Stufenversetzung: Atome diffundieren vom Rand der Extrahalbebene weg, sodass die Versetzung in andere Gleitebene gelangt [1].

Die logarithmierte Arrhenius-Darstellung linearisiert diese Exponentialfunktion, wobei die Steigung die Aktivierungsenergie Q angibt. Die Abb. 2.1.19a gibt Beispiele wie unterschiedlich die Beweglichkeit der Atome in Metallen ist: Wasserstoff (Proton) diffundiert bei 400 °C um 6 Größenordnungen schneller als das Zwischengitteratom C in Stahl, während Platzwechselvorgänge der Fe-Positionen um nahezu 10 Größenordnungen weniger oft ablaufen als für das Zwischengitteratom C. Trotzdem sind für Fe-Basiswerkstoffe Diffusionsvorgänge ab 400 °C zu beachten. Generell gilt die Faustregel, dass ab Erreichen von 40% der absoluten Schmelztemperatur [K] bzw. Glasübergangstemperatur bei Polymeren mit makroskopischen Auswirkungen der Diffusionsvorgänge zu rechnen ist. Da in Keramiken keine Versetzungsbewegung möglich ist, ermöglichen nur Diffusionsvorgänge plastische Verformungen. Bei den meisten Polymeren ist schon bei Raumtemperatur mit Kriechverformung zu rechnen, aber auch die meisten Mg-Legierungen sind schon ab 50 °C kriechanfällig. Für Ti-Legierungen ist erst ab 500 °C mit Kriechverformung zu rechnen, aber die Diffusion von Zwischengitteratomen macht sie korrosionsanfällig. Die Verfestigungsmechanismen der Metalle verlieren durch die zunehmende Beweglichkeit der Kristalldefekte an Wirkung. Die Abb. 2.1.19b stellt dar, wie das Wegdiffundieren von Atomen einer Stufenversetzung deren Position verändert, sodass diese in andere Gleitebenen „klettert“ und so zeit- und temperaturabhängig Hindernisse umgehen kann. Folglich können Versetzungen bei erhöhter Temperatur schon unterhalb der Elastizitätsgrenze im Laufe der Zeit zu plastischen Verformungen führen, sogenannten Kriechverformungen. Die Abb. 2.1.20a zeigt den Verlauf der Kriechdehnung mit der Belastungszeit, wobei der elastische Deh-

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Abb. 2.1.20 Thermisch aktivierte Kriechverformung: (a) Gesamtdehnung und plastische Dehnung als Funktion der Zeit (bei konstanter Temperatur und Spannung < Elastizitätsgrenze), (b) Dehngeschwindigkeit unterscheidet das primäre (1), stationäre (2) und tertiäre (3) Kriechstadium, (c) statio-

näre Dehnrate steigt mit der Spannung nach einem Potenzgesetz (Norton’sches Kriechgesetz), (d) Zeitdehngrenzen bis zum Erreichen vorgegebener plastischer Dehnungen in Abhängigkeit von der Belastungszeit bzw. Zeitbruchlinie (Zeitstandfestigkeit), bei der nach bestimmter Zeit Bruch eintritt [1, 2, 5].

nungsanteil eingetragen ist. Die drei Kriechstadien sind aus der Zeitableitung der Dehnung, dem Kriechratenverlauf, in Abb. 2.1.20b erkennbar. Die Spannungsabhängigkeit des sekundären, annähernd stationären Kriechstadiums kann mit dem Norton’schen Kriechgesetz Gl. (2.1.4) quantifiziert werden, in dem der Diffusionskoeffizient die exponentielle Temperaturabhängigkeit ausdrückt. A ist eine materialabhängige Konstante. Die Steigung der logarithmierten Potenzfunktion (Abb. 2.1.20c) ergibt den Kriechexponenten n, der vom Kriechmechanismus abhängt. ε˙ = A · D(T) · σ n → log ε˙ = n log σ + log D(T) + log A

(2.1.4)

Bei niedrigen Belastungen und hohen Temperaturen dominiert die Korngrenzenoder Volumendiffusion, was n = 1 entspricht, während bei n = 3–5 das Versetzungskriechen (Diffusion gelöster Legierungselemente mit den Versetzungen oder Versetzungsklettern) die Kriechrate bestimmt. Innere Spannungen können auch durch Kriechmechanismen relaxieren.

2.1 Werkstoffe

Bei der Auslegung Temperatur exponierter Bauteile begrenzt nicht nur die Zugversuch-Dehngrenze die Belastbarkeit, sondern auch die niedrigere x% Zeitx dehngrenze, jene Spannung σt,T , die bei einer bestimmten Temperatur nach einer bestimmten Zeit bei axialer Belastung eine lineare Werkstoffverformung von 1% x% hervorruft (z. B. σ1000 h , 800 °C). Die Abb. 2.1.20d zeigt den zeitlichen Verlauf der 0,2%- und 1%-Zeitdehngrenze im Stadium des Versetzungskriechens. Die Spannung, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Bruch führt, wird als Zeitstandfestigkeit bezeichnet, die als Zeitbruchlinie in Abb. 2.1.20d eingetragen ist. Der Knick der Zeitbruchlinie und der 1%-Zeitdehngrenze beim Übergang zum Diffusionskriechen verdeutlicht die Gefahr der Extrapolation von Zeitdehngrenzen über Mechanismengrenzen hinweg. Die Kriechbeständigkeit von Legierungen kann durch Einbringen von temperaturstabilen Versetzungshindernissen, wie feinen, keramischen Dispersoiden (z. B. pulvermetallurgisch hergestellte, dispersionsverstärkte Al-Legierungen) [1, 5] oder durch Spannungsumverteilung zu keramischen Verstärkungskomponenten (z. B. Faserverstärkung von Kunststoffen (siehe Abschnitt 2.2) und Leichtmetallen [9, 14]) wesentlich erhöht werden. 2.1.6 Werkstoffschädigung und Bruch

Ausgehend vom Zugversuch können die in Abb. 2.1.21 dargestellten Bruchtypen unterschieden werden. Schematische Darstellungen werden mit Metallografien verglichen: • Verformungsloser Spaltbruch: transkristalliner Riss ohne Versetzungsbewegung mit glatten Bruchflächen (a, f); verformungsloser Rissfortschritt entlang Korngrenzen (b, g). • Innere Rissbildung durch Porenbildung an spröden Einschlüssen, erkennbar durch Grübchen bzw. Zipfel (h) in den Fraktografien: in den Körnern, die sich duktil verformen (c); mikroduktil an den Korngrenzen (kann auch ohne makroskopische Einschnürung erfolgen = Sprödbruch) (d, i). Die Abb. 2.1.21i zeigt eine Mikroradiografie einer Stahlzugprobe neben der Bruchfläche, in der die Poren dargestellt sind, deren Anzahl zur Bruchfläche hin stark zunimmt [15]. • Duktiler Scherbruch (e): in relativ reinen Metallen (kohlenstoffarmer Baustahl) durch Abgleiten entlang Ebenen, die 45◦ zur Verformungsrichtung geneigt sind, was zu nahezu vollkommener Einschnürung (Z ~ 100%) führt. Die im Zugversuch feststellbare Entfestigung duktiler Materialien beim Überschreiten der Zugfestigkeit (Abb. 2.1.11) ist auf duktile Einschnürungen zurückzuführen aufgrund innerer Verformungsporen oder Scherverformung. Sobald es innere oder äußere Risse oder Kerben gibt, die von der Fertigung oder lokalisierter Verformung stammen, wird eine Spannungserhöhung am Kerbgrund wirksam. Bei einachsiger, äußerer Zugspannung σ trägt der Rissbereich a nicht,

97

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Abb. 2.1.21 Brucharten der Metalle (Beispiele von Kohlenstoffstahl): (a) transkristalliner Spaltbruch mit Fraktografie in (f) (gleiche Vergrößerung wie (g)), (b) interkristalliner Spaltbruch mit Fraktografie in (g), (c) intrakristalline und (d) interkristalline Grübchenbildung

mit mikroduktiler Fraktografie in (h) [2] und Radiografie [15] mit hellen Poren in (i), deren Zahl zur Bruchstelle hin zunimmt, (e) duktiler Scherbruch mit Längsschliff und vereinzelten Poren.

und die Umgebung muss die entsprechende Spannungserhöhung ertragen, wie es Abb. 2.1.22 zeigt. Dies ist durch den Spannungsintensitätsfaktor K Gl. (2.1.5) mit einem Formfaktor f für die Kerbe quantifizierbar. An der Rissspitze kann die Spannung so hoch werden, dass die atomaren Bindungen aufreißen und es zum verformungslosen Spaltbruch kommt. Die entsprechende linear elastische Bruchmechanik [1–5] definiert dafür die Bruchzähigkeit KIc .

√ K = f · σ πa → Klc = f · σ πakrit (σ)

(2.1.5)

Die Bruchzähigkeit ist ein Werkstoffkennwert, der vor allem bei spröden und hochfesten Werkstoffen zu beachten ist, wo hohe elastische Spannungen auftreten können, die den Spaltbruch auslösen, sobald bei der äußeren Spannung σ eine kritische Risslänge akrit erreicht wird. Die maximale auftretende Spannung ist die Elastizitätsgrenze. Bei duktilen Werkstoffen kann die Spannungskonzentration an der Rissspitze durch plastische Verformung abgebaut werden. Wie Abb. 2.1.22 zeigt, kann der Riss über vorauseilende Grübchenbildung (wie im Zugversuch) voranschreiten und zum duktilen Bruch führen. Generell stellt die werkstoffspezifische

2.1 Werkstoffe

Abb. 2.1.22 Spannungsverlauf und Rissfortschritt von einer äußeren Oberfläche ausgehend, die parallel zur Zugbelastung verläuft: Spannungskonzentration an der Rissspitze steigt mit der Risslänge; sie übersteigt entweder die Bindungskraft der Atome und führt zum Spaltbruch oder die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs und führt nach Verfestigung zur lokalen Schädigung in der überlasteten plastifizierten Zone [1].

Bruchzähigkeit nach Gl. (2.1.5) eine weitere Grenze für die Beanspruchung von Werkstoffen dar. Werkstoffe, die zu keiner plastischen Verformung fähig sind (Keramiken, Gläser, Duromere, durchgehärtete Stähle), brechen aufgrund linear elastischer Bruchmechanik spontan durch Spaltbruch. Ihre Festigkeit hängt von der herstellungsbedingten Verteilung innerer Defekte ab (Abb. 2.1.23a), die mittels der WeibullStatistik nach Gl. (2.1.6) beschrieben werden kann [1].

Y(V0 ) = exp (σ/σ0 )m

bzw.

Y(V) = exp V/V0 (σ/σ0 )m

(2.1.6)

Die Überlebenswahrscheinlichkeit Y(V0 ) einer Probe mit dem Volumen V0 hängt von der Verteilung kritischer Fehlergrößen und -orientierungen ab, die durch den Weibull-Modul m beschrieben wird (Abb. 2.1.23b). Der Festigkeitsmodul σ0 ist ebenfalls werkstoffspezifisch und entspricht der Überlebenswahrscheinlichkeit von 37%. Je höher der Weibull-Modul, umso enger ist das Spannungsintervall um σ0 , das ertragen werden kann und ein hochwertiges, zuverlässiges Material ergibt. Aufgrund der linear elastischen Bruchmechanik weisen spröde Werkstoffe eine wesentlich höhere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit auf. Eine Folge der Wahrscheinlichkeitsverteilung kritischer Defekte ist die Volumenabhängigkeit der Festigkeit spröder Werkstoffe wie sie Gl. (2.1.6) angibt: Die ertragbare Spannung nimmt mit dem Volumen ab. Daraus leitet sich das Faserparadoxon ab, mit dem die hohen Festigkeiten der Kohlenstoff-, Keramik- und Glasfasern erklärbar wird: je dünner, umso fester [14].

99

100


Abb. 2.1.23 Bruchversagen nicht plastifizierender Werkstoffe (Keramik, Duromer, durchgehärteter Stahl) hängt (a) von der Defektverteilung ab, (b) Überlebenswahrscheinlichkeit Y wird durch den Festigkeitsmodul σ 0 und den Weibull-Modul m (umso größer, je kleiner die Streuung kritischer Defekte) bestimmt [1].

Abb. 2.1.24 Ermüdungsbeständigkeit bei periodischer Wechselbelastung (b) mit Spannungsamplituden zwischen σu und σo bei einer Mittelspannung σm dargestellt in (a) der Wöhlerkurve mit Bruchwahrscheinlichkeiten für die Zeitfestigkeit und einem Dauerfestigkeitsbereich [4].

Ein oft unterschätzter Schädigungsmechanismus ist bei wechselnder Belastung von Werkstoffen wirksam, selbst wenn die Spannungsamplitude innerhalb des elastischen Verformungsbereichs liegt [1–5]. Wechselbelastungen werden durch die untere σu und obere σo Spannungsgrenze und die Mittelspannung σm definiert (Abb. 2.1.24b). Bei Metallen kommt es auch im elastischen Bereich zu Be-

2.1 Werkstoffe

wegungen von (aufgespaltenen) Versetzungen, die sich bei wechselnder Belastung in Gleitebenen konzentrieren können und im Laufe der Lastwechsel mikroskopische Kerben an der Oberfläche erzeugen. Die zuerst nach Gleitebenen orientierten Kurzrisse beginnen ab einer gewissen Spannungsintensität mit jedem Zyklus zu wachsen und führen zum Bruch. Die Abhängigkeit der Werkstofflebensdauer (Bruchlastspielzahl N) wird mit konstanten Spannungsamplituden belasteten Proben geprüft und die Ergebnisse in Wöhlerkurven (Abb. 2.1.24a) dargestellt, die eine Streubreite der Bruchwahrscheinlichkeit P aufweisen (P = 0 kein Bruch zu erwarten). Im Bereich der Zeitfestigkeit für elastische Verformungen gilt die BasquinBeziehung Gl. (2.1.7a) für die Bruchlastspielzahl N mit dem empirisch bestimmten Exponenten a. Δσ · Na = C1

(2.1.7a)

Δεpl · Nb = C2

(2.1.7b)

Manche Metalle (z. B. ferritischer Stahl und β-Ti-Legierungen, nicht jedoch alle KFZ Metalle) zeichnen sich durch eine Dauerfestigkeit aus: eine Spannungsamplitude, unter der keine Ermüdungsschädigung auftritt. Bei ständiger, wechselnder Belastung kann somit die Elastizitätsgrenze nicht ausgenützt werden, sondern die Auslegung des Bauteils ist mit der Ermüdungsbeständigkeit zu begrenzen. Geringe Überschreitungen der Elastizitätsgrenze sind für hoch belastete, duktile Werkstoffe für gewisse Lastspielzahlen zulässig. Die Lebensdauer bei Niedriglastspielzahl-Ermüdung wird durch die Manson-Coffin-Regel Gl. (2.1.7b) abgeschätzt, wobei die plastische Verformungsamplitude Δεpl und der empirisch bestimmte Exponent b eingesetzt werden. 2.1.7 Umgebungsbedingte Schädigungen

Konstruktionsbauteile unterliegen nicht nur den mechanischen Belastungen, sondern treten auch mit der Umgebung in Wechselwirkung. Eine komplexe Wechselwirkung stellt das Verschleißsystem dar, das in Abb. 2.1.25 dargestellt ist. Die Kraft zwischen 2 Festkörpern, die sich gegeneinander bewegen, bewirkt mit dem Zwischenstoff Abrieb des Grundkörpers im Verlauf des relativ zum Gegenkörper zurückgelegten Weges. Die Abb. 2.1.25a stellt den Materialabtrag W und die Verschleißrate Wr als Funktion der Bewegungsakkumulation dar, die ähnlich den Kriechstadien eine Einlaufphase, eine stationäre und eine Versagensphase zeigt. Die wichtigsten Verschleißmechanismen sind abrasiver, adhäsiver, tribochemischer Verschleiß und Oberflächenzerrüttung [2–4]. Abrasiver Verschleiß hängt von den relativen Härtewerten ab. Leichtwerkstoffe können durch Füllstoffe bzw. Verstärkungskomponenten ihre Verschleißbeständigkeit wesentlich erhöhen. Teilchenverstärkte Al-Legierungen beispielsweise können verschleißbeständiger sein als Stahl [14]. Eingelagerte Graphitpartikeln vermindern den Reibungskoeffizienten von Kunststoffen und Metallen und somit den Verschleiß. In allen Fällen ist das Gesamtsystem und seine Wechselwirkungen zu analysieren, um durch geeig-

101

102


Abb. 2.1.25 (a) Verschleißabtrag W und Verschleißrate Wr bezogen auf den Verschleißweg (bei gleichförmiger Bewegung auf die Verschleißzeit) für ein Verschleißsystem gemäß (b).

nete Werkstoffkombinationen unter Berücksichtigung von Verbundwerkstoffen nachhaltige Gewichtseinsparungen zu erzielen. Korrosive Medien vermindern zeitabhängig die tragenden Querschnitte der Werkstoffe [1–5]. Nasskorrosion greift vor allem Metalle an, die aus positiven Ionen bestehen, und die Affinität zu negativen Ionen der Medien bewirkt ihre Zersetzung. Die Wasseraufnahme von Kunststoffen und die durch Wasserstoffionen beschleunigte Spannungsrisskorrosion von Keramiken und hochfesten Metallen vermindern deren Servicedauer. Je höher die Elastizitätsgrenze, umso anfälliger werden Werkstoffe für die Spannungsrisskorrosion, die weniger durch Metallabtrag als durch Rissbildung schädigt, sodass die Bruchzähigkeit nach Gl. (2.1.5) überschritten wird. Bei Mischbauweisen ist die galvanische Korrosion zu beachten, die auf die Differenz in den chemischen Normalpotenzialen der Elemente zurückgeht. Tabelle 2.1.4 führt einige Beispiele an: Die negativeren Elemente einer Werkstoffpaarung lösen sich in Gegenwart eines Elektrolyten auf. Mg und Tab. 2.1.4 Chemische Normalpotenziale der Metalle gegenüber Wasserstoff (Anfälligkeit von Werkstoffpaarungen für galvanische Korrosion). Normalpotenzial [V] Elemente (qualitativ)

Au

+1

0

–1

–2

Pt

Ag, Cu, Ni

Fe, Cr, Zn

Ti, Al, Mg

2.1 Werkstoffe

seine Legierungen sind dabei besonders gefährdet. Al und seine Legierungen vermögen sich durch eine natürliche, dichte Oxidschicht zu schützen, aber Oberflächenzerrüttung kann diese ständig zerstören und dem Korrosionsangriff gegenüber elektropositiveren Metallen (alle außer Mg) und CFK aussetzen. Besonders korrosionsbeständig ist Ti durch interstitielle Einlagerung von Sauerstoff. Ab etwa 350 °C wird die Diffusionsgeschwindigkeit dieses interstitiellen Elementes so hoch, dass eine diffusionsgesteuerte Trockenkorrosion einsetzt. Sobald die Diffusion von Sauerstoff in den Metallen oder Keramiken signifikant wird, ist dieser Korrosionsmechanismus zu beachten. Korrosionsangriff ist wie Kriechverformung zeitabhängig und in beschleunigten Tests nur annähernd zu bewerten. 2.1.8 Zusammenfassung und Ausblick

Die Belastungsgrenzen der Werkstoffe bilden die Grundlage der Bauteilauslegung bzw. der Werkstoffauswahl für definierte Anforderungsprofile. Für Leichtbau ist der Bezug zum Gewicht von Bedeutung. In Abb. 2.1.26 sind die Belastungsgrenzen dividiert durch das spezifische Gewicht ohne Umgebungseinfluss und ohne ther-

Abb. 2.1.26 Spezifische Belastungsgrenzen der Werkstoffe (bezogen auf das spezifische Gewicht) im Vergleich zwischen hochfestem Stahl (HF-Stahl), Baustahl (S235), einer Al-Legierung (A6082), Glasfaser verstärktem Kunststoff (GFK) bestimmt durch die Elas-

tizitätsgrenzen (Dehn- bzw. Streckgrenze), Ermüdungsbeständigkeit (Zeit- bzw. Dauerfestigkeit), linear-elastische Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der jeweiligen kritischen Risslänge für statische und dynamische Belastung.

103

104


Abb. 2.1.27 Werkstoffe sind in ihrem Zusammenhang der Gebrauchseigenschaften mit den konstruktionsrelevanten Kennwerten, mit ihren Formgebungsmöglichkeiten, mit ihrer Rezyklierfähigkeit und dem ermöglichten Nutzen für die Wirtschaft und im Gebrauch hinsichtlich ihrer integralen Eignung für marktgerechte Produkte zu bewerten.

mische Aktivierung beispielhaft dargestellt für hochfesten Stahl (Re = 1100 MPa), Baustahl (S235), eine Al-Knetlegierung und einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK): die Elastizitätsgrenze (0,2% Dehngrenze bzw. Streckgrenze), die Dauerfestigkeit bzw. Zeitfestigkeit für 106 Zyklen (gestrichelt), die statische und die dynamische Bruchzähigkeitsgrenze. Unterhalb dieser Grenzen können Werkstoffe dauerhaft elastisch belastet werden. Die Stähle zeichnen sich durch relativ hohe Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur aus. Hinsichtlich statischer Festigkeit kommen GFK und hochfeste Al-Knetlegierungen dem hochfesten Stahl nahe, aber beide Werkstoffe fallen hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit zurück. Die Werkstoffkonkurrenz ist aber nicht auf die Eigenschaftsprofile beschränkt, sondern schließt vor allem die Fertigungsmethoden ein: Blechverarbeitung, Warmumformung oder Gießtechnik. Die Formgebungsverfahren und Fügetechniken beeinflussen auch die Eigenschaftsprofile. Die Nutzung von Formfaktoren verbessert die Konstruktion und die Berücksichtigung der Kosten der Eigenschaften stellt ein starkes, wirtschaftliches Kriterium dar. Einige dieser Aspekte werden in Abschnitt 2.3 aufgegriffen, um die Werkstoffauswahl zu systematisieren. Bei der Bauteilentwicklung bedarf es somit einer interaktiven Vorgangsweise, die alle diese Gesichtspunkte, die in Abb. 2.1.27 dargestellt sind, am besten schrittweise und in marktgerechter Gewichtung beachtet.

2.2 Polymermatrix-Verbundwerkstoffe

Literaturnachweis 1 Ashby, M.F., Jones, D.R.H. (2006) Werkstoffe 1: Eigenschaften, Mechanismen und Anwendungen, (Hrsg M. Heinzelmann), Spektrum Akademischer Verlag, München. 2 Riehle, M., Simmchen, E. (1997) Grundlagen der Werkstofftechnik, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Dresden. 3 Shackelford, J.F. (2005) Werkstofftechnologie für Ingenieure, Pearson Studium, München. 4 Bergmann, W. (2002) Werkstofftechnik 1 und 2, Hanser Verlag, München. 5 Bargel, H.J., Schulze, G. (2000) Werkstoffkunde, VDI-Verlag, Düsseldorf. 6 www.audia2museum.de/7.html. 7 Kainer, K.U. (Hrsg.) (2000) MagnesiumEigenschaften, Anwendungen, Potenziale, Wiley-VCH Verlag, Weinheim. 8 Kammer, C. (Hrsg.) (1998) Aluminium Taschenbuch, Bd. 1–3, Aluminium Verlag, Düsseldorf.

9 Peters, M., Leyens, C. (Hrsg.) (2002) Titan und Titanlegierungen, Wiley-VCH Verlag, Weinheim. 10 Ashby, M.F. (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 2nd edn, Elsevier, London. 11 Polmear, I.J. (1996) Light Alloys, Edward Arnold, London. 12 Gibson, L.J., Ashby, M.F. (1997) Cellular Solids, Cambridge Univ. Press, Cambridge. 13 Ashby, M.F. (1993) Acta Metallurgica, 41, 1313–1335. 14 Kainer, K.U. (Hrsg.) (2003) Metallische Verbundwerkstoffe, Wiley-VCH Verlag, Weinheim. 15 Hochegger, M., Harrer, B., Degischer, H.P., Ilie, S. (2008) Sdb. Prakt. Metallographie, 40, 197–202.

2.2 Polymermatrix-Verbundwerkstoffe Isabella Skrna-Jakl Kurzfassung

Um einen Einblick in die Sparte der Polymermatrix-Verbundwerkstoffe zu geben, werden – nach der Erklärung des prinzipiellen Materialaufbaus von Verbundwerkstoffen – die zur Verfügung stehenden Faser- und Matrixmaterialien vorgestellt. Dabei wird das für die Verbundkomponenten charakteristische Werkstoffverhalten erläutert, um eine effektive Materialauswahl zu ermöglichen. Da aus Kostengründen zur Herstellung von festen, steifen Composite-Strukturen bevorzugt Halbzeuge zum Einsatz kommen, wird eine Auswahl der gängigsten, am Markt verfügbaren, linienförmigen, flächenförmigen und 3D-Faser-Halbzeuge sowie imprägnierten Halbzeuge präsentiert. Neben der geeigneten Materialauswahl ist für die optimale Nutzung des Potenzials von Verbundwerkstoffen jedoch auch das Materialdesign entscheidend. Anhand ausgewählter Laminate wird das anisotrope Materialverhalten abhängig vom Laminataufbau diskutiert und eine dem Beanspruchungszustand entsprechende Materialdimensionierung erläutert. Abschließend wird auf den Koppeleffekt und den Laminatrandeffekt hingewiesen, die bei geschichteten Faserverbundstrukturen auftreten können, bei Bauteilen aus konventionellen Materialien jedoch nicht zu erwarten sind.

105

106


2.2.1 Einleitung

Polymermatrix-Verbundwerkstoffe haben sich aufgrund ihrer Mannigfaltigkeit und Flexibilität zu einer wichtigen Werkstoffsparte des Leichtbaus entwickelt. Neben der Luft- und Raumfahrtindustrie profitieren in zunehmendem Maße Industriesparten, wie z. B. das Transportwesen (Schiffbau, Eisenbahnbau, Fahrzeugbau etc.), die Sportartikelerzeugung, Off-Shore-Strukturen, die Prothetik und das Bauwesen (Hochbau, Innenraumgestaltung, Altbestandserneuerung etc.), um nur einige zu nennen, von den Vorteilen dieser Werkstoffe. Der Einsatz von Polymermatrix-Verbundmaterialien als Konstruktionswerkstoff erfordert die Anwendung neuartiger Technologien, die sich tiefgreifend von der Technologie konventioneller Materialien, wie z. B. Stahl oder Aluminium unterscheiden. Da bei Leichtbaustrukturen die optimale Nutzung des Potenzials dieser Werkstoffe und deren effizienter Einsatz von großer Bedeutung sind, gilt es, an diese Technologien angepasste Entwurfs-, Konstruktions- und Herstellungsverfahren anzuwenden. Ziel dieses Kapitels ist es, die Vielfalt und Flexibilität von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen hinsichtlich Materialaufbau und Werkstoffauswahl zu veranschaulichen, aber auch auf deren Komplexität in ihrem Materialverhalten hinzuweisen. 2.2.2 Materialaufbau

Im technischen Sinn versteht man unter Verbundwerkstoffen (Composites) Kombinationen von zwei oder mehreren verschiedenartigen Materialien innerhalb eines Werkstoffs, deren Bestandteile klar erkennbare Grenzflächen haben. Durch diese Materialsynthese ist es möglich die Materialeigenschaften des Verbundwerkstoffs – innerhalb gewisser Grenzen – je nach Bedarf auszulegen und gegenüber den Eigenschaften der jeweiligen Einzelmaterialien erheblich zu verbessern. Bei Polymermatrix-Verbundwerkstoffen wird die Materialkombination aus mindestens einer Verstärkungsphase, die aus topologisch nicht zusammenhängenden Fasern oder Partikeln besteht, die in einer Polymermatrix eingebettet sind, gebildet. Da bei Leichtbauanwendungen vorwiegend Fasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt werden, beschränken sich die nachfolgenden Ausführungen auf faserverstärkte Polymermatrix-Verbundwerkstoffe. Kennzeichnend für Faserverbundwerkstoffe ist, dass die Fasern aufgrund ihrer hohen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften vorwiegend die tragende Funktion im Werkstoff übernehmen, während die im Allgemeinen relativ weiche Polymermatrix den Zusammenhalt und die Formhaltigkeit des Verbunds gewährleistet. Im Falle von Hochleistungsverbundwerkstoffen liegen die Einzelmaterialien als flexible, endlose Faserbündel, die zu textilen Strukturen verarbeitet sein können, und Reaktionsharz vor. Um aus diesen Verbundkomponenten ein festes Strukturbauteil zu erhalten, werden vorerst Faserbündel bzw. Fasertextilien mit dem Ma-


Abb. 2.2.1 Fertigungsschritte einer Verbundstruktur: (a) Materialkombination von Fasern und Matrixharz, (b) UD-Laminateinzelschicht, (c) geschichtetes multidirektionales Laminat, (d) Strukturbauteil.

trixmaterial in dünnen Laminateinzelschichten kombiniert. Durch Übereinanderschichten der Laminateinzelschichten werden Laminate gebildet, aus denen die Faserverbundstruktur aufgebaut wird (Abb. 2.2.1). Entsprechend den Beanspruchungen des Bauteils sowie den Vorgaben hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit der Struktur kann der geeignete Laminataufbau in den einzelnen Bauteilbereichen ausgelegt werden. 2.2.3 Fasermaterialien

Im Leichtbau werden Polymermatrix-Werkstoffe vorwiegend mit synthetischen Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid sowie Polyethylen und in zunehmendem Maße auch Basaltfasern und Naturfasern kombiniert (Abb. 2.2.2). Da sich diese Fasermaterialien stark voneinander unterscheiden, ist bei der Auswahl des geeigneten Faserwerkstoffs auf die Kompatibilität der Materialeigenschaften der Fasern mit den Anforderungen an die Verbundstruktur, die vorgesehenen Fertigungsverfahren sowie wirtschaftliche Überlegungen zu achten. Die hohen Festigkeiten spröder Fasern beruhen auf dem sogenannten Faserparadoxon: je dünner, umso fester. Die Festigkeit ist von der Auftrittswahrscheinlichkeit kritischer Defekte abhängig, weshalb auch die Faserfestigkeit mit statistischen Methoden zu beschreiben ist (z. B. nach Weibull). Die nachfolgenden Kapitel geben einen groben Überblick über die Arten und Eigenschaften der gängigsten Fasermaterialien. Für eine detaillierte Beschreibung wird jedoch auf die Fachliteratur [1–16] verwiesen. 2.2.3.1 Glasfasern Glasfasern sind heute das am häufigsten verwendete Verstärkungsmaterial von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen (GFK). Ausgehend von einer geschmolzenen Glasmasse werden in Schmelzspinnverfahren Glasfasern mit einem Durchmesser von 9 bis 15 µm hergestellt. Das Gefüge der Glasfasern ist amorph und ihre isotropen Materialeigenschaften werden von der chemischen Zusammensetzung der Glasschmelze bestimmt. Durch Zumischung von unterschiedlichen Oxiden zu der Schmelze aus Siliziumdioxid können Glasfasern mit spezifischen mechanischen,

107

108


Abb. 2.2.2 Mikroskopaufnahmen von Fasermaterialien (Quelle: Institute of Chemical Engineering).

chemischen, thermischen bzw. elektrischen Eigenschaften (Tabelle 2.2.1) erzeugt werden. Zu den gebräuchlichsten Glasfaserarten in der Faserverbundtechnik zählen: • E-Glasfasern (E = elektrisch): gebräuchlichste GFK-Verstärkung (im Vergleich zu Aluminiumlegierungen annähernd gleiche Massendichte, etwas höherer spezifischer E-Modul, wesentlich höhere spezifische Festigkeit, niedrigere elektrische Leitfähigkeit, hohe Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen und Chemikalien). Die unbeschichteten E-Glasfasern sind unbrennbar und zeigen ab 200 °C schwache Festigkeitsverluste. • R-,S-Glasfasern (R = Resistance, S = Strength): um ca. 30% höhere Zugfestigkeit und um 15–20% höherer E-Modul als E-Glasfasern; die Festigkeitswerte werden erst ab 300 °C beeinträchtigt. • Quarzglasfasern: ohne Zumischung sonstiger Oxide; für Hochtemperaturanwendungen. Die Materialeigenschaften der glasfaserverstärkten Kunststoffe werden sehr stark von einer dem Herstellungsablauf angepassten Beschichtung der Glasfasern bestimmt. Während des textilen Verarbeitungsprozesses ist es vorerst notwendig die Fasern geschmeidig und gebündelt zu halten und sie vor mechanischem Abrieb zu schützen. Dazu werden die Fasern vom Hersteller mit einer temporären Textilschlichte, bestehend aus Ölen und Stärke, beschichtet. Da sich die temporäre Textilschlichte jedoch negativ auf das Haftungsvermögen zwischen Glasfaser und

Naturfasern

Polyethylenfasern

Aramid- Glasfasern fasern

Kohlenstofffasern

0,97 0,97 0,97 2,6–2,8 1,5 1,3–1,4 1,3–1,45

Basaltfasern

Flachs Jute

Sisal

1,44 1,45

Kevlar 29/Twaron LM Kevlar 49/Twaron HM

Dyneema SK60

2,55 2,55/2,49

E-Glas R/S-Glas

Spectra 900 Spectra 1000

1,92 2,1

1,82

PAN-HT

PAN-HMS

1,77

Pitch

1,85

PAN-IM

50–200

11–20 200

11–15

38 13–28

13–25

12 12

3–20 8–14

10

5–7

7

5

5–8

[g/cm3 ]

PAN-HM

Durchmesser [µm]

Dichte

9–22

25–100 2,5–27

84–89

117 172

87

58–83 120–135

72–76 ~ 86

400–800

400–700

210–270

230–320

250–850

[GPa]

Zug-E-Modul

390–640

750–1100 320–533

4000–4300

2600–3000 ~ 3000

~ 2700

2600–3600 2600–3600

~ 3400 4400–4600

1800–3200

3100–4500

3200–4400

4000–7000

1900–3500

[MPa]

Zugfestigkeit

3–7

1,4–4 2,5

3,15

3,5 2,7

3,5

3,4–4,4 1,9–2,9

3,4–4,5 ~ 5,0

0,25–0,75

0,5–1,1

1,5–2,1

1,5–2,5

0,4–0,8

[%]

Bruchdehnung

k.A.

5,5

–12,1 –12,1

–12,1

–3,5 bis –2,0 –5,2 bis –2,0

~ 5,0 2,9 bis 5,6

–1,6 bis 0,9

–0,455 bis – 0.1 –1,2

–1

–1,08 bis –0,5

/⊥ [10–6 K–1 ]

/ /

/

/ /

/

/

/

/

/

isotrop

22,3 25,8

23,2

12–60 17–60

isotrop isotrop

7,8

10 bis 31

10 bis 31

7 bis 12,5

7 bis 12,5

Wärmeausdehnungskoeffizient

Tab. 2.2.1 Vergleich der Materialkennwerte ausgewählter Faserwerkstoffe [1–16] (|| . . . in Faserrichtung, ⊥ . . . quer zur Faserrichtung).

2.2 Polymermatrix-Verbundwerkstoffe 109

110


Matrix auswirkt, wird diese nach dem textilen Verarbeitungsschritt durch Wärmebehandlung entfernt und nachfolgend ein Haftvermittler, auch Finish genannt, aufgebracht. Werden die Fasern danach mit dem Matrixmaterial imprägniert, ist eine optimale Durchtränkung sowie Benetzung der Fasern möglich. Dadurch ist eine gute Haftung zwischen Faser und Matrix erzielbar, die sich positiv auf die Festigkeitseigenschaften des Verbunds auswirkt. Eine Alternative zur Anwendung von Textilschlichte und Finish stellt die Verwendung der Silanschlichte dar. Diese einmalige Beschichtung verbessert sowohl die haftenden als auch die gleitenden Eigenschaften der Fasern und erspart dem Anwender eine Nachbehandlung nach dem textilen Verarbeitungsschritt. Die Vorteile der Glasfasern liegen darin, dass sie isotrop sind, dass der Preis von E-Glasfasern im Vergleich zu anderen Verstärkungsfasern sehr gering ist, dass sie leicht zu verarbeiten sind und aufgrund ihres bereits jahrzehntelangen Einsatzes eine große Erfahrungsbasis vorhanden ist. 2.2.3.2 Kohlenstofffasern Geringe Mengen an Kohlenstofffasern (Carbonfasern) kamen gegen Ende der 1960er Jahre auf den Markt. Ihre Anwendung war jedoch wegen des hohen Preises vorerst nur auf die Luft- und Raumfahrt beschränkt. Mittlerweile sind Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe aufgrund ihrer ausgezeichneten spezifischen mechanischen Eigenschaften als Hochleistungsverbundwerkstoffe im Leichtbau etabliert und in vielen Industriesparten nicht mehr wegzudenken. Als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kohlenstofffasern kommen entweder polymere Precursorfasern (PAN-Polyacrylnitril, Viskosefasern) oder Pech, aus dem Fasern gesponnen werden, zum Einsatz. In einem Verkokungsprozess (Pyrolyse) erfolgt die Umwandlung zur Kohlenstofffaser. Abhängig von den gewählten Prozessschritten – reine Carbonisierung bei Temperaturen bis 1500 °C oder Carbonisierung mit nachfolgender Graphitisierung bei Temperaturen bis 3000 °C – können eine Reihe an Kohlenstofffasertypen mit spezifischen Materialeigenschaften und einem Durchmesser von 5 bis 8 µm erzeugt werden. Liegt die Verkokungstemperatur bei 1500 °C (reine Carbonisierung), weisen die Fasern eine hohe Zugfestigkeit, aber nur einen mittelmäßigen E-Modul auf. Dieser kann durch einen nachfolgenden Graphitisierungsschritt gesteigert werden, wodurch jedoch die Zugfestigkeit reduziert wird. Durch eine nachfolgende, gezielte Oberflächenbehandlung der Kohlenstofffasern und das Imprägnieren mit Haftvermittlern kann ein gutes Benetzungs- und Haftungsverhalten zwischen Faser und Matrix erzielt werden. Die folgende Liste nennt eine Auswahl der am Markt erhältlichen Kohlenstofffaserkategorien, die nach ihren longitudinalen mechanischen Kennwerten unterschieden werden: • HT-Fasern (High-Tensile): hochfeste Fasern, relativ geringer E-Modul, • HM-Fasern (High-Modulus): hoher E-Modul, relativ geringe Festigkeit, • HMS-Fasern: hoher E-Modul und hohe Festigkeit, • UHM-Fasern (Ultra-High-Modulus): sehr hoher E-Modul und Wärmeleitfähigkeit,


• IM- bzw. HS-Fasern (Intermediate-Modulus bzw. High-Strain): mittlerer E-Modul und relativ hohe Bruchdehnung. Ein Vergleich der Materialkennwerte ausgewählter Kohlenstofffasertypen ist in Tabelle 2.2.1 angegeben. Aufgrund des großen Angebots an Fasern innerhalb der oben vorgestellten Kategorien sind in Tabelle 2.2.1 die Bandbreiten von Zugmodul und Zugfestigkeit in Faserrichtung eingetragen. Die Verformungen der PAN Fasern unter Druck sind etwas höher als bei Zugbeanspruchung. Neben den herausragenden, spezifischen mechanischen Kennwerten zeichnen sich Kohlenstofffasern durch ihre hohe chemische Beständigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit, hohe Ermüdungsbeständigkeit und gute Schwingungsdämpfung aus. Aufgrund ihrer hohen Wärmebeständigkeit sind Festigkeitsverluste erst ab einer Einsatztemperatur von 400 °C bemerkbar. Der sehr niedrige (schwach negative) Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung bewirkt eine hohe Dimensionsstabilität der Fasern in Längsrichtung bei starken Temperaturschwankungen. Es ist jedoch zu beachten, dass aufgrund des anisotropen Materialverhaltens der Kohlenstofffasern der Wärmeausdehnungskoeffizient quer zur Faserrichtung weitaus höhere Werte aufweist. Ein Nachteil der HM-Kohlenstofffasern liegt in der mit steigenden E-Modulwerten abnehmenden Bruchdehnung und der damit verbundenen erhöhten Schlagempfindlichkeit. Weiter ist bei Kontakt von Kohlenstofffasern mit einigen Metallen, wie z. B. Aluminium, auf die elektrische Isolation der Komponenten zu achten. Mit einer Zwischenschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff bzw. Matrixmaterial kann die galvanische Korrosion verhindert werden. 2.2.3.3 Aramidfasern Aramidfasern sind synthetisch hergestellte organische Fasern, die aus aromatischen Polyamiden bestehen. Sie wurden in den 1960er Jahren von der Firma DuPont entwickelt und unter dem Namen Kevlar vermarktet. Die Herstellung erfolgt durch Nassspinnen aus einer Polymerlösung und anschließender Verstreckung der Fasern bei erhöhten Temperaturen. Der Faserdurchmesser beträgt ca. 12 µm. Durch Aufbringen einer Beschichtung (Avivage) werden die Fasern während des textilen Verarbeitungsprozesses geschützt und eine gute Haftung zum Matrixmaterial gewährleistet. Bekannte Markennamen für Aramidfasern sind neben Kevlar unter anderem Nomex, Twaron und Technora. Folgende Aramidfaserarten werden bei der Verstärkung von Polymeren je nach Anwendung unterschieden: • Hochmodulfasern (z. B. Kevlar 49 oder Twaron HM) in Strukturbauteilen im Fahrzeug- und Flugzeugbau, • Niedermodulfasern (z. B. Kevlar 29 oder Twaron LM) in ballistischen Hartlaminaten (Schutzplatten, Helmen, Panzerungen etc.), Schutz- und Sportbekleidung, • Nomexfasern in harzgetränktem Papier für Honigwaben-Sandwichkerne.

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Aufgrund ihres sehr geringen spezifischen Gewichts und ihrer hohen spezifischen Zugfestigkeit (siehe Tabelle 2.2.1) sind Aramidfaserverbundwerkstoffe jedoch auch für die Anwendung in Leichtbaustrukturen von Vorteil. Sie verfügen über eine flammhemmende Wirkung, sind unschmelzbar und weisen eine geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe chemische Beständigkeit auf. Ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient ist, ähnlich den Kohlenstofffasern, in Faserrichtung negativ. Schon ein geringfügiger Anstieg der Temperatur macht sich jedoch in einer Reduktion der Festigkeitswerte bemerkbar. Die sehr hohe Bruchdehnung, das gute Dämpfungsvermögen und die hohe Schlagzähigkeit spiegeln sich in der bevorzugten Anwendung von Aramidfasern in schlag-, stoß- und abriebbeanspruchten Strukturen wieder. Die Fasermikrostuktur der Aramidfasern ist für das stark anisotrope Materialverhalten, die schlechten mechanischen Eigenschaften transversal zur Faserrichtung sowie das duktile Verhalten unter Druckbelastung und die geringe Druckfestigkeit in Faserrichtung verantwortlich. Aufgrund dieses Materialverhaltens kommen Aramidfasern im Leichtbau bevorzugt in Kombination mit anderen Faserwerkstoffen wie z. B. Kohlenstofffasern als hybride Laminate zum Einsatz. Bei der Verarbeitung und Lagerung von Aramidfasern ist zu beachten, dass die Fasern zur Feuchtigkeitsaufnahme neigen, wodurch sich das spezifische Gewicht vergrößert, das Haftungsvermögen zum Matrixmaterial abnimmt und damit die Festigkeit des Verbunds sinkt. Ein weiteres Problem stellt die Empfindlichkeit der Aramidfasern gegenüber UV-Strahlung dar. Wird vorerst nur eine Verfärbung festgestellt, kommt es bei längerer Einwirkdauer zu einer merkbaren Reduktion der Festigkeit. Sowohl das Problem der Feuchtigkeitsaufnahme als auch ihre UV-Empfindlichkeit sind vorwiegend für das Fasermaterial vor der Verarbeitung zum Verbundwerkstoff relevant, da die Fasern im Polymermatrix-Verbund einerseits durch das Matrixmaterial geschützt werden und zusätzlich durch spezielle Lacke bzw. Deckschichten vor Umwelteinflüssen abgeschirmt werden können. Die hohe Zähigkeit der Aramidfasern führt zu Schwierigkeiten sowohl in der Verarbeitung der Fasern und Faser-Matrix-Halbzeugen als auch in der Nachbearbeitung und Reparatur fertiger Laminate. In beiden Fällen ist der Einsatz von Spezialwerkzeugen mit speziellen Schneidgeometrien bzw. die Anwendung von Wasserstrahl-Schneidanlagen erforderlich. 2.2.3.4 Polyethylenfasern Neben Aramidfasern sind Polyethylenfasern (PE-Fasern) die zweite wichtige Gruppe an polymeren Hochleistungsfasern. Sie wurden gegen Mitte der 1980er Jahre auf den Markt gebracht und die meisten sind unter den Markennamen Spectra bzw. Dyneema erhältlich. Ausgangsbasis dieser PE-Fasern ist eine ultrahochmolekulare PE-Lösung, aus der in einem Gelspinnverfahren und durch Hochverstrecken die Fasern gewonnen werden. Abhängig vom Grad der Verstreckung können PE-Fasern mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften erzeugt werden (siehe Tabelle 2.2.1).


Polyethylenfasern weisen ähnlich wie die Aramidfasern eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien sowie eine hohe Schlagfestigkeit, eine gute Abriebbeständigkeit und ein hohes Energieaufnahmevermögen auf. Im Leichtbau sind sie für schlag- und ballistisch beanspruchte Anwendungen attraktiver wegen des geringeren spezifischen Gewichts (kleiner als Wasser). Durch ihre zusätzlich hervorragende Beständigkeit gegen UV-Bestrahlung und ihre geringe Feuchtigkeitsaufnahme werden Polyethylenfasern bevorzugt zur Herstellung von Schutzkleidung, Segeltuch sowie Tauen, Seilen und Netzen verwendet. Ein Vergleich der spezifischen Materialkennwerte von Polyethylenfasern und Aramidfasern zeigt um ca. 30–40% höhere Werte der Polyethylenfasern und verdeutlicht die durch deren Einsatz erzielbare Gewichtsreduktion bei Verbundbauteilen. Der Gebrauch von Polyethylenfasern erfordert jedoch auch die Berücksichtigung ungünstiger Eigenschaften. Dazu zählen unter anderem der hohe negative thermische Ausdehnungskoeffizient in Faserrichtung, die starke Kriechneigung sowie die niedrige Schmelztemperatur und damit verbunden die niedrige maximale Einsatztemperatur bis ca. 130 °C. Die Temperaturbeschränkung des Fasermaterials ist vor allem bei der Auswahl des Matrixmaterials und der Herstellungsmethode zu beachten. Um die Haftung zwischen den Fasern und den duromeren Harzen zu verbessern, wird eine Corona- bzw. Plasma-Behandlung der Fasern empfohlen. Das stark anisotrope Materialverhalten der Faser, das sich durch eine extrem niedrige Druckfestigkeit in Faserrichtung und geringe Festigkeitswerte unter Belastung quer zur Faserrichtung auswirkt, begründet den überwiegenden Einsatz der Polyethylenfasern im Leichtbau in Form von hybriden Laminaten kombiniert mit Faserwerkstoffen wie z. B. Kohlenstoff. Die mechanische Bearbeitbarkeit ist ähnlich schwierig wie für Aramidfasern, aber der niedrige Schmelzpunkt der Faser erlaubt den Zuschnitt mittels heißen Drahts. 2.2.3.5 Basaltfasern Die Technologie aus Lavagestein endlose, grünlich-braune Basaltfasern zu produzieren, kam ab den 1960er Jahren in der ehemaligen Sowjetunion zum Einsatz. Da ihr Anwendungsgebiet jedoch vorerst auf die sowjetische Raumfahrt- und Rüstungsindustrie beschränkt blieb, sind Basaltfasern erst seit Kurzem kommerziell verfügbar. Ähnlich den Glasfasern besitzen sie ein amorphes Gefüge und ihre Materialeigenschaften werden von der Zusammensetzung der Basaltschmelze beeinflusst. Ihr Einsatzgebiet liegt zwischen dem der E-Glasfasern und der HTKohlenstofffasern, da sie im Vergleich zu den E-Glasfasern um 15–20% höhere Zugfestigkeits-, Druckfestigkeits- und E-Modulwerte aufweisen, bei einer um 5% höheren Dichte (siehe Tabelle 2.2.1). Basaltfasern zeichnen sich aus durch eine hohe thermische Belastbarkeit, eine sehr gute chemische Resistenz und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Darüber hinaus ist das Material gegen UV-Strahlung resistent, korrosionsbeständig und seewasserfest. Die ökologische Wiederverwertbarkeit sowie der im Vergleich zu Glasfasern niedrige Preis sind weitere Vorteile der Fasern. Aufgrund dieser ausgezeichneten Qualitäten kann in Zukunft mit

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einem deutlichen Anstieg des Einsatzes von Basaltfasern in Polymermatrix-Verbundwerkstoffen gerechnet werden. 2.2.3.6 Naturfasern Da Faserverbunde seit jeher in der Natur vorkommen, können Naturfasern als Vorbilder der synthetischen Fasern betrachtet werden. In den Anfängen der Polymermatrix-Verbundwerkstoffe wurden Naturfasern zur Verstärkung eingesetzt. Mit der Entwicklung der synthetischen Fasern wurden die Naturfasern größtenteils verdrängt. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach ökologischen Konstruktionswerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen haben Naturfaserverbundwerkstoffe seit den 1990er Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Ihr Hauptanwendungsbereich sind vorwiegend tragende und verkleidende Innenraumkomponenten der Automobilindustrie. In modernen naturfaserverstärkten Werkstoffen werden heute vor allem Flachsund Hanffasern sowie Jute, Kenaf, Sisal und Abacafasern eingesetzt, die mit duromeren bzw. thermoplastischen Kunststoffen auf petrochemischer Basis oder Biokunststoffen kombiniert werden [1, 4, 13–16]. Die Materialkennwerte ausgewählter Naturfasern sind in Tabelle 2.2.1 ersichtlich. Die Vorteile der Anwendung von Naturfasern im Vergleich zu Glasfasern liegen zum einen in der erzielbaren Gewichtsreduktion von bis zu 30% aufgrund der geringen Dichte der Naturfaser, zum anderen in ihrem ausgezeichneten akustischen Dämpfungsverhalten sowie in ihrem nicht splitternden Bruchverhalten [13]. Darüber hinaus sind sie preisgünstiger als Glasfasern, verbrauchen bei der Aufbereitung weniger Energie, sind stetig nachwachsend und biologisch abbaubar. Ein Vergleich der Materialkennwerte zeigt, dass die spezifischen Steifigkeits- und Festigkeitswerte von Flachs, Hanf und Kenaf das Niveau von E-Glasfasern erreichen [14]. Zu den Nachteilen von Naturfasern zählt unter anderem die große Streuung der mechanischen Eigenschaften, die aus der unregelmäßigen geometrischen und materiellen Beschaffenheit der Fasern folgt. Weiter besitzen Naturfasern ein hohes Wasseraufnahmevermögen und damit verbunden eine starke Schwankung der mechanischen Eigenschaften und des Faser-Matrix-Haftungsvermögens abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt der Fasern. Darüber hinaus muss bei der Verarbeitung und Anwendung von Naturfasern deren geringe thermische Stabilität berücksichtigt werden. Aufgrund des ausgezeichneten ökologischen Verhaltens ist zu erwarten, dass sich Naturfasern in Kombination mit polymeren Matrixsystemen in vielen Industriesparten zu einem gefragten innovativen Konstruktionswerkstoff entwickeln. 2.2.4 Polymermatrix-Materialien

Die Aufgaben des Matrixmaterials in Faserverbundwerkstoffen sind für das Strukturverhalten von Verbundbauteilen von großer Bedeutung.


Um die Formhaltigkeit der Verbundbauteile sicherzustellen, muss die Matrix sowohl den Zusammenhalt zwischen den Fasern in jeder Laminateinzelschicht als auch die Haftung zwischen den Einzelschichten im Laminat gewährleisten. Aufgrund der hohen Abriebempfindlichkeit der Fasern ist es notwendig, dass sie durch die Matrix in ihrer Position und auf Abstand zueinander gehalten werden. Eine weitere wesentliche Aufgabe des Matrixmaterials ist Krafteinleitung in die Einzelfaser und die Kraftübertragung zwischen den Fasern. Eine gute Haftung zwischen Faser- und Matrixmaterial ist dabei von großem Vorteil. Wird die Laminateinzelschicht quer zur Faserrichtung bzw. auf Schub beansprucht, werden diese mechanischen Lasten zum größten Teil von der Matrix übernommen. Tritt eine Druckbeanspruchung in Faserrichtung auf, wirkt das Matrixmaterial stützend auf die Fasern. Sämtliche interlaminare Belastungen, die in einem Laminat zwischen den Laminateinzelschichten wirken, werden ebenfalls vom Matrixmaterial übertragen. Schließlich gilt es die Fasern vor Umgebungseinflüssen und Beschädigungen zu schützen. Da die meisten Materialeigenschaften des Verbunds maßgeblich von der Matrix mitbeeinflusst werden, muss die Auswahl des geeigneten Matrixwerkstoffs sorgfältig getroffen werden. Zu beachten sind neben den mechanischen Leistungsanforderungen vor allem die thermischen Belastungsvorgaben sowohl im Betrieb als auch während der Bauteilfertigung. Zusätzlich sind die unter anderem geforderten chemischen, elektrischen, gewerbehygienischen und brandtechnischen Eigenschaften des Bauteils zu berücksichtigen. Die Harzauswahl wird darüber hinaus von den verfügbaren Fertigungsverfahren und den Produktionskosten bestimmt. Für Leichtbauanwendungen zählen Epoxid-, ungesättigte Polyester-, Vinylesterund Phenolharze zu den gebräuchlichsten duromeren Harzsystemen. Polyimidund Bismaleinimid(BMI)-harze, die sich durch ihre hohe thermische Beständigkeit auszeichnen, kommen aus Kostengründen nur für Spezialanwendungen zum Einsatz. Für thermoplastische Matrixwerkstoffe stehen Standardthermoplaste, technische Thermoplaste sowie Hochleistungsthermoplaste zur Verfügung. In den folgenden Kapiteln werden die wichtigsten Merkmale der gängigsten Polymermatrix-Materialen aufgezeigt (Tabelle 2.2.2). Für eine detaillierte Beschreibung der unterschiedlichen Harzsysteme wird jedoch auf die Fachliteratur [1–16] verwiesen. 2.2.4.1 Epoxidharz (EP-Harz) Epoxidharze wurden in den 1930er Jahren entwickelt und zählen zu den anpassungsfähigsten Matrixwerkstoffen. Ihre Aushärtung (Vernetzung) erfolgt wie bei allen duromeren Matrixsystemen im Rahmen einer chemischen Reaktion und erfordert die Zugabe eines Härtungsmittels in einem genau definierten Mengenverhältnis. Die Materialeigenschaften der Epoxidmatrix werden maßgeblich vom Grad der Vernetzung des Harzsystems bestimmt und können sowohl durch die geeignete Auswahl von Epoxidharzformulierung und Härter als auch durch die Bestimmung der Aushärteparameter beeinflusst werden. Eine hohe Aushärtetemperatur führt zum Beispiel zu einer engmaschigen Vernetzung der Epoxidmatrix

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Thermoplastische Matrixsysteme

Duromere Matrixsysteme

1,0–1,17 1,3–1,37 1,17–1,54 1,3–1,46 1,34–1,8 1,26–1,7 1,36–1,58

PBT PEEK PPS PEI PES

1,2–1,32

BMI-Harz 0,9–1,24

1,12–1,14 1,25–1,32

VE-Harz PF-Harz

PA PET

1,1–1,46

PP

1,1–1,35

UP-Harz

2,7–6,4 2,4–8,6

2,2–5,5

1,5–5,2 3,1–8,3

0,3–4,0 2,5–4,1

0,5–7,6

3,0–5,0

3,1–4,0 2,8–3,5

1,5–4,8

2,6–4,5

[GPa]

[g/cm3 ] EP-Harz

Zug-E-Modul

Dichte

Tab. 2.2.2 Vergleich der Materialkennwerte gebräuchlicher Matrixwerkstoffe [1–12]. Zugfestigkeit

62–152 83–126

45–124

30–105 90–150

40–100 50–72

20–80

48–110

70–83 42–63

30–92

40–140

[MPa]

Bruchdehnung

1–97 2–75

0,8–5

5–300 2,5–100

5–460 50–350

3–887

1,5–3,3

3,0–8,0 0,3–2,0

1,0–6,5

1,5–10,0

[%]

Max. Einsatz-

170–215 171–220

135–260

140–150 240–315

90–180 100–180

100–140

190–250

100–150 150–175

150–200

130–180

temperatur [°C]

Wärmeausdehnungs-

56–62 55

41–99

130 40–50

70–90 70

80–200

31–80

45–110

55–150

45–110

koeffizient [10–6 K–1 ]

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und infolgedessen zu einer gesteigerten Temperaturbeständigkeit, höheren mechanischen Festigkeitswerten und einer verbesserten chemischen Resistenz. Die nachteilige Auswirkung des erhöhten Vernetzungsgrades zeigt sich im Anstieg der Sprödigkeit des Werkstoffs. Bei der Aushärtung von Epoxidharzen wird zwischen kalt- und warmaushärtenden Systemen unterschieden. Eine Steigerung der thermischen Belastbarkeit von kaltausgehärteten Verbundstrukturen aus Epoxidharz kann durch eine sich dem Härtungsprozess anschließende Nachhärtung erfolgen. Des Weiteren ist bei der Verarbeitung von Epoxidharzen zu beachten, dass die Härtung exotherm verläuft. Führt dies bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen zu einer unkritischen Erhöhung der Laminattemperatur, so können Harzansätze in größeren Gefäßen aufgrund zu geringer Wärmeleitung lokal die Zersetzungstemperatur erreichen. Die Vorteile von Epoxidharzen als Matrixwerkstoff zeigen sich im ausgezeichneten Haftungsvermögen zu den meisten Verstärkungsfasern, in der einfachen Verarbeitung sowie in der hohen Maßhaltigkeit während der Formgebung, die auf den geringen Härtungsschwund zurückzuführen ist. Darüber hinaus weisen Epoxidharze eine gute chemische Beständigkeit, ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften und eine hohe Ermüdungsfestigkeit auf. Bei der Anwendung von Epoxidharzen ist zu beachten, dass sie über eine geringe UV-Beständigkeit verfügen. Nicht zu unterschätzen ist auch ihre hohe Feuchtigkeitsaufnahme, die sowohl zu einer merklichen Gewichtszunahme als auch zu einer deutlichen Reduktion der thermischen Belastbarkeit des Materials führt. Da Epoxidharze, die in faserverstärkten Verbundbauteilen zum Einsatz kommen, meist einen hohen Vernetzungsgrad aufweisen, ist damit auch ein geringer Wert der Bruchdehnung verknüpft. Um die Zähigkeit des Materials zu erhöhen, werden Additive wie z. B. Thermoplastpartikel bzw. Kautschukpartikel dem Harz beigemischt. Die entstandenen Harzsysteme werden als schlagzähmodifiziert bezeichnet. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Harzmodifikation die Veränderung anderer wesentlicher Materialeigenschaften hervorrufen kann. Aufgrund der, im Vergleich zu Polyesterharzen, hohen Kosten und langen Aushärtungsdauer kommen Epoxidharze vorwiegend in Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen zum Einsatz. 2.2.4.2 Ungesättigtes Polyesterharz (UP-Harz) Ungesättigte Polyesterharze werden seit den 1940er Jahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt und zählen heute zu den gängigsten Matrixmaterialien in der Faserverbundtechnik. Sie sind preisgünstig und zeichnen sich durch ihre große Typenvielfalt sowie ihre leichte Verarbeitung aus. Ist bei der Warmhärtung (100–130 °C) der Zusatz eines Härters ausreichend, bedarf es bei der Kalthärtung der Beimengung eines Härters und eines Beschleunigers, um die Vernetzung zu aktivieren. UP-Harze gehören zu den schnellaushärtenden Harzsystemen und werden daher in Serienproduktionen bevorzugt eingesetzt.

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In Verbundbauteilen werden Polyesterharze meist in Kombination mit Glasfasern verwendet. Zur ihren Hauptanwendungsgebieten gehören der Bootsbau und die Automobilindustrie. Analog den Epoxidharzen werden die mechanischen, thermischen und chemischen Materialeigenschaften vom Grad der Vernetzung der UP-Harze bestimmt. Im Vergleich zu den Epoxidharzen weisen Polyesterharze geringere mechanische und vergleichbar gute elektrische Eigenschaften auf. Eines der Hauptprobleme von Polyesterharzen stellt der starke Reaktionsschwund im Zuge der Aushärtung dar. Bei Faserverbundwerkstoffen kommt es dadurch zu erhöhten Eigenspannungen im Verbund, die sich negativ auf das Bindungsverhalten zwischen den Fasern und der Matrix auswirken. Eine Reduktion der statischen und dynamischen Festigkeitswerte ist die Folge. Durch die Beimischung geeigneter Füllstoffe kann dieser Effekt kompensiert werden. Da bei der Polymerisation von Polyesterharzen meist Styrol als Lösungsmittel zum Einsatz kommt, gilt es bei der Verarbeitung aus Gründen des Arbeitsschutzes durch geeignete Maßnahmen die Styrolemissionen so gering wie möglich zu halten. Weiter ist bei der Herstellung von Sandwich-Strukturen mit Schaumkernen auf die chemische Verträglichkeit von Styrol mit dem Kernmaterial zu achten. Die Verarbeitung von Polyesterharzen erfordert außerdem eine überaus sorgfältige Vorgehensweise bei der Mischung von Harz, Härter und Beschleuniger, da die falsche Handhabung der Reaktionsmittel (Peroxidhärter und Beschleuniger) zu einem höchst explosiven Gemisch führen kann. Der Reaktionsverlauf ist exotherm. 2.2.4.3 Vinylesterharz (VE-Harz) Vinylesterharze stellen im Bereich der Festigkeitseigenschaften und Kosten ein Harzmaterial der Mittelklasse zwischen ungesättigten Polyester- und Epoxidharzen dar. Ihre Verarbeitung und Aushärtung erfolgt analog den entsprechenden Prozessen der UP-Harze. Abhängig von der Wahl des Ausgangsmaterials, der Reaktionsmittel und Aushärteparameter sind VE-Harze mit unterschiedlichen Materialeigenschaften verfügbar. Aufgrund ihrer, im Vergleich zu UP-Harzen, höheren Zähigkeit und besseren Haftung zu den meisten Fasermaterialien, werden Vinylesterharze bevorzugt in dynamisch- und schlagbeanspruchten Verbundbauteilen eingesetzt. Im Weiteren ermöglichen ihre hohe chemische Beständigkeit sowie ihre gute Korrosionsbeständigkeit eine Anwendung in der chemischen Industrie sowie im Bootsbau. 2.2.4.4 Phenolharz (PF-Harz) Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt, sind Phenolformaldehydharze – kurz Phenolharze – heutzutage im Flugzeugbau, aber auch in anderen Sparten des Transportwesens, vorwiegend aufgrund ihres günstigen Brandverhaltens, von Bedeutung. Neben ihrer schweren Entflammbarkeit sowie der geringen Freisetzung an Rauch und giftigen Gasen bei der Verbrennung zeichnen sich Phenolharze durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit, ihre ausgezeichneten thermischen Isolationseigenschaften sowie ihre gute Korrosionsbeständigkeit und geringe Kriechneigung


aus. Da die Aushärtung von Phenolharzen jedoch durch Polykondensation erfolgt, kommt es im ausgehärteten Laminat zu einem erheblichen Lunkeranteil, der die Materialeigenschaften stark beeinträchtigt. Eine Reduktion der Lunkeranzahl kann durch Aufbringen hoher Drücke während des Vernetzungsprozesses erreicht werden. 2.2.4.5 Thermoplastische Matrixmaterialien Thermoplastische Harzsysteme werden seit den 1970er Jahren als Matrixwerkstoff in Verbundbauteilen eingesetzt. Ihr Hauptanwendungsbereich liegt heute in der Automobilindustrie, wo sie in einem breiten Spektrum von vorwiegend nichtstrukturellen aber auch semi- und strukturellen Bauteilen zum Einsatz kommen. Der Grund für die Einsatzgrenzen liegt im hochviskosen Verhalten der Harze, wodurch hohe Drücke und hohe Temperaturen bei der Formgebung der Bauteile notwendig sind. Aufwändige und teure Verarbeitungsverfahren sind die Folge. Im Vergleich zu duromeren Harzsystemen liegt der Hauptvorteil thermoplastischer Matrixmaterialien darin, dass sie schon vor der Bauteilverarbeitung vollständig polymerisiert sind. Infolgedessen ist der Herstellungsprozess der Composites ein rein physikalischer Vorgang, indem es nach Erweichen und Aufschmelzen der Matrix zur Formgebung und danach in der Abkühlphase zur Erstarrung des Thermoplasts kommt. Das Fehlen einer chemischen Reaktion bei der Formgebung ermöglicht kurze Taktzeiten und somit große Stückzahlen in der Serienfertigung. Weiter können thermoplastische Verbundbauteile durch Schweißen miteinander verbunden werden und nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer rezykliert werden (siehe Abschnitt 5.2). Die vollständige und mehrmalige Wiederverarbeitung stellt einen bedeutenden Aspekt für den vermehrten Einsatz von thermoplastischen Harzsystemen in der Zukunft dar. Folgende Thermoplaste kommen in der Faserverbundtechnik zum Einsatz: • Standardthermoplaste: PP (Polypropylen). • Technische Thermoplaste: PA (Polyamid), PET (Polyethylenterephthalat), PBT (Polybutylenterephthalat). • Hochleistungsthermoplaste: PEEK (Polyetheretherketon), PPS (Polyphenylensulfid), PEI (Polyetherimid), PES (Polyethersulfon), PSU (Polysulfon).

PP wird aufgrund seiner niedrigen mechanischen Eigenschaften und der geringen Temperaturbeständigkeit vorwiegend als Matrixmaterial von Glasmatten verstärkten Thermoplasten (GMT) eingesetzt. Hauptanwendungsgebiete sind, neben der Automobilindustrie, der Schiffbau und Windenergieanlagen (Rotorblätter). Technische Thermoplaste zeichnen sich durch ihre guten mechanischen Eigenschaften, ihre hohe Bruchdehnung, ihre im Allgemeinen hohe Temperatur-, Chemikalienbeständigkeit sowie ihre schlechte Entflammbarkeit aus. Bei PA ist die erhöhte Wasseraufnahme in feuchter Umgebung zu beachten, die zu einer Reduktion der mechanischen Kennwerte führt. In Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie werden bevorzugt Hochleistungsthermoplaste wie z. B. PEI, PPS

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und PEEK als Matrixwerkstoffe eingesetzt. Neben den sehr guten mechanischen Eigenschaften und einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit zeigen sich die Vorteile gegenüber duromeren Matrixmaterialien in ihrer geringen Feuchtigkeitsempfindlichkeit, ihrer hohen chemischen Beständigkeit und in ihrem herausragenden Brandverhalten. Der Einsatz von thermoplastischen Matrixmaterialien bietet herstellungstechnisch den Vorteil, dass diese ungekühlt unbegrenzt lagerfähig sind. Die Reparatur beschädigter Verbundbauteile ist mit thermoplastischer Matrix leichter auszuführen als bei duromeren Verbundstrukturen. Nachteilig im Vergleich zu duromeren Harzsystemen wirken sich die erhöhte Kriechneigung und die hohen Materialkosten aus. 2.2.5 Materialparameter

In der Faserverbundtechnik steht dem Konstrukteur, durch den schichtweisen Aufbau des Materials, eine Vielzahl an Designparametern zur Verfügung. Neben der Auswahl der Materialkomponenten (siehe Abschnitte 2.2.3 und 2.2.4) und deren Kombination können aufgrund der laminaren Bauweise die Anzahl der Laminateinzelschichten pro Laminat, deren Faserorientierung im Laminat, aber auch die Verteilung unterschiedlicher Laminate in der Struktur gewählt werden. Weitere Parameter sind die Faserlänge, die Faseranordnung pro Laminateinzelschicht sowie das Massenverhältnis von Faser und Matrix. Durch die große Anzahl an Parametern hat der Konstrukteur von Faserverbundbauteilen die Möglichkeit, den Verbundwerkstoff der Beanspruchung entsprechend orts- und richtungsabhängig auszulegen. Die gebräuchlichsten Parameter wie Faserlänge, Faseranordnung pro Laminateinzelschicht und Faserorientierung der Einzelschicht im Laminat sind in Abb. 2.2.3 dargestellt. Erfolgt die Klassifizierung der faserverstärkten Werkstoffe abhängig von der Faserlänge, wird zwischen kurzfaserverstärkten und endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen unterschieden sowie eine interne Gliederung nach der Faseranordnung in der Laminateinzelschicht und der Orientierung der Laminateinzelschichten im Verbund vorgenommen. In kurzfaserverstärkten Composites kommen Kurzfasern mit einer Länge von 0,4 bis 50 mm und einem Faserlänge/Faserdurchmesserverhältnis L/d: 50–10 000 als Verstärkungsphase zum Einsatz. Die Faseranordnung kann in der Laminateinzelschicht unidirektional oder in der Laminatebene regellos verteilt erfolgen. Da die Lastübernahme des Verstärkungsmaterials durch die Länge der Kurzfasern begrenzt ist und von deren Orientierung zur aufgebrachten Last abhängt, übernimmt die Matrix den Hauptteil der tragenden Funktion und bestimmt die thermomechanischen Eigenschaften des Composites. Die Anwendung von kurzfaserverstärkten Composites ist somit auf Bauteile mit niedrigen bis mittleren mechanischen Anforderungen wie z. B. Verkleidungen, beschränkt.


Abb. 2.2.3 Klassifizierung faserverstärkter Werkstoffe abhängig von der Faserlänge.

Endlosfaserverstärkte Composites werden durch kontinuierliche Fasern verstärkt. Pro Laminateinzelschicht können die Endlosfasern unidirektional (maximaler Volumenanteil), regellos verteilt oder verwoben angeordnet sein. In Laminaten besteht die Möglichkeit die Faserorientierung von Einzelschicht zu Einzelschichten zu variieren. Dabei unterscheidet man entsprechend dem Laminataufbau zwischen folgenden Laminattypen: • unidirektionale (UD) Laminate mit gleicher Faserausrichtung in allen Lagen; • Kreuzverbunde mit Faserrichtungen in einem Winkel von 90◦ ; Kreuzverbunde können aus 90◦ verdrehten, unidirektionalen Laminateinzelschichten bzw. Gewebelagen aufgebaut sein; • multidirektionale Laminate aus übereinander geschichteten unidirektionalen oder verwebten Laminateinzelschichten mit frei wählbarer Faserorientierung. Die Eigenschaften hängen vom Faservolumenanteil in den jeweiligen Richtungen ab. Die Materialeigenschaften in Faserrichtung werden vom Fasermaterial bestimmt. Quer zur Faserrichtung tragen nur die Matrix und die Faser-Matrixhaftung, weshalb Kreuzverbunde oder multidirektionale Laminate eingesetzt werden.

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2.2.6 Faser-Halbzeuge, Faser-Matrix-Halbzeuge und Stützstoffe

Abhängig vom gewählten Formgebungsverfahren (siehe Abschnitt 4.1) kommen die Verbundkomponenten getrennt als Faser-Halbzeuge und Matrixmaterialien oder kombiniert als imprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge zur Anwendung. Neben den erwähnten Materialien spielen Stützstoffe wie Sandwichkerne in Leichtbauanwendungen von faserverstärkten Verbundbauteilen eine wichtige Rolle. Detaillierte Beschreibungen der unterschiedlichen Halbzeugformen sind in [1–3, 5–7, 11, 12] verfügbar. 2.2.6.1 Faser-Halbzeuge Da Faserwerkstoffe, die in Polymermatrix-Verbundwerkstoffen zum Einsatz kommen, meist einen sehr geringen Faserdurchmesser (5–17 µm) aufweisen, wird – zwecks besserer Handhabung – eine größere Anzahl an Kurzfasern zu Vliesen verarbeitet bzw. Endlosfasern zu Faserbündeln zusammengefasst. Abhängig vom Grad der Verdrehung um die Längsachse und der Zwirnung wird zwischen folgenden linienförmigen Faser-Halbzeugen unterschieden: • Rovings (Tows) sind unverdrehte Faserbündel aus nahezu parallel angeordneten Endlosfasern; • Garne werden durch Verdrehen von Faserbündeln aus Endlosfasern hergestellt.

In der Faserverbundtechnik kommen als linienförmige Faser-Halbzeuge bevorzugt Rovings zur Anwendung, da sie aufgrund der annähend parallelen Ausrichtung der Einzelfasern ausgezeichnete mechanische Eigenschaften in Längsrichtung und höchste Faseranteile aufweisen. Rovings werden entweder nach ihrer Feinheit, die durch das Rovinggewicht in [tex] angegeben wird (Masse eines Bündels in [g] pro Kilometer), oder danach wie viele Tausend Einzelfasern zum Roving zusammengefasst sind in [k] unterschieden. Im Handel sind Faserstränge in 1k-, 3k-, 6k- und 24k-Ausführungen und höher erhältlich, die in Spulenform geliefert werden. Es ist zu beachten, dass es durch Abziehen des Rovings von der Spule zu einer geringen Verdrehung kommt. Zu den Formgebungsverfahren, in denen Rovings eingesetzt werden, zählen das Wickelverfahren zur Herstellung von Rotationsschalen und das Pultrusionsverfahren zur Fertigung von Langprodukten. Beim Handlaminieren werden Rovings zur örtlichen Verstärkung mit genauer Ausrichtung angewendet. Da es sich bei Compositen-Leichtbaustrukturen meist um geschichtete dünnwandige Schalenkonstruktionen handelt, sind flächenförmige Faser-Halbzeuge, in denen Faserbündel in flächigen textilen Strukturen arrangiert sind, von großer Bedeutung. Die Feinheit der flächenförmigen Faser-Halbzeuge wird durch das Flächengewicht in [g/m2 ] angegeben. Die Eigenschaften der textilen Strukturen werden neben den beschriebenen Materialparametern von der Faserkrümmung beeinflusst. Gestrecktes UD-Faserhalbzeug weist in Faserrichtung die höchsten mechanischen Kennwerte auf. Die Kombination von mehreren Faserrichtungen


reduziert nicht nur den Faservolumenanteil pro Richtung, sondern auch den Gesamtvolumenanteil. Mit zunehmender Welligkeit der Faserbündel kommt es aufgrund der damit verbundenen Abnahme des Faservolumenanteils und der auftretenden Biegebeanspruchung in den Fasern zu einer weiteren Reduktion der Festigkeits- und Steifigkeitswerte des Materials. Die Abb. 2.2.4 verdeutlicht anhand einer schematischen Darstellung die Unterschiede der Faserwelligkeit in fünf typischen Faserbindungen. Flächenförmige Faser-Halbzeuge werden unter anderem beim Handlaminieren, Vakuum-(Druck)sackverfahren, RTM etc. eingesetzt (siehe Abschnitt 4.1). Zu den gebräuchlichsten textilen Strukturen, die in der Faserverbundtechnik Anwendung finden, zählen: Gewebe, Gelege, Geflechte, Matten/Vliese, Gestricke. Gewebe Gewebe sind die in Leichtbaustrukturen am häufigsten verwendete Faserbindung. Sie bestehen meist aus zwei rechtwinkelig zueinander orientierten Faserrichtungen, die aufgrund der Herstellungstechnik Kette und Schuss genannt werden. Gewebekonstruktionen können Lastverhältnissen angepasst werden, indem Kette und Schuss unterschiedliche Fasermengen enthalten. In kettverstärkten Geweben, siehe Abb. 2.2.5a, werden die Kettfäden durch eine möglichst geringe Anzahl an dünnen Schussfäden in Position gehalten, sodass ca. 90% der Fasern unidirektional ausgerichtet sind. Die dadurch erzielbaren Materialwerte sind mit den Eigenschaften einer UD-Lage vergleichbar. Zu den vorwiegend verwendeten Faserbindungen in Geweben gehören die Leinwandbindung, die Köperbindung und die Atlasbindung (Abb. 2.2.4). Bei der Leinwandbindung (engl. plain weave) sind die Gewebe aufgrund der vielen Faserkreuzungen schiebefest, wodurch die Verzugsgefahr, aber auch die Drapierfähigkeit bei der Verarbeitung gering sind. Die starke Welligkeit der Fasern

Abb. 2.2.4 Vergleich der Faserwelligkeit typischer Faseranordnungen in flächenförmigen textilen Halbzeugen.

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Abb. 2.2.5 Ausgewählte Webformen flächiger textiler Halbzeuge: (a) kettverstärktes UD-Gewebe, (b) Kreuzköperbindung, (c) Hybrid-(Misch) Gewebe in Doppelköperbindung, (d) triaxiales Gewebe (Quelle: R&G).

bedingt auch die schlechte Schwingfestigkeit und die reduzierten mechanischen Eigenschaften des Materials. Köperbindungen (engl. twill weave) sind an der diagonal verlaufenden Gewebestruktur erkennbar, da die Schussfäden versetzt über zwei (Doppelköper, siehe Abb. 2.2.4) bzw. 3 Kettfäden (Kreuzköper, siehe Abb. 2.2.5b) verlaufen. Infolge der geringeren Faserwelligkeit weisen sie eine höhere Ermüdungsfestigkeit und bessere mechanische Kennwerte auf als die Leinwandbindung. Durch ihre geringe Schiebefestigkeit sind sie gut drapierfähig. Atlasbindungen (engl. satin weave) weisen eine minimale Faserwelligkeit auf, da die Schussfäden mehrere (üblich 4 bzw. 7) Kettfäden überlaufen, jedoch immer nur einen unterlaufen. Rund 80% der Schussfäden befinden sich an der Gewebevorderseite und 80% der Kettfäden befinden sich an der Geweberückseite. Das mechanische Verhalten von Atlasbindungen ist dem Verhalten von zwei entsprechend übereinander geschichteten UD-Lagen ähnlich und übertrifft die mechanischen Werte der beschriebenen Leinwand- und Köperbindungen. Aus ihrer geringen Schiebestabilität resultiert eine hohe Drapierfähigkeit. In Hybrid-(Misch) Geweben, siehe Abb. 2.2.5c wird mehr als ein Fasermaterial verarbeitet. Häufig kommt die Kombination von Kohlenstofffasern und Aramidfasern oder Polethylenfasern zur Anwendung. Dabei erhöhen die Kunststofffasern die Zähigkeit und Schlagfestigkeit des Gewebes, während die Kohlenstofffasern die Druckfestigkeit erhöhen. Durch die Verwendung von Glasfasern in Kombination mit Kohle oder Aramidfasern gelingt es, die Kosten der Hybrid-Gewebe drastisch zu senken. Triaxiale Gewebe (Abb. 2.2.5d) weisen eine Faserverstärkung in drei Richtungen auf, die meist unter 0◦ /60◦ /120◦ (nahezu planar isotrop) oder unter 0◦ /+45◦ /–45◦ in der Schichtebene liegen. Das Material ist sehr flexibel und eignet sich sehr gut zur Verstärkung doppelt gekrümmter Flächen. Gelege Gelege sind als unidirektionale Fasergelege bzw. Multiaxial-Gelege am Markt verfügbar. Unidirektionale Fasergelege (UD-Gelege) sind Bänder mit parallel ausgerichteten Fasersträngen. Der Zusammenhalt wird durch dünne quer angeordnete Klebevliese oder durch Schuss- bzw. Nähfäden in größeren Abständen erreicht. Durch parallele Faserausrichtung ohne Welligkeit werden höchste Festigkeitswerte in Faserrichtung, aber auch höchste Orthotropie erzielt.


Um die Nachteile zu vermeiden, die sich bei Geweben durch die auftretenden Faserkrümmungen ergeben, kommen Multiaxial-Gelege (MAG, engl. non-crimpfabrics) zum Einsatz. Dabei werden UD-Lagen mit einer definierten Faserorientierung übereinandergeschichtet und anschließend mit dünnen Nähgarnen aus Polyester, Glasfasern oder Aramidfasern verwirkt bzw. vernäht. Ein Nachteil der MAG liegt darin, dass durch den automatisierten Lagenaufbau eine ortsabhängige Reduktion bzw. Erhöhung der Schichtenanzahl im Materialaufbau nicht möglich ist. Weiter sind dicke MAG nur für schwach gekrümmte Bauteilformen geeignet. Geflechte Zu den flächenförmigen Faser-Halbzeugen werden auch Geflechte in Band- oder Schlauchform gezählt (Abb. 2.2.6). Die Herstellung von Geflechten ist jedoch aufwändig und meist mit hohen Investitionskosten verbunden. Im Vergleich zu Geweben sind die Bandbreiten wesentlich geringer und die Abmessungen begrenzt durch die Größe der Flechtmaschinen. Die Faserausrichtung in Flechtbändern (biaxiale Geflechte) ist symmetrisch (±θ) und im Bereich von 15◦ bis 85◦ zur Längsrichtung einstellbar. Ein zusätzliches Einflechten von Fasersträngen in Längsrichtung ist möglich (triaxiale Geflechte). Durch die Umlenkung der Faserstränge an den Bandrändern in die entgegensetzte Richtung erhalten die Flechtbänder eine gleichmäßige Abschlusskante. Flechtschläuche sind sehr flexibel und können sich aufgrund ihrer hohen Schiebenachgiebigkeit durch Streckung oder Stauchung der Kontur anpassen (Abb. 2.2.6). Sie werden bevorzugt zur Herstellung von Rotationsschalen, Hohlkörpern und Profilen angewendet, die gute Torsions- und Schubeigenschaften aufweisen. Matten Matten sind flächige Faser-Halbzeuge, in denen Schnitt- bzw. Endlosfasern regellos in der Mattenfläche verteilt sind, sodass die Materialeigenschaften in der Schichtebene quasiisotrop sind. Der Zusammenhalt zwischen den Fasern wird durch Auftragen eines Bindemittels oder mechanisch durch Versteppen/Verwirken mit Nähgarnen erreicht. Matten werden überwiegend aus Glasfasern hergestellt und in Rollenform mit einem Flächengewicht im Bereich von 150 bis 900 g/m2 geliefert. Sie sind kostengünstig und in ihrer Verarbeitung einfach zu handhaben. Aufgrund des geringen Faservolumenanteils von 15 bis 35% und der regellosen Verteilung der Fasern besitzen Laminate aus Fasermatten jedoch relativ

Abb. 2.2.6 Fasergeflechte: (a) Band, (b) Schlauch mit partieller Stauchung und Streckung, (c) offenes Schlauchende (Quelle: R&G).

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schlechte mechanische Eigenschaften und kommen daher vorwiegend in gering beanspruchten Bauteilen wie z. B. Verkleidungen zum Einsatz. Vliese Als Vliese werden sehr feine Wirrfaserschichten mit einem Flächengewicht < 80 g/m2 bezeichnet, wofür Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- und Polymerfasern eingesetzt werden. Sie werden bevorzugt als äußerste Schicht an der Sichtseite des Bauteils verwendet, um den Durchdruck der Gewebestruktur an der Oberfläche zu verhindern. Sie verbessern aber auch die Schlagzähigkeit der Oberfläche des Verbundbauteils. Gestricke und Gewirke Gestricke und Gewirke gehören zur Gruppe der Maschenware und sind in einer sehr großen strukturellen und geometrischen Vielfalt verfügbar. Aufgrund ihres außergewöhnlichen Verstreckungs- und Scherungspotenzials (Abb. 2.2.7) besitzen sie eine herausragende Drapierfähigkeit und sind dadurch an die Geometrie räumlich gekrümmter komplexer Strukturen faltenfrei anzupassen. Im Vergleich zu den bisher beschriebenen flächigen Halbzeugen weisen Gestricke und Gewirke zwar das höchste Umformpotenzial auf, in den mechanischen Eigenschaften sind sie ihnen jedoch wegen des niedrigen Faservolumenanteils und der hohen Faserkrümmung unterlegen. Die anisotropen Materialeigenschaften in der Laminatebene von Gestricken/Gewirken werden von Parametern wie Maschengröße, Maschendichte, Maschenform sowie von der Verstreckung der Maschenware vor der Aushärtung des Laminats bestimmt. Gestricke/Gewirke können hohe Schlagenergien aufnehmen und verursachen geringe Herstellungskosten. Neben den reinen Gestricken/Gewirken ist auch eine Reihe von Sonderformen mit eingestrickten unidirektionalen, bidirektionalen bzw. multidirektionalenVerstärkungsfasern verfügbar. Da in diesen Formen die Verstärkungsfasern nicht mit den Maschen verschlungen sind, werden sowohl die Stabilität der Maschenware außerordentlich verbessert als auch die mechanischen Eigenschaften in Richtung der Verstärkungsfasern beträchtlich erhöht [3]. 3D-Faser-Halbzeuge Flächenförmige Faser-Halbzeuge sind heutzutage in der Faserverbundtechnik für dünnwandige Schalenkonstruktionen mit beanspruchungsgerechtem Laminataufbau von großer Bedeutung. Kommt es jedoch zu einer Be-

Abb. 2.2.7 Vergleich eines verstreckten und unverstreckten Fasergewirks.


Abb. 2.2.8 Schematische Darstellungen 3D-verwebter flächiger Faser-Halbzeuge.

lastung normal zur Laminatebene oder zu einer Stoßbelastung, weist der Schichtwerkstoff, aufgrund der meist fehlenden Verstärkung senkrecht zur Schichtebene, nur geringe Festigkeitswerte auf. Dieser Mangel der flächenförmigen Faser-Halbzeuge kann durch den Einsatz von 3D-Faser-Halbzeugen reduziert werden, wobei aber der erforderliche Raum für die zusätzliche Faserrichtung den Faservolumenanteil in der Laminatebene vermindert (Abb. 2.2.8). Zu den 3D-Faser-Halbzeugen zählen verwirkte bzw. vernähte flächige Fasergebilde, 3D-verwebte flächige Faserhalbzeuge, 3D-Faserstrukturen (3D-Gewebe, 3D-Gestricke, 3D-Geflechte). 3D-Faservorformlinge (Preform) Eine weitere Gruppe stellen die 3D-Faservorformlinge (Preform) dar, deren Geometrie und Faseraufbau der Faserverstärkung des gesamten Bauteils entsprechen. Aufgrund des Wegfalls des arbeitsintensiven Laminataufbaus wird durch ihren Einsatz die Wirtschaftlichkeit der Bauteilherstellung stark verbessert. 3D-Faservorformlinge können aus den beschriebenen FaserHalbzeugen hergestellt werden und erhalten ihre Formstabilität durch den Einsatz entsprechender Bindungsformen. Folgende Klassen an 3D-Faservorformlingen mit zugehöriger Bindungsform kommen bevorzugt zum Einsatz: • Faservorformlinge aus Schnittfasern, deren Formhaltigkeit durch die Applikation eines Binders erzielt wird; • Faservorformlinge aus Geweben oder Gelegen, die dem Lagenaufbau und der Bauteilform entsprechend zugeschnitten und vernäht werden; • formgewebte/formgeflochtene Faservorformlinge erhalten ihre Formstabilität durch die Wahl eines entsprechenden Web-/Flechtmusters.

Abb. 2.2.9 Vernähte Faservorformlinge: (a) Gewebevorformling: AIRBUS A340 Spoiler Beschlag (Quelle: Fa. FACC), (b) Gelegevorformling: CFK-Längsträger (Quelle: Fa. Saertex).

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Der Vorteil von vernähten, formgewebten bzw. formgeflochtenen Faservorformlingen liegt darin, dass die Strukturen meist vor dem Delaminieren geschützt sind. Die Abb. 2.2.9 zeigt zwei aus Geweben bzw. Gelegen vernähte Faservorformlinge (siehe Abschnitt 6.4). 2.2.6.2 Faser-Matrix-Halbzeuge Faser-Halbzeuge können bereits vor dem Laminataufbau mit der Polymermatrix getränkt sein und als Faser-Matrix-Halbzeug bzw. imprägniertes Halbzeug zur Verfügung stehen. Folgende imprägnierte Halbzeuge werden in der Faserverbundtechnik bevorzugt angewendet: • Duromere SMC (Sheet Moulding Compound)-Formmassen, • Duromere BMC (Bulk Moulding Compound)-Formmassen, • Duroplastische Prepregs (Preimpregnated Fabrics), • Glasmatten verstärkte Thermoplaste (GMT), • Langfaser verstärkte Thermoplaste (LFT), • Thermoplastische Prepregs, • Kombinationen aus Fasern und Matrixgarnen. Duromere SMCs Duromere SMCs sind plattenförmige Halbzeuge, die vorwiegend in Pressprozessen umgeformt werden. Sie bestehen meist aus regellos verteilten Glasfasern in Längen von 20 bis 50 mm, die in einer duromeren Matrix eingebettet sind. Aufgrund der Wirrfaseranordnung sind die Materialeigenschaften von SMCs in der Schichtebene isotrop. Sheet Moulding Compounds sind 2 bis 5 mm stark und werden in Rollenform bzw. Platten geliefert. Sie gehören zu den wirtschaftlichsten Halbzeugen in der Faserverbundtechnik und sind für Großserienfertigungen bestens geeignet. Ihr breites Anwendungsgebiet liegt im Bereich großflächiger dünnwandiger Schalenkonstruktionen, die niedrigen Belastungen ausgesetzt sind, wie z. B. Verkleidungsbauteile im Fahrzeugbau. Duromere BMCs Duromere BMCs sind eine formlose teigige Masse mit Faserlängen von 6 bis 25 mm, die unter Anwendung der Presstechnik bzw. Spritzgusstechnik verarbeitet werden. Sie kommen überwiegend in der Fertigung von Bauteilen mit kleinen Abmessungen wie z. B. Gehäusen von elektrischen Haushaltsgeräten zum Einsatz. Duroplastische Prepregs Duroplastische Prepregs zählen heute zu den wichtigsten Faser-Matrix Halbzeugen im Bereich des strukturellen Leichtbaus. Sie werden aus flächigen Faser-Halbzeugen hergestellt, die in einem kontinuierlichen Prozess mit dem Matrixmaterial in einem bestimmten Harz-Faserverhältnis imprägniert werden. In der Faserverbundtechnik finden vorwiegend unidirektionale (UD-)Prepregs mit parallel angeordneten Fasern und Gewebe-Prepregs mit unterschiedlichen Faserbindungen Anwendung. Durch den hohen erzielbaren Faservolumenanteil von etwa 60%, die gleichmäßige örtliche Verteilung der Fasern sowie die präzise Faserausrichtung und die effektive Imprägnierung können mit Hilfe von Prepregs Verbundbauteile höchster Qualität mit ausge-


zeichneten mechanischen Eigenschaften und guter Reproduzierbarkeit gefertigt werden. Bei der Lagerung von Prepregs ist zu beachten, dass mit dem Imprägniervorgang der Vernetzungsprozess des Matrixharzes bereits initiiert wurde. Um die Aushärtung des Prepregs bis zum eigentlichen Formgebungsprozess hinauszuzögern, ist eine Lagerung bei –18 °C erforderlich. Nach einer Lagerzeit von mehr als 12 Monaten im Tiefkühlraum ist das Harz nicht mehr genügend fließfähig. Bei Raumtemperatur ist Prepregmaterial je nach Harztyp 2–4 Wochen gebrauchsfähig und muss danach entsorgt werden. Duroplastische Prepregs werden in Rollenform mit Bandbreiten von bis zu 1200 mm bei Gewebeprepregs (Schichtdicken 0,2–0,4 mm) und üblicherweise 300 bzw. 600 mm bei UD-Prepregs (0,125–0,25 mm dick) geliefert. Aufgrund der Klebrigkeit der teilgehärteten Matrix müssen die Prepreglagen mit einer Trennfolie separiert werden. Ein weiteres Problem stellt die Verschmutzung der klebrigen Schichten durch Staubpartikel dar, wodurch die Haftung zwischen den Einzellagen beeinträchtigt wird. Um Verunreinigungen während der Verarbeitung zu verhindern, ist eine Fertigung unter Reinraumbedingungen erforderlich (siehe Abschnitt 4.1). Im Vergleich zur Verarbeitung von Faser-Halbzeugen, ist der Einsatz von Prepregs sehr kostspielig. Die hohen Kosten werden durch notwendige Investitionen wie z. B. die Anschaffung eines Autoklaven, die Einrichtung eines Reinraums und eines Tiefkühlraums und nur zum Teil von den teuren Prepregs verursacht. Glasmatten verstärkte Thermoplaste (GMT) Glasmatten verstärkte Thermoplaste (GMT) bestehen aus thermoplastischen Standardkunststoffen (vorwiegend PP) oder technischen Thermoplasten (PA, PET, PBT), die bevorzugt mit Glasfasermatten verstärkt werden. Die Glasmatten können abhängig von den erforderlichen mechanischen Eigenschaften des GMT-Bauteils zur Gänze aus regellos verteilten Endlos- oder Schnittglasfasern bestehen oder aus einer Kombination von unidirektionalen Fasern oder Geweben mit Endlos- oder Schnittglasfasermatten gebildet werden [17]. GMT-Halbzeuge werden in Plattenform geliefert und in einem Pressprozess zu Formteilen verarbeitet. Die Vorteile und Anwendungsbereiche dieser Halbzeugform werden vor allem durch das thermoplastische Matrixmaterial bestimmt (siehe Abschnitt 2.2.4.5). Aufgrund der im Vergleich zu SMC- und BMCBauteilen schlechten Oberflächenqualität von GMT-Strukturen ist derzeit nur eine Anwendung für Nicht-Sichtteile möglich. Langfaser verstärkte Thermoplaste (LFT) Die Herstellung Langfaser verstärkter Thermoplaste (LFT) erfolgt in einem Extruder durch Aufschmelzen eines Thermoplastgranulats und nachfolgendem Extrudieren. Dem Thermoplastgranulat werden dabei als Langfasern bezeichnete Fasern mit einer Länge von ~2 bis 25 mm beigemengt. Da auch bei LFT-Halbzeugen die Bauteilformgebung durch einen Pressvorgang erfolgt, kann die Herstellung von Halbzeugplatten eingespart werden, indem der Extrusionsstrang direkt in das Presswerkzeug extrudiert wird. Eine gezielte, den Bauteilabmessungen entsprechende Ablage des LFT-

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Strangs kann durch den Einsatz von Industrierobotern realisiert werden, womit eine erhebliche Reduzierung der Taktzeiten bei Großserienfertigungen möglich ist. Ähnlich den UD- bzw. den gewebeverstärkten GMT können auch bei LFT vorimprägnierte UD- oder Gewebelagen im Formwerkzeug zweckmäßig positioniert werden, um damit die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal zu verbessern. Thermoplastischen Prepregs Thermoplastischen Prepregs sind als Kombination von UD-Faserlagen bzw. Gewebelagen mit den in der Faserverbundtechnik gebräuchlichen thermoplastischen Matrixwerkstoffen erhältlich. Aufgrund des hochviskosen Verhaltens der meisten thermoplastischen Matrixmaterialien gestaltet sich der Imprägniervorgang der Faser-Halbzeuge schwierig. Da thermoplastische Prepregs bei Raumtemperatur steif und nicht klebrig sind, erfordert ihre Handhabung und Positionierung in Formwerkzeug entsprechende Fertigungstechnologien. Demnach werden zur Herstellung von thermoplastischen Verbundbauteilen vorwiegend konsolidierte thermoplastische Prepregstapel verwendet, die „Organobleche“ genannt werden. Die Formgebung erfolgt durch Heißpressen, wobei komplexe Umformgrade, durch das Auftreten von Schubverzerrungen im Gewebe, zu einer Abweichung der Faserrichtung von der dimensionierten Faserrichtung führen können. Eine Veränderung der anisotropen mechanischen Kennwerte ist die Folge. Kombination aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixgarnen Durch die Kombination aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixgarnen entsteht ein Mischgarn, das sich in textilen Verarbeitungsprozessen zu flächigen bzw. 3D-Faser-Matrixhalbzeugen verarbeiten lässt. Die Vorteile dieser Halbzeugform bestehen einerseits in der guten Durchmischung der Fasern und dem hochviskosen Matrixmaterial, da die Matrix nach dem Aufschmelzen nur geringe Fließwege zurücklegen muss. Weiter kann durch die geeignete Auswahl der textilen Form die Drapierfähigkeit des Halbzeugs der Bauteilform entsprechend gewählt werden. Die Formgebung erfolgt durch Aufschmelzen der Matrix des im Formwerkzeug platzierten Lagenaufbaus und nachfolgender Abkühlung. 2.2.6.3 Stützstoffe Biegebeanspruchte Bauteile werden in der Faserverbundtechnologie bevorzugt als Sandwich-Strukturen ausgeführt, wobei Stützstoffe als Kernmaterial dienen. Mit Hilfe der leichten und vergleichsweise dicken Stützstoffe gelingt es die dünnen, festen und steifen Verbunddeckschichten aus der Mittelebene der Schale zu entfernen und dadurch die Biegesteifigkeit der Struktur bei sehr geringer Gewichtszunahme drastisch zu erhöhen. Bei der Auslegung von Sandwich-Bauteilen müssen aufgrund der Schubweichheit des Kerns die Schubdeformationen mitberücksichtigt werden und die für Sandwich-Strukturen charakteristischen Formen des Stabilitätsverlusts untersucht werden (siehe Abschnitt 1.2). Als Stützstoffe kommen im Leichtbau überwiegend Hartschaum- und Wabenkerne zum Einsatz. Zu den neueren Entwicklungen zählen Tubus-Waben


Abb. 2.2.10 Ausgewählte Sandwich-Kernmaterialien. ∗) Quelle: R&G, ∗∗) Quelle: TUBUS WABEN.

und Abstandsgewebe. Folgende Sandwich-Kernmaterialien stehen zur Verfügung (Abb. 2.2.10): • Hartschaum: geschlossen porig aus Rohacell, PVC, Styrofoam, Styrodur, Conticell. • Wabenkerne, die aus Aluminium, Nomex, glasoder carbonverstärktem Papier bestehen, wobei die Geometrie der Waben abhängig von der geforderten Drapierfähigkeit als klassische Honigwabe, als expandierte Wabe oder Flexcore ausgeführt werden kann. • Tubus-Waben: thermoplastische, zylinderförmige Kunststoffwaben aus Polypropylen. • Abstandsgewebe: bestehen aus 2 Gewebedeckschichten aus Glas, die durch Stegfäden auf Abstand gehalten werden. Werden Sandwich-Strukturen eingesetzt, ist auf die sorgfältige konstruktive Ausführung und Auslegung der Lasteinleitungsbereiche und freien Randbereiche zu achten. Anwendungsbeispiele von Sandwich-Strukturen im Leichtbau, werden in Abschnitt 6.4 vorgestellt. 2.2.7 Materialverhalten

Aufgrund des Materialaufbaus von Faserverbundwerkstoffen und der großen Anzahl an Materialparametern kann das Materialverhalten von Verbundstrukturen dem Beanspruchungszustand entsprechend richtungs- und ortsabhängig ausgelegt werden. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Anisotropie der Materialkennwerte von Laminateinzelschichten und Laminaten.

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Das Materialverhalten von geschichteten Laminaten weist einerseits unterschiedliche Kennwerte normal und in Richtung der Laminatebene auf. Andererseits können bei gerichteter Faseranordnung auch die Materialeigenschaften in Richtung der Laminatebene, abhängig vom gewählten Laminataufbau, anisotrop sein. Anhand von Polardiagrammen (Abb. 2.2.11) soll der Einfluss von Beanspruchungsrichtung und Faserorientierung auf die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul in der Laminatebene erläutert werden. Die dargestellten Kurvenverläufe vergleichen die mechanischen Kennwerte eines Carbonfaser-Epoxidharz-Verbunds mit unidirektionalem-, rechtwinkeligem und multidirektionalem Laminataufbau bei gleicher Lagenanzahl. Die skizzierten Laminateinzelschichten zeigen für die jeweiligen Kurvenverläufe verwendete Faserorientierungen, nicht aber den Laminataufbau. Die Kurvenverläufe des UD-Verbunds verdeutlichen, dass bei Faserverbundwerkstoffen mit paralleler Faserausrichtung hohe Materialkennwerte nur in Faserrichtung zu erwarten sind. Schon bei einer geringfügigen Abweichung der Beanspruchungsrichtung von der Faserrichtung muss mit einem drastischen Abfall der Materialkennwerte gerechnet werden. Wird der UD-Verbund quer zur Faserrichtung unter 90◦ beansprucht, nehmen die mechanischen Materialwerte ein Minimum an. Das Verhalten des Kreuzverbunds zeigt ebenfalls Maximalwerte der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls, wenn Beanspruchungs- und

Abb. 2.2.11 Gegenüberstellung von mechanischen Kennwerten spezifischer Laminate eines Carbonfaser-Epoxidharz-Verbunds abhängig von Beanspruchungsrichtung und Faserorientierung.


Faserrichtung (0◦ und 90◦ ) übereinstimmen. Eine minimale Divergenz von Beanspruchungsrichtung und Faserrichtung führt, ähnlich dem Verhalten von UDLaminaten, zu einer starken Reduktion der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls. Der Unterschied in den maximalen Materialkennwerten von UD-Laminat und Kreuzverbund folgt aus dem Vergleich von Laminaten mit gleicher Lagenanzahl. Da sowohl beim UD-Laminat als auch beim Kreuzverbund in der Laminatebene ausgezeichnete Werte von Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit unter 0◦ und 90◦ auftreten, bezeichnet man das Materialverhalten dieser Laminatformen als orthotrop und die ausgezeichneten Richtungen als Orthotropieachsen. Beim multidirektionalen Laminat mit Faserwinkeln von 0◦ , 60◦ und 120◦ zeigen die Diagramme nur eine minimale Änderung der dargestellten Materialeigenschaften bei Variation der Beanspruchungsrichtung. Es ist jedoch zu beachten, dass die Größenordnung dieser Werte nur 25% der maximalen mechanischen Kennwerte eines UD-Laminats beträgt. Die theoretische Analyse des beschriebenen multidirektionalen Verbunds ergibt sogar ein quasiisotropes Steifigkeitsverhalten in der Laminatebene. Da Leichtbauanwendungen den möglichst effizienten Einsatz von Faserverbundwerkstoffen erfordern, gilt es durch eine passende Wahl des Laminataufbaus vom Potenzial dieser Werkstoffe bestmöglich Gebrauch zu machen. Die Polardiagramme in Abb. 2.2.11 veranschaulichen am Beispiel eines UD- und Kreuzverbunds, dass deren hohe Steifigkeits- und Festigkeitswerte in Faserrichtung nur dann optimal genutzt werden können, wenn die Faserrichtung genau mit der Richtung der Hauptbeanspruchung übereinstimmt. Somit ist es bei der Materialdimensionierung von Hochleistungsverbundstrukturen möglich, die Ausrichtung der Fasern und damit die Anisotropie des Laminats dem Beanspruchungszustand entsprechend effektiv zu wählen. Das beschriebene anisotrope Materialverhalten beschränkt sich jedoch nicht nur auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbunds. Die thermische Ausdehnung und das hygroskopische Materialverhalten sind ebenfalls richtungsabhängig und werden von der Faserorientierung im Laminat bestimmt. Die dargestellten anisotropen Materialeigenschaften von Laminaten haben einen starken Einfluss auf das Verformungsverhalten von Verbundstrukturen unter Last. Dabei ist zu unterscheiden, ob das Deformationsverhalten auf die Anisotropie der Laminateinzelschichten oder auf die Faserorientierung im Laminataufbau zurückzuführen ist. Wird eine UD-Laminateinzelschicht bzw. eine orthotrope Gewebeeinzelschicht in der Laminatebene unter einachsigem Zug in Richtung der Orthotropieachsen belastet, kommt es sowohl zu Längsdehnungen in Kraftrichtung als auch zu Querkontraktionen quer zur Kraftrichtung (Abb. 2.2.12a). Weicht die Beanspruchungsrichtung in der Laminatebene jedoch nur geringfügig von dem ausgezeichneten Achsensystem ab, muss aufgrund des anisotropen Materialverhaltens zusätzlich mit Schubdeformationen in der Membranebene gerechnet werden (Abb. 2.2.12b). Eine einachsige Biegebeanspruchung führt bei einer orthotropen Laminateinzelschicht zu Krümmungsänderungen um die Biegeachse und aufgrund der Querkontraktion des Materials zu Krümmungsänderungen quer dazu, wenn

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Abb. 2.2.12 Verformungsverhalten einer Laminateinzelschicht unter (a) einachsigem Zug mit Zugrichtung Orthotropieachse in der Schichtebene: bewirkt Längsdehnung und Querkontraktion, (b) Abweichung der Zugrichtung von der Orthotropieachse in der Schichtebene: bewirkt zusätzliche inplane Schub-

deformationen, (c) Biegebeanspruchung mit Biegeachse Orthotropieachse in der Schichtebene: bewirkt Krümmungsänderungen, (d) Abweichung der Richtung der Biegeachse von der Orthotropieachse in der Schichtebene: bewirkt eine zusätzliche Verdrillung.

die Richtung der Biegeachse mit einer der Orthotropieachsen übereinstimmt (Abb. 2.2.12c). Ist dies nicht der Fall, wird wie in Abb. 2.2.12d ersichtlich, neben den beschriebenen Krümmungsänderungen meist eine zusätzliche Verdrillung der Einzelschicht auftreten. Das Deformationsverhalten eines Verbundbauteils unter Last wird jedoch nicht nur von der Anisotropie der Laminateinzelschichten, sondern auch vom gewählten Lagenaufbau des Laminats bestimmt. Handelt es sich um einen symmetrischen Laminataufbau – Material, Faserorientierung, Dicke der Laminateinzelschichten sind im jeweils gleichen Abstand oberhalb und unterhalb der Schalenmittelfläche ident – verformt sich das Laminat entsprechend einer anisotropen Laminateinzelschicht. Ist der gewählte Laminataufbau jedoch unsymmetrisch, kommt es zu zusätzlichen Deformationen der Struktur, die als Koppeleffekte bezeichnet werden. Dabei bewirkt eine einachsige Zugbelastung zusätzlich zu den erwarteten Membranverzerrungen auch Krümmungsänderungen bzw. eine Verdrillung des Bauteils. In Abb. 2.2.13 sind die in Kombination auftretenden Verformungen eines unsymmetrischen Laminats, aus Gründen der Übersichtlichkeit, aufgespalten dargestellt. Dementsprechend kann eine einachsige Biegebeanspruchung, zusätzlich zu den erwarteten Krümmungsänderungen bzw. Verdrillungen zu Membranverzerrungen führen. Am Beispiel eines unter einachsigem Zug bzw. einachsigem Moment belasteten geschichteten Laminats ist in Abb. 2.2.14 der Einfluss der Komponenten der Laminatsteifigkeitsmatrix (siehe Abschnitt 1.2) auf das Deformationsverhalten ersichtlich. Sowohl der Spannungszustand als auch das Temperaturverhalten von Faserverbundbauteilen können durch die eben beschriebenen Koppeleffekte beeinflusst


Abb. 2.2.13 Verformungen eines unsymmetrischen Laminats unter einachsiger Zugbelastung aufgespalten in (a) Membranverzerrungen und (b) zusätzliche Krümmungsänderungen mit Verdrillung.

Abb. 2.2.14 Einfluss der Komponenten der Laminatsteifigkeitsmatrix (A = Membransteifigkeitsmatrix, B = Koppelsteifigkeitsmatrix, D = Biegesteifigkeitsmatrix) auf das Verformungsverhalten eines zug- bzw. biegebeanspruchten, unsymmetrisch geschichteten Laminats.

werden. Eine ungünstige Wahl der Randbedingungen einer Faserverbundstruktur kann z. B. zur Behinderung der durch die Koppeleffekte entstehenden Deformationen führen und damit eine Veränderung des Spannungszustands bewirken. Eine örtlich konstante Temperaturänderung des gesamten Faserverbundbauteils kann bei entsprechendem Laminataufbau ebenfalls zu Koppeleffekten führen. Somit besteht schon beim Herstellungsprozess während des Abkühlvorgangs von Aushärteauf Raumtemperatur die Gefahr des Bauteilverzugs, wenn der Laminataufbau unsymmetrisch gewählt wurde. Um das Auftreten dieser Effekte, die von Bauteilen aus konventionellen homogenen (isotropen) Materialien nicht zu erwarten sind, ausschließen zu können, wird bei der Auslegung von Faserverbundkonstruktionen die Anwendung symmetrischer Laminataufbauten empfohlen. Neben den Koppeleffekten sind bei Verbundwerkstoffen Laminatrandeffekte zu beachten, die ebenfalls zu den typischen Spezialeffekten geschichteter anisotroper Materialien zählen. Unter Laminatrandeffekten versteht man das Auftreten sehr hoher interlaminarer Spannungen an freien Rändern, die zu Delaminationen, d. h. zum Klaffen bzw. Abscheren benachbarter Laminateinzelschichten im

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Abb. 2.2.15 Laminatrandeffekte (a) eines [0/90/90/0]-Verbunds und (b) eines [+45/–45/–45/+45]-Verbunds unter einachsialer Zugbelastung [18].

Randbereich führen können. Sie treten bei fast allen Laminaten mit Ausnahme der UD-Laminate auf. Interlaminare Spannungen am freien Rand eines Faserverbundbauteils entstehen durch Unterschiede in der Querkontraktion und im Schubverhalten benachbarter Laminateinzelschichten. Die Abb. 2.2.15 stellt anhand des entkoppelten und des gekoppelten Verschiebungsverhaltens von zwei symmetrischen Laminaten die Ursachen von Laminatrandeffekten dar. Wird das Deformationsverhalten eines verklebten und (in einem Denkmodell) unverklebten [0/90/90/0]-Verbunds unter einachsiger Zugbelastung verglichen, zeigt sich, dass Laminatrandeffekte einerseits aufgrund unterschiedlicher Querkontraktion der Laminateinzelschichten entstehen. In den 90◦ -Lagen kommt es im Randbereich zur Ausbildung hoher interlaminarer Normalspannungen, die zum Aufklaffen am freien Rand führen können. Im Grenzschichtbereich zwischen den 0◦ - und 90◦ -Lagen treten hohe interlaminare Schubspannungen auf, die ein Abscheren der Laminateinzelschichten im Randbereich zur Folge haben können. Andererseits ist in einem [+45/–45/–45/+45]-Verbund das unterschiedliche Schubverhalten der Laminateinzelschichten in der Laminatebene für ein mögliches Abscheren zwischen den benachbarten Einzelschichten am freien Rand verantwortlich. Die beschriebenen Randeffekte treten in einem Einflussbereich des freien Rands auf, der ca. der Laminatdicke entspricht, und sind auch bei fehlerfrei gefertigten Bauteilen an freien Rändern existent. Die Gefahr von Randdelaminationen als Folge von Laminatrandeffekten kann durch konstruktive Maßnahmen, wie z. B. Randnähte, Klebeverstärkung etc. vermindert werden.


2.2.8 Schlussfolgerungen

Mit Polymermatrix-Verbundwerkstoffen steht – speziell im Bereich des Leichtbaus – ein Konstruktionswerkstoff mit hoher Flexibilität und Effizienz zur Verfügung. Aufgrund der ausgezeichneten Werte der bezogenen Werkstoffkenngrößen und der großen Auswahl an Verbundkomponenten, Halbzeugen und Materialparametern kann mit Compositen ein breites Anwendungsspektrum von Standardleichtbaukomponenten bis Hochleistungstrukturen abgedeckt werden. Mit dem Bestreben die begrenzten Ressourcen der Erde zu schonen wird die Nachfrage nach Polymermatrix-Verbundwerkstoffen in Zukunft zunehmen, wobei ökologische Aspekte bei der Entwicklung neuer Materialien und Technologien Beachtung finden werden. Demzufolge ist in Zukunft auch mit dem vermehrten Einsatz von ökologisch wiederverwertbaren Materialkomponenten wie z. B. Naturfasern, Basaltfasern und thermoplastischen Matrixsystemen zu rechnen.

Danksagung

Folgenden Firmen wird für die freundliche Bereitstellung von Bildmaterial gedankt: R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, Waldenbuch, Deutschland FACC Fischer Advanced Composite Components, Ried im Innkreis, Österreich Saertex GmbH & Co. KG, Saerbeck, Deutschland Hexcel Composites GmbH & Co. KG, Neumarkt/Hausruck, Österreich TUBUS WABEN GmbH & Co. KG, Rottenbach, Deutschland Institute of Chemical Engineering, TU Wien, Österreich

Literaturnachweis 1 Schürmann, H. (2005) Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Kapitel 3 bis 5. 2 Baker, A., Dutton, S., Kelly, D. (2004) Composite Materials for Aircraft Structures, 2nd edn, AIAA, Reston, VA, Kapitel 3, 4 und 14. 3 Ermanni, P. (2007) Composites Technologien, Skriptum zur gleichnamigen Vorlesung, Centre of Structure Technologies, ETH Zürich, Kapitel 2 und 7. 4 Flemming, M., Ziegmann, G., Roth, S. (1995) Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.

5 Flemming, M., Ziegmann, G., Roth, S. (1996) Faserverbundbauweisen Halbzeuge und Bauweisen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. 6 Musch, G., Schulz, M. (2003) GFK-Technik im Modellbau, Faserverbund-Werkstoffe, Anwendung und Verarbeitung, Neckar-Verlag, Villingen-Schwenningen, Kapitel 3 bis 6. 7 Middleton, D.H. (1995) Composite Materials in Aircraft Structures, Longman Scientific and Technical, Essex, Kapitel 3 und 4. 8 Agarwal, B.D., Broutman, L.J. (1990) Analysis and Performance of Fiber Composites, John Wiley&Sons, Ltd, New York.

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2 Werkstoffangebot für den Leichtbau 9 Bergmann, H.W. (1992) Konstruktionsgrundlagen für Faserverbundbauteile, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Kapitel 2 und 3. 10 Chawla, K.K. (1987) Composite Materials Science and Engineering, Springer-Verlag, New York, Kapitel 2 und 3. 11 R&G, Handbuch Faserverbundwerkstoffe. R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, Waldenbuch, Deutschland, 2003. 12 Lee, S.M. (1990) International Encyclopedia of Composites, VCH Publishers, Weinheim, Cambridge, New York. 13 Karus, M., Ortmann, S., Vogt, D., Müssig, J. (2005) Naturfaserverstärkte Kunststoffe: Pflanzen, Rohstoffe, Produkte, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Gülzow. 14 Müller, D.H., Krobjilowski, A., Schönfeldt, R. (2003) Optimierte Presstechnologie für naturfaserverstärkte Thermoplaste. Tagungsband Agritechnica 2003, Konstruktionswerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Hannover. 15 Riedel, U., Nickel, J. (2000) Konstruktionswerkstoffe aus nachwachsenden

Rohstoffen (BioVerbunde), Tagungsband 3. Internationale AVK-TV-Tagung, AVKTV – Arbeitskreis verstärkter Kunststoffe – Technische Vereinigung e. V., BadenBaden. 16 Reichhold, J., Rüegg, A., Schijve, W. (2007) Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) – Eigenschaften richtig charakterisiert. Tagungsband 10. Internationale AVK-Tagung für verstärkte Kunststoffe und technische Duroplaste, AVK – Industrievereinigung verstärkter Kunststoffe, Stuttgart. 17 Quadrant Plastic Composites AG, Glasmattenverstärkte Thermoplaste; Verarbeitungsrichtlinien, 2. Auflage. Quadrant Plastic Composites AG, Lenzburg, Schweiz, 2002. 18 Skrna-Jakl, I.C. (1996) Numerical and Experimental Investigations of Interlaminar Stresses and Free Edge Effects in Integrally Stiffened, Layered Composite Panels, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 18: Mechanik/Bruchmechanik, Nr. 188, VDI-Verlag, Düsseldorf.

2.3 Werkstoffauswahl Cecilia Poletti und Hans Peter Degischer Kurzfassung

Aus dem Marktbedarf an maschinenbaulichen Produkten werden deren Funktionsziele und die für den Produktlebenszyklus geltenden Randbedingungen definiert. In der Konzeptphase der Produktentwicklung werden daraus die entsprechenden Zielfunktionen für Anforderungen, Gestalt und Werkstoff abgeleitet. Die erforderlichen Werkstoffeigenschaften dienen zur Vorauswahl der Werkstoffgruppen aus dem vielfältigen Angebot mit Hilfe von „Ashby-Diagrammen“. Die Entwurfsphase wird durch die Spezifizierung der den Anforderungen entsprechenden Materialeffizienz begleitet, die sich für den Leichtbau auf die Werkstoffmasse bezieht. Die Verbesserungsmöglichkeit der Gebrauchseigenschaften durch die Formgebung wird über einen Formfaktor quantifiziert und die Kosten eines Eigenschaftsprofils werden durch den Preisindex relativiert. Die schrittweise Werkstoffauswahl nach den grundsätzlichen Anforderungen und Randbedingungen wird für einen Fahrradrahmen beispielhaft ausgeführt. Die Bewertung der Eignung von Gusslegierungen für Verbrennungsmotoren dient als Beispiel für die gewichtete Kombination konkurrierender Anforderungen und Randbedingungen. Das

2.3 Werkstoffauswahl

resultierende Leistungsprofil der Legierungen wird dem Fertigungsaufwand in Werkstoff-Portefeuilles gegenübergestellt, um die Werkstofflösungen vergleichen zu können. An diesem Beispiel werden die Werkstofflösungen für die Marktszenarien einer Großserienfertigung mit denen für Hochleistungsmotoren verglichen. 2.3.1 Einleitung

Die Konstruktionswerkstoffe müssen vor allem mechanischen Belastungen standhalten, aber sie erfüllen im Allgemeinen noch weitere Funktionen, wie z. B. Wärme abzuleiten oder zu isolieren. Die mechanischen Anforderungen sind: Steifigkeit, statische und dynamische Festigkeit, Dämpfung, Bruchzähigkeit, Verschleißund Kriechbeständigkeit. Die Werkstoffe werden in folgende Kategorien eingeteilt: Keramiken, amorphe Materialien (Gläser), Metalle, Polymere, und Verbundwerkstoffe (siehe Abschnitt 2.1) [1, 2]. Für den Leichtbau sind Werkstoffe gesucht, die für Strukturen geeignet sind, die besonders leicht ausgeführt werden können. Die Abb. 2.3.1 zeigt zwei Fahrradrahmen aus unterschiedlichen Werkstoffen: aus Bambusrohren 1896 [3] zusammengebaut und ein Jahrhundert später aus Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff (CFK) [4] hergestellt. Bekannterweise wird derzeit der Großteil der Fahrräder mit Trapezrahmen aus Stahl oder Aluminiumlegierungen gefertigt. Warum wurden diese Materialien für Fahrradrahmen so ausgewählt bzw. haben sie sich durchgesetzt? Wo liegt der Unterschied? Wie kommt man zur Entscheidung für einen Werkstoff? Diese Fragen sind Gegenstand dieses Kapitels. Leichtbau bedeutet, dass die Masse eines Bauteilsystems für eine bestimmte Anwendung minimiert wird. Je leichter ein bewegliches Bauteil, desto weniger Energie braucht es für Bewegungsänderungen. Wie für alle Produkte gilt, dass diese zu marktgerechten Kosten produziert werden können. Der akzeptable Preis des jeweiligen Werkstoffs hängt stark von der Nutzen stiftenden Anwendung ab, wie Abb. 2.3.2 zeigt. Werkstoffe für das Bauwesen müssen im Allgemeinen billiger sein als Werkstoffe für Fahrzeuge und Medizintechnik. Diese Preise korrelieren

Abb. 2.3.1 Fahrräder als Leichtbaubeispiel mit: (a) Bambusrahmen, 1896 [3] und (b) CFK-Rahmen 2007 [4].

139

140


Abb. 2.3.2 Mittlerer Wert der Werkstoffe (Preis/Masse) ist von der Anwendung abhängig und korreliert umgekehrt proportional zum Marktvolumen [17].

umgekehrt proportional zum Marktvolumen: Je mehr gebraucht wird, umso kleiner der Preis. Man könnte etwa 5000 € sparen, wenn man für eine Raumfahrtanwendung 1 kg Masse einspart. Diese durchschnittliche Betrachtung nach Anwendungsbereich steht im Widerspruch zu speziellen Beispielen: teure Titanlegierung zur Verkleidung des Guggenheim Museums in Bilbao (Spanien) oder die Magnesiummotorteile einer BMW-Limousine. Für diese Ausnahmen trifft das Kriterium eines geringen Marktvolumens zu, doch ist die Bewertung der technischen Funktion für diese Produkte nicht hinreichend, da das Bauwerk auch Kunstobjekt und das Fahrzeug auch Statussymbol ist. 2.3.2 Werkstoffauswahl im Rahmen der Produktentwicklung

Die Frage lautet „Welches Material ist für eine bestimmte Anwendung optimal?“. Dies setzt voraus, dass die Einsatzbedingungen des Bauteils analysiert wurden und die Aufgabenstellung in einem Anforderungsprofil (Pflichtenheft) formuliert wurde [5]. Eine Optimierung ist nur soweit möglich, als die Anforderungsprofile mit den Leistungsprofilen der Bauteilvarianten eindeutig zur Deckung gebracht werden können. Im Allgemeinen sind Kompromisse erforderlich, die von Bewertungen abhängen. Die Werkstoffauswahl [6] beginnt mit der Nachfrage des Marktes nach neuen Produkten oder nach neuen Leistungen bzw. rationelleren Fertigungsvarianten existierender Bauteile (Tabelle 2.3.1). Am Anfang werden Konzepte erstellt, mit denen die Anforderungen an das Bauteil erfüllt werden können. Die Werkstoffanbieter, bzw. bei Neuentwicklungen

2.3 Werkstoffauswahl Tab. 2.3.1 Werkstoffauswahl im Zuge einer Produktentwicklung durch Zusammenwirken von Management, Ingenieur- und Werkstoffwissenschaft. Nachfrage des Marktes

Marketing,

Materialwissenschaft,

Ingenieurwissenschaften

Innovationsmanagement

Werkstoffanbieter

Bedarfserhebung Aufgabenstellung Zielvorgaben

Werkstoffauswahl

Anforderungsliste Lösungsvarianten

Korrelation Gebrauchseigenschaften zu Werkstoffanforderungen

Konstruktionsbüro Konstruktion

Konzeptphase Analyse der Realisierbarkeit der Anforderungen

< Entscheidung über Prioritäten > Entwurfphase Entwürfe Entsprechungsanalyse zu Anforderungen

Gestaltungsmöglichkeiten

Vorauswahl entsprechender Werkstoffe und Formgebungsverfahren Rezyklierkonzept

< Entscheidung für Entwurf > Ausarbeitungsphase virtuelle Produktentwicklung Design Qualitätskriterien Funktionsbeschreibung

Spezifikationen Kostenschätzung Marketingkonzept Produkt- und Produktionsplan

konkrete Werkstoffauswahl mit Fertigungsverfahren Eigenschaftsprofile Total life cycle analysis Angebote mit Werkstoffspezifikationen

< Bewertung der Marktchancen > Weiterentwicklungspotenzial

Verbesserungspotenzial

die Materialwissenschaft, liefern die Bandbreite der mechanischen, tribologischen, physikalischen, chemischen und ökologischen Eigenschaften der Werkstoffe, die den geforderten Gebrauchseigenschaften entsprechen. Die nächste Stufe, die Gestaltungsvarianten des Bauteils bedingen Formgebungsverfahren, die die Werkstoffvielfalt einschränken. Die Entscheidung für einen Entwurf ist daher mit einer Werkstoffselektion verknüpft, die an dem Erfüllungsgrad der Anforderungen bewertet wird. Die virtuelle Produktentwicklung und Einsatzsimulation kann die Erfüllung der Anforderungen verifizieren, aber möglicherweise müssen die Erwartungen zwecks Erfüllbarkeit korrigiert werden. Der Problemlösungszyklus kann mehrmals durchlaufen werden. Die erforderlichen Werkstoffspezifikationen und Fertigungstoleranzen werden definiert und der Fertigungskette zugeordnet. Das Ergebnis ist ein konkreter Fertigungsplan für ein Produkt, dessen Eignung für eine existierende oder eine neue Anwendung validiert werden kann. Die Qualitätsanfor-

141

142


derungen an den Werkstofflieferanten und Weiterverarbeiter werden ebenso definiert wie die Leistungsfähigkeit und die Lieferbedingungen für das Produkt. Die Zusammenarbeit zwischen der Werkstoffwissenschaft, der Ingenieurwissenschaft und dem Marketing ist von größter Wichtigkeit für den Werkstoffauswahlprozess, die eine marktfähige Innovation – ein neues Produkt, eine Werkstoffsubstitution oder Fertigungsänderung – hervorbringen soll. 2.3.3 Materialeffizienz

Wie kann man alle existierenden Werkstoffe bezüglich unterschiedlicher Anforderungen bewerten? Zuerst muss die Bauteilfunktion mit den Werkstoffeigenschaften korreliert werden, um Kennwerte vergleichen zu können. Die Werkstoff-Datenbanken sowie die Datenblätter von Lieferanten sind für eine Vorauswahl zu unübersichtlich, um die unterschiedlichen Werkstoffe zu vergleichen. Ashby und seine Gruppe [7, 8] haben eine Methode zum grafischen Vergleich der Werkstoffeigenschaften entwickelt. Die Abb. 2.3.3 zeigt ein doppellogarithmisches Diagramm der Dehn- bzw. Streckgrenze der Werkstoffgruppen in Abhängigkeit der spezifischen Masse. Die

Abb. 2.3.3 Dehn- bzw. Streckgrenzen für unterschiedliche Werkstoffe in Abhängigkeit von deren Dichte mit den Hilfslinien der Materialeffizienz RDZ , RB , RP [18].


Werkstoffeigenschaften bilden sich näherungsweise als Ellipsen ab, mit der vertikalen Hauptachse als Streubereich der Festigkeit bei relativ geringer Variation der Dichte. Die Werkstoffgruppen können in Felder zusammengefasst werden. Die Ellipse der Titanlegierungen z. B., erstreckt sich über Dehngrenzewerte von 100 bis über 1000 MPa, abhängig von Legierungselementen und Wärmebehandlungen mit einem zugehörigen Dichtebereich von 4,4–4,6 g/cm3 . Wie nutzt man dieses Ashby-Diagramm? Werden Werkstoffe mit einer bestimmten Mindestfestigkeit gesucht, trägt man diese als Grenzlinien ein und die Werkstoffe, deren Dehngrenzen darüber liegen, stehen zur Auswahl. Zum Beispiel liegen über der horizontalen Linie bei 100 MPa die Metalle, die Hi-Tech-Keramiken und die Verbundwerkstoffe. Diese Grenze entspricht einer Anforderung, die wie folgt formuliert sein kann „Der Werkstoff soll bei 100 MPa Belastung weder plastisch verformen noch brechen.“ Je weiter links die Werkstoffe in Abb. 2.3.3 liegen, umso leichter sind sie: CFK sind die leichtesten Werkstoffe die > 100 MPa Festigkeit aufweisen. Polymerschäume, Holz und Leder sind noch leichter, aber erreichen nicht die geforderte Festigkeit. Die axiale Festigkeitsanforderung ist jedoch häufig nicht ausreichend für die Beständigkeit eines Werkstoffs in einer den Belastungen entsprechenden Gestalt. Die Frage ist: Wie gut erfüllt ein Werkstoff die Anforderung für eine spezifische Anwendung? Als zweites Beispiel zeigt Abb. 2.3.4 die E-Module der Werkstoffgruppen zugeordnet zu ihren Dichtebereichen in einem Diagramm mit doppellogarithmischen Achsen für Kunststoffschäume, Holz, Elastomere, Polymere, Verbundwerkstoffe, Legierungen, poröse Keramiken und Ingenieur-Keramiken. Die eingetragenen Hilfslinien entsprechen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von mechanischen Wellen (v) in den unterschiedlichen, monolithischen Materialien bei niedrigen Frequenzen. Die Schallgeschwindigkeit v hängt vom E-Modul (E) und der Dichte (ρ) des Materials ab:

v=

E ρ

(2.3.1)

Das heißt: Je höher E und je kleiner ρ eines Werkstoffs, desto schneller breitet sich die Welle in diesem Material aus. Für das doppellogarithmische Diagramm kann die Geschwindigkeit v umgeschrieben werden: E = ρv2 ⇒ log E = log ρ + 2 log v

(2.3.2)

Gleichung (2.3.2) entspricht einer Geradengleichung y = ax + b, wobei log E für y, log ρ für x steht und die Steigung a = 1 (eine Dekade auf jeder Achse). Die Ordinatenwerte bei ρ = 1 entsprechen Materialien mit der Dichte 1 mg/m3 , deren E-Modul E = v2 beträgt. Die Gleichung beschreibt eine Familie von Geraden mit der Steigung 1 für verschiedene Schallausbreitungsgeschwindigkeiten v bzw. der Quadratwurzel des spezifischen E-Moduls E/ρ. Je höher v und somit der spezifische E-Modul, desto mehr verschiebt sich die Gerade nach oben. Alle Werkstoffe, die auf einer Geraden gemäß Gl. (2.3.2) liegen, weisen den gleichen spezifischen

143

144


Abb. 2.3.4 Schematisches, doppellogarithmisches E-ModulDichte-Diagramm für unterschiedliche Werkstoffgruppen: Holz, Polymere, Legierungen, Keramiken und Verbundwerkstoffe mit Geraden verschiedener Schallausbreitungsgeschwindigkeit (= spezifischer E-Modul).

E-Modul auf: z. B. Holz in Faserrichtung, einige Verbundwerkstoffe, zellulare Keramik und die meisten Legierungen. 2.3.4 Methodologie

Wie können wir den Werkstoffauswahlprozess systematisieren? Ashby et al. [8] schlugen folgende Schritte vor: • Definition der Zielfunktion des angestrebten Nutzens des Bauteils, der zu maximieren oder zu minimieren ist: Energie, Kosten, Masse, Steifigkeit usw. • Entwickeln einer Gleichung (Gl. (2.3.3)) für diese Zielfunktion (P) in Abhängigkeit der funktionalen Anforderungen (F), der Geometrie (G) und der Werkstoffeigenschaften (W): P = f(F, G, W)

P=f

Funktionale Geometrische Werkstoff, , Anforderungen, F Parameter, G eigenschaften, W

(2.3.3)


• Identifizieren der Variablen der Zielfunktion: Anforderungen, Form, Eigenschaften. • Festlegen der Mindestanforderung wie Preisgrenzen, Lieferbarkeit, etc. (Randbedingungen Vorwort). • Einsetzen der Variablen in die Zielfunktion. • Separieren der Zielfunktion in die 3 Komponenten, wenn das möglich ist: P = f1 (F) · f2 (G) · f3 (W)

(2.3.4)

um jede für sich zu optimieren. f1 wird wesentlich vom Marktbedarf, dem Nutzen, bestimmt; f2 ist die Hauptaufgabe der Konstrukteure und Designer; beide Lösungswege hängen von der Werkstoffwahl f3 ab. Die unabhängigen Lösungen können dann iterativ kombiniert werden, um aus der Verknüpfung einen „innovativen Kompromiss“ zu finden. • Darstellung von f3 (W) für die Gebrauchseigenschaften verlangt nach der Definition der gebrauchsrelevanten Materialeffizienz, die maximiert werden sollen: M = f(W). Die Berücksichtigung der Form M = f(W, G) ist nicht nur für die effiziente Nutzung einer Gebrauchseigenschaft erforderlich, sondern auch aus der Wechselbeziehung zwischen Werkstoffauswahl und Formgebung. • Quantifizierung mit Hilfe von Datenbanken, Diagrammen oder Tabellen. Die Definition der Zielfunktion ist der Schlüssel für eine erfolgreiche Werkstoffauswahl. Die anforderungsgerechten Gebrauchsparameter und Randbedingungen sind im Allgemeinen mehrdimensional und meist widersprüchlich, sodass Prioritäten zu setzen sind: Preis und/oder Gewicht und/oder Volumen; was ist wie wichtig? Die funktionalen Anforderungen für Konstruktionswerkstoffe bestehen darin, eine spezifische thermo-mechanische Funktion zu erfüllen. Zum Beispiel: Eine Bühne darf sich nur unmerklich verformen, wenn sie durch das Gewicht von Darstellern belastet wird; ein Wärmetauscher soll eine gute Wärmeleitung aufweisen oder die Karosserie eines Autos soll die Insassen bei einem Unfall schützen. Darüber hinaus soll die Tragebühne architektonisch ansprechend aussehen, der Wärmetauscher rezyklierfähig sein, der PKW sportlich wirken. Neben diesen schwer zu quantifizierbaren Zielgrößen sind meist auch strikte Randbedingungen zu beachten: maximale Kosten, minimale Kennwerte, genormte Maße, ökologische Gebote oder protektionistische Gesetze und Regeln (z. B. Verbot von MetallmatrixVerbundwerkstoffen in Formel-1-Rennwagen) etc. 2.3.5 Steifigkeit und Masse

Die für Leichtbaukonstruktion wichtigste mechanische Eigenschaftskombination ist hohe Steifigkeit bei geringer Masse. Die Steifigkeit (S) ist abhängig vom Elastizitätsmodul (E) an der Geometrie (G) eines Bauteils und der Art der mechanischen Belastung. Der E-Modul gibt den Widerstand eines Werkstoffs gegen elastische

145

146


Abb. 2.3.5 Elastische Verformung Δl eines zylindrischen Stabs mit Querschnitt A und Länge l bei Einwirkung der Kraft F: (a) einachsige Zug-/Druckbelastung und (b) Biegung bei einseitiger Einspannung.

Verformung unter Zug- oder Druckbelastung an (siehe Abschnitt 2.1). Das Hooke’sche Gesetz σ = Eε ist gültig für elastische Dehnung (ε = Δl/l) eines Werkstoffs unter einachsiger Zug- oder Druckspannung (σ). Die Steifigkeit (S) bezieht sich auf eine elastische Verformung eines Bauteils und ist abhängig von dessen Geometrie und der Belastungsrichtung: die äußere Zugkraft (F) erzeugt eine elastische Verformung (ΔL) eines Bauteils mit dem Querschnitt A und der Länge l, sodass gilt: S=

F σ·A ε·A A = =E =E Δl Δl Δl l

(2.3.5)

Die Steifigkeit hängt nicht nur vom materialabhängigen E-Modul, sondern auch von der Geometrie ab, dem Verhältnis Querschnitt zu Länge. Die Problemstellung kann wie folgt formuliert werden: Ein Werkstoff für einen möglichst leichten Stab (Zielfunktion) mit bestimmter Steifigkeit (Anforderung) wird gesucht. Dieser Stab soll unter einer vorgegebenen Kraft (F) eine vorgegebene Verformung Δl nicht überschreiten. Daraus ergibt sich die Zielfunktion: minimale Masse (m) für eine gegebene Steifigkeit (S), die über die zugelassene elastische Verformung definiert ist. Abbildung 2.3.5 zeigt zwei Belastungsarten: einachsiger Zug und Biegung eines einseitig eingespannten, zylindrischen Stabs mit einer festgelegten Ausgangslänge (l) und wählbarem Durchmesser (d) bzw. Querschnitt (A). 2.3.5.1 Zug- bzw. Druckbeanspruchung Der Stab in Abb. 2.3.5a soll unter einachsiger Druck- oder Zugbelastung nur elastisch verformt werden. • Die Zielfunktion P kann so definiert werden:

P = m = V · ρ = A · l · ρ → Minimum

(2.3.6)

wobei V ist der Volumen, ρ die Dichte, und m die Masse ist, die minimiert werden soll. Die Steifigkeit SZ kann man als Funktion der Kraft (F) und


Verlängerung (Δl) wie in Gl. (2.3.5) beschreiben. Formt man Gl. (2.3.5) für einen variablen Querschnitt um, erhält man Gl. (2.3.7). A=

SZ · l E

(2.3.7)

• Identifizieren der Variablen und ihre Separation: Wird A von Gl. (2.3.7) in Gl. (2.3.6) ersetzt, bekommt man die Zielfunktion P in 3 Komponenten als Faktoren aufgespalten: m=

ρ SZ · l = f1 (F)f2 (G)f3 (W) · l · ρ = (SZ ) · (l2 ) · E E

(2.3.8)

wobei f1 die Anforderung einer gegebene Steifigkeit bedeutet, f2 die Geometrie gegeben durch die Länge l bei variablem Querschnitt A, und f3 der Gebrauchsparameter des Werkstoffs mit seinen Eigenschaften E-Modul und Dichte. • Für ein minimales Stabgewicht wird die Materialeffizienz MDZ = E/ρ, der spezifische E-Modul, maximiert. Das heißt, die Werkstoffe mit hohem E-Modul bei niedriger Dichte sind am besten geeignet. In Abb. 2.3.4 sind dies jene Werkstoffe, die sich durch möglichst hohe Schallgeschwindigkeit auszeichnen. Materialien, die auf einer Führungslinie mit gleichem spezifischem E-Modul liegen, sind gewichtsbezogen gleich effizient für achsiale, elastische Belastung. Tabelle 2.3.2 gibt einige Zahlenwerte dieser Materialeffizienz für Holz, Stähle, Leichtlegierungen, Verbundwerkstoffe und Kunststoffe bei der diskutierten Beanspruchung an. Die Werkstoffe können nach der Größe der M-Werte gereiht werden, um den günstigsten Werkstoff zu identifizieren. Stahl, Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen ergeben fast gleiche Materialeffizienz für einen Druck- bzw. Zugstab, d. h. sie haben bei gleicher Steifigkeit das gleiche Gewicht, aber natürlich unterschiedliche Querschnitte. Ein Stab aus unidirektional, mit hochmoduligen Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff (UD-CFK) ist am leichtesten, während einer aus Schaumstoff am schwersten würde. 2.3.5.2 Biegebeanspruchung Für einen einseitig eingespannten Stab unter Biegebelastung (Abb. 2.3.5b) kann man die Steifigkeit SB als Funktion der Kraft (F) und Auslenkung (Δl) gemäß Gl. (2.3.8) beschreiben. Die Auslenkung der Balkenspitze kann man als Funktion von E-Modul und Flächenträgheitsmoment (I) darstellen, das vom Querschnitt abhängig ist:

SB =

F · C1 · E · I F E·I l3 · SB = C1 · 3 ⇒ I = = Δl l C1 · E F · l3

(2.3.9)

Das Flächenträgheitsmoment I0 eines Rundstabs wird als Bezugsgröße verwendet: I = I0 =

π 4 A2 ·r = 4 4·π

(2.3.10)

147

5

6 100

10

6 60

1 1

Preisdivisor €/kg-Stahl

0,1

40/25 a 230/120 a

45

70 115

1 (0,02)

26 (2,6) 20 (3,3) 120 (1,2)

26 (4,3) 26 (0,4)

20 (20) 26 (26)

10/5,5 a 210

[GPa m3 ] Mg( € )

MDZ = E/ρ( € )

E-Modul [GPa]

Für Faserverbundwerkstoffe ist 0/90◦ -Fasergelege angenommen

0,1

Kunststoffschaum

a

1,7

2 1,9

2,7 4,5

Al-Legierung Titanlegierung

Mg-Legierung

0,5 8

Holz (Faserrichtung) Stahl

GFK (UD) CFK (UD)

Dichte ρ [Mg/m3 ]

Werkstoff

Tab. 2.3.2 Materialeffizienz MDZ für Druck/Zugstab, MB einseitig eingespannten Biegestab, MP kreisförmig unterstützte Platte; mit Kostenvergleich mit Stahl über den Preisdivisor in Klammern.

4 (8)

2 (5) 3 (4) 1 (6)

2 (3) 2 (7)

3 (2) 2 (1)

Druck

Reihung Zug,

3,2 (0,6)

3,9 (0,4) 3,2 (0,5) 8 (0,08)

3 (0,5) 2,3 (0,04)

6,3 (6,3) 1,8 (1,8)

[GPa1/2 m3 ] Mg( € )

MB = E1/2 /ρ ( € )

4 (3)

3 (6) 4 (4) 1 (8)

5 (5) 6 (7)

2 (1) 7 (2)

balken

Reihung Biege-

4,7 (0,9)

2,1 (0,2) 1,5 a (0,25) 2,5 a (0,02)

1,5 (0,25) 1,1 (0,02)

3,5 a (3,5) 0,7 (0,7)

[GPa1/3 m3 ] Mg( € )

MP = E1/3 /ρ ( € )

1 (2)

4 (5) 5 (4) 3 (6)

5 (4) 6 (7)

2 (1) 7 (3)

biegung

Reihung Platten-

148



Der belastete Querschnitt ergibt sich aus Gl. (2.3.10) mit der Substitution des Flächenträgheitsmoments aus Gl. (2.3.9). 4 · π · l 3 · SB 1 A = · ⇒A= C1 E 2

4 · π · l3 · SB 1 ·√ C1 E

(2.3.11)

Wenn man A von Gl. (2.3.11) in Gl. (2.3.6) einsetzt, bekommt man die Zielfunktion P in den 3 Faktoren f1 , f2 und f3 :

m=

4 · π · l5 · SB ρ √ = 2 SB C1 E

π · l5 ρ C1

√

E

= f1 (F)f2 (G)f3 (W) (2.3.12)

In diesem Fall wird ein minimales Gewicht erreicht, wenn die Materialeffizienz √ MB = E/ρ maximal ist, was sich von der Materialeffizienz bei Zug-/Druckbelastung unterscheidet. Eine am Umfang eingespannte, kreisförmige Platte, die in der Mitte senkrecht elastisch belastet ist, wird bei gleicher Steifigkeit (gleicher Durchbiegung) am leichtesten sein, wenn die Materialeffizienz MP = E1/3 /ρ [1] maximal ist. Die Tabelle 2.3.2 vergleicht die Materialeffizienz für einen Biegebalken, der aus UD-CFK am leichtesten wird, knapp gefolgt von Holz in Faserrichtung. Unter den Metallen zeigt sich der Vorteil der Leichtmetalle, die für Biegebeanspruchung besser geeignet sind als Stähle und ähnliche Materialeffizienz erreichen wie Glasfaser verstärkte Kunststoffe (UD-GFK). Eine übersichtliche Methode zur Bewertung der Werkstoffe ermöglichen die doppellogarithmischen Ashby-Diagramme [8], in denen die Materialeffizienz als Schar paralleler Geraden dargestellt wird. Je höher diese Gerade liegt, umso höher ist die Materialeffizienz der zugehörigen Materialien. Die Materialeffizienz M, die für eine gegebene Steifigkeit bei minimalem Gewicht des Bauteils maximal sein soll, kann für einen allgemeinen Fall als Funktion des E-Moduls und der Dichte dargestellt werden: M=

En ρ

(2.3.13)

n = 1 für Zug und Druck, n = 1/2 für Biegung eines einseitig eingespannte Stabs, und n = 1/3 für die Druckbiegung einer allseitig eingespannten Platte. Gleichung (2.3.13) kann analog zu Gl. (2.3.5) zu einer Geradengleichung umgeschrieben werden. E = (ρ · M)1/n ⇒ log E =

1 1 log ρ + log M n n

(2.3.14)

Gleichung (2.3.14) beschreibt eine Familie von Geraden mit einer Steigung von 1/n, d. h. 1 für Druck-Zugstab, 2 für einen Biegestab, und 3 für eine Biegeplatte. Jede Gerade verbindet Werkstoffe mit gleicher Materialeffizienz bezüglich Steifigkeit im Leichtbau. Die Gerade mit höherem Ordinatenabschnitt entspricht größerem M, größerer spezifischer Steifigkeit. Die Hilfslinien für Leichtbau sind in

149

150


Abb. 2.3.6 Ashby-Diagramm: E-Modul der Werkstoffe in Abhängigkeit von ihrer Dichte mit Hilfslinien für gleiche Materialeffizienz für Druck-/Zugstab, Biegebalken und Druckbiegung einer Platte. M steigt in Pfeilrichtung [6].

Abb. 2.3.6 für Zug-Druckbelastung, Biegung eines Stabs und Durchbiegung einer Platte eingetragen. Diese grafische Methode erlaubt einen schnellen und einfachen Vergleich der Materialeffizienz der Werkstoffe. Die Hilfslinien mit einer Steigung von 2 (entsprechend Biegung eines Stabs) sind parallel nach oben verschoben, bis der letzte Werkstoff getroffen wird, in unserem Fall CFK. Damit lässt sich feststellen, dass CFK, UD mit dicht gepackten, hochmoduligen C-Fasern verstärkt (siehe Abschnitt 2.2), für einen leichten Biegebalken optimal ist, aber knapp gefolgt von Balsaholz in Faserrichtung und theoretisch gleichwertig mit Be und Diamant. Für die Durchbiegung einer Platte ist ein isotroper E-Modul angenommen, was weder für Holz noch für faserverstärkte Verbundwerkstoffe gilt. In Tabelle 2.3.2 ist für Platten aus diesen Werkstoffen ein 0/90◦ Verbund angenommen (Werte mit a), was die Steifigkeit vermindert.


Abb. 2.3.7 Ashby-Diagramm: Bruchzähigkeit der Werkstoffe in Abhängigkeit von ihrer Dichte mit Hilfslinien für gleiche Materialeffizienz C für verschiedene Belastungsarten [6].

2.3.5.3 Fest und leicht Die Materialeffizienz für die Anforderungen fest und leicht oder bruchzäh und leicht kann mit analogen Ashby-Diagrammen bewertet werden (Abb. 2.3.7). 2.3.5.4 Beanspruchung im elastischen Bereich – Elastizitätsgrenze Für statisch stabile Konstruktionen können die Werkstoffe maximal bis zur Elastizitätsgrenze (siehe Abschnitt 2.1) belastet werden: für ferritische und martensitische Stähle bis zur Streckgrenze, für andere Metalle und Polymere bis zur Dehngrenze. Diese Kenngröße ist für diese Werkstoffe normalerweise in Zug- und Druckbelastung nach dem Absolutbetrag gleich. Keramiken hingegen, weisen unter Druck oft mehr als die 10-fache Festigkeit als in Zugbelastung auf (siehe Abschnitt 2.1). Für Elastomere gilt die Reißfestigkeit als Auslegungsgrenzwert. Die doppellogarithmische Darstellung der Festigkeitsbereiche der Werkstoffe in Bezug zu ihrer Dichte zeigt Abb. 2.3.3. Im Gegensatz zum E-Modul hängt die Festig-

151

152


keit einer Werkstoffgruppe von der Zusammensetzung und der Verarbeitungsgeschichte ab. Die Materialeffizienz für die maximal zulässige Spannung ohne plastische Verformung bezogen auf das Gewicht der Körpers lässt sich analog zur Steifigkeit ableiten [1, 8]: RDZ =

σf ρ

für einen Zug/Druckstab

2/3

RB =

σf

ρ

für einen einfachen Biegebalken

1/2

RP =

σf

ρ

für eine kreisförmige Platte

M nach Gl. (2.3.13) liefert die Materialeffizienz für die elastische Verformung, während sich R auf die im elastischen Verformungsbereich maximal zulässige Spannung bezieht. Die Hilfslinien für die Materialeffizienz R sind in Abb. 2.3.3 eingetragen. Die Optimierung für den Leichtbau sucht wieder Werkstoffe bzw. Werkstoffzustände, die in Richtung links oben zu finden sind. 2.3.5.5 Versagen – bruchzäh und leicht Aus Gründen der Betriebssicherheit sind statisch belastete Konstruktionen auch nach der Bruchzähigkeit der Werkstoffe auszulegen, um Spaltbruch zu verhindern. Die Bruchzähigkeitskennwerte KIc (siehe Abschnitt 2.1) der Werkstoffe bedeuten den linear elastisch, maximal zulässigen Spannungsintensitätswert und sind ein Maß ihrer Energieaufnahmefähigkeit bei Versagen. Die Bruchzähigkeit von Metallen und Verbundwerkstoffen ist relativ hoch im Vergleich zu Keramiken, Holz quer zu Maserung und Kunststoffen. In Abb. 2.3.8 sind die Bruchzähigkeitswerte KIc gemäß linear elastischer Bruchmechanik einiger Werkstoffgruppen und Werkstoffe ihren Dichtewerten in doppellogarithmischer Darstellung zugeordnet. Analog zur Festigkeit kann die Materialeffizienz für Bruchzähigkeit C für verschiedene Belastungsarten abgeleitet werden, was folgende Beziehungen ergibt [1, 8]:

CDZ = KIc /ρ

für einen Zug/Druckstab

CB =

2/3 KIc /ρ

für einen einfachen Biegebalken

CP =

1/2 KIc /ρ

für eine kreisförmige Platte

Die entsprechenden Hilfslinien gleicher Materialeffizienz sind in Abb. 2.3.8 eingetragen. Es gilt auch hier: Je zäher und leichter, desto weiter links oben ist der Werkstoff zu suchen. Der Bereich KIc > 10 MPa m1/2 kann auch Plastifizierung bedeuten, weshalb dieser Bereich nur zur Orientierung dient. Faserverbundwerkstoffe liegen hier für viele Belastungsarten im Spitzenfeld. Metalle sind den Keramiken bezüglich spezifischer Bruchzähigkeit überlegen.


Abb. 2.3.8 Doppellogarithmische Darstellung E-Modul zu Dichte für Werkstoffkategorien [6] mit den Hilfslinien gleicher Materialeffizienz für leichte Biegebalken und deren Verschiebung nach links oben durch die Berücksichtigung des Formfaktors. Ein Beispiel zeigt die Erhöhung der Materialeffizienz eines Werkstoffes von ΦM B = 1 durch Erhöhung auf 10 mittels E∗ und ρ∗ nach Gl. (2.3.21) [6].

2.3.5.6 Leicht und billig Der Preis eines Produkts stellt ein wesentliches Marktkriterium dar. Die Werkstoffkosten müssen bei der Auswahl berücksichtigt werden, um leichte Bauteile auch kostengünstig herstellen zu können. Zu diesem Zweck kann z. B. auf der Basis des Materialpreises/kg ein Preisdivisor eingeführt werden, der das Verhältnis zwischen dem massebezogenen Preis eines Werkstoffs zum kg-Preis des Baustahls angibt (Tabelle 2.3.2). Wird eine Materialeffizienz durch den Preisdivisor des Werkstoffs dividiert, so wird sie auf dessen Preis bezogen, d. h. man erhält ein relatives Maß, um wie viel ein Gebrauchsparameter eines Werkstoffs teurer ist gegenüber dem gleichen bei Stahl. Gesucht ist ein Werkstoff der beispielsweise einen Biegebalken bestimmter Steifigkeit möglichst leicht und billig macht. Tabelle 2.3.2 vergleicht die Reihung der Werkstoffe für einen einseitig eingespannten Biegebalken bestimmter Steifigkeit nach der Materialeffizienz ohne und mit Werkstoffpreisbezug (Klammerausdrücke). Der Preisdivisor verändert die Reihung der Werkstoffe für einen leichten Biegebalken beträchtlich. Jetzt ist Holz die erste Wahl, gefolgt von Stahl, der ohne Berücksichtigung des Preises eher die letzte Wahl ist. Hingegen fällt nun CFK wegen des hohen Preises auf den letzten Platz.

153

154


In diesem Beispiel wurden die Anforderungen leicht und billig gleich gewichtet. Normalerweise muss man aber verschiedene Anforderungen mit Prioritäten bewerten und die Gebrauchsparameter mit Gewichtsfaktoren versehen. 2.3.6 Geometrie

Bis jetzt wurden Prüfkörper einfacher Geometrie gewählt, ein massiver Rundstab oder eine kreisförmige Platte. Die Erfüllung von Anforderungen kann auch mittels Bauteilgeometrie unterstützt werden. Für einachsige Zug- oder Druckbelastung wird die Last auf den Bauteilquerschnitt – unabhängig von dessen Form – gleichmäßig verteilt. Das ist für Biegung oder Torsion nicht mehr der Fall. Der Formfaktor (φ) ist eine dimensionslose Zahl, die den Widerstand einer Querschnittgeometrie gegen Verformung bei bestimmten Belastungen unabhängig vom Maßstab charakterisiert. Der Formfaktor φM für Steifigkeit beziehungsweise φR für die Festigkeit wird für die Biegebelastung eines einseitig eingespannten Balkens betrachtet. Der Formfaktor φM B für die Biegesteifigkeit setzt das Flächenträgheitsmoment eines Querschnitts zu dem eines Rundstabs in Beziehung: 0 ΦM B = I/I

φM B =

I0 = A2 /4π

4·π·I 0 SB = ΦM B · SB A2

(2.3.15)

wo I das Flächenträgheitsmoment einer Geometrie, und I0 für einen Kreisquerschnitt ist. SB und S0B stehen für die entsprechenden Biegesteifigkeiten. Tabelle 2.3.3 zeigt die Formfaktoren für Biegesteifigkeit und -festigkeit für einfache Balkenquerschnitte. Je dünner die Wanddicke und je größer der Durchmesser ist, beispielsweise eines Rohres, desto höher wird der Formfaktor. Wie beeinflusst der Formfaktor die Zielfunktion sowie die Materialeffizienz? Beim Biegebalkenbeispiel kann Gl. (2.3.15) in Gl. (2.3.9) eingesetzt werden. I = φI0 = φ

π 4 A2 ·r =φ 4 4·π

(2.3.16)

Analog zu Gl. (2.3.11) kann der belastete Querschnitt dargestellt werden:

A=

1 4 · π · l3 · SB · C1 φM BE

(2.3.17)

Zu der Zielfunktion P zur Minimierung der Masse kann der querschnittsabhängige Faktor √1 M in die Materialeffizienz einbezogen werden. φB

m= A·l·ρ=

4π · l5 · SB ρ = 2 SB C1 φM B ·E

π · l5 C1

ρ φM B ·E

(2.3.18)

2.3 Werkstoffauswahl Tab. 2.3.3 Formfaktoren für Biegesteifigkeit und Biegefestigkeit in Abhängigkeit vom Balkenquerschnitt. Balkenquerschnitt

Biegesteifigkeit φM B

Biegefestigkeit φRB

1

1

π = 1,05 3

4π = 1,40 9

a b

a b

πh 3b

4π h 9 b

2π √ = 1,21 3 3

π √ = 0,60 3 3

r t

2r t

πb 6 t

4π b 9 t

a (1 + 3b/a) t (1 + b/a)2

a (1 + 3b/a)2 t (1 + b/a)3

Die Materialeffizienz f3 (W), die maximal sein soll, wird

MφB

=

φM B ·E ρ

(2.3.19)

Das heißt: Je größer der Formfaktor, desto größer die Materialeffizienz. Aber dieser Formfaktor ist nicht unbegrenzt wählbar, sondern ist vom Formgebungsverfahren abhängig, das auf den Werkstoff anwendbar ist. Tabelle 2.3.4 listet beispielhaft Formfaktoren für Rohre auf, die aus den angegebenen Werkstoffen herstellbar sind. Eine Rohrgeometrie ist aus Konstruktionsholz schwer realisierbar, aber für einen Balken lässt sich der Formfaktor 2,5 umsetzen (Tabelle 2.3.3). Aus geschweißten Blechen sind dünnwandige Rohre gut herstellbar, insbesondere aus Stahl, womit hohe Formfaktoren erzielbar sind. Bei dünnwandigen Rohren und Rohren aus faserverstärkten Kunststoffen ist die Belastbarkeit durch Beulversagen

155

6 3 4

2,3 3,9 3,2 8 3,2

Titanlegierung Mg-Legierung

GFK (UD)

CFK (UD) Kunststoffschaum

1 4

7 5

1,8 3

2

6,3

Biegebalken

[GPa1/2 m3 /Mg]

Stahl Al-Legierung

Reihung

MB = E1/2 /ρ

Holz (Faserrichtung)

Werkstoff

5 3

5

10 7

40 10

2,5

Formfaktor

Herstellbarer

2 mm 3 mm

2 mm

1 mm 1,5 mm

0,25 mm 1 mm

4 mm

r = 10 mm Wanddicke t

z. B. Rohre

18 6

7

7 10

11 10

10

[GPa1/2 m3 /Mg]

(EΦ)1/2/ρ

1 5

4

4 3

2 3

3

Formfaktor

Reihung mit

Tab. 2.3.4 Materialeffizienz einiger Werkstoffe für einen leichten Biegebalken erhöht durch den entsprechenden, erzielbaren Formfaktor eines Rohres.

156



begrenzt (siehe Abschnitt 1.2). Tabelle 2.3.4 zeigt die Reihung einiger Werkstoffe, nach dem Gebrauchsparameter Biegesteifigkeit eines Vollstabs (Formfaktor 1, wie Tabelle 2.3.2) und vergleicht diese mit der Materialeffizienz, die mit den jeweiligen Formfaktoren erzielbar sind. Unidirektionale CFK stellen wieder die steifste Werkstoffwahl dar, diesmal gefolgt von Stahl, danach Holz und die Leichtmetalle Al und Mg. Das Stahlrohr wird jedenfalls die preisgünstigste Lösung, wenn der Preisdivisor angewandt wird. Wie kann der Formfaktor in den Ashby-Diagrammen berücksichtigt werden? Abbildung 2.3.8 zeigt wieder das doppellogarithmische Diagramm E-Modul über Dichte für die Werkstoffkategorien und die Hilfslinie für einen leichten Biegebalken. Gleichung (2.3.18) kann umgeschrieben werden: √ φM E/φM E∗ B ·E B MφB = = = (2.3.20) M ρ ρ∗ ρ/φB ∗ M Mit den auf den Formfaktor bezogenen Eigenschaften E∗ = E/ΦM B und ρ = ρ/ΦB , die als neue Variable in das Diagramm eingetragen werden können, z. B. für Formfaktor 1–10 in Abb. 2.3.8. Die formspezifische Materialeffizienz

MφB

für ΦM B = 10

ist größer als MB , und verschiebt die Hilfslinie gleicher Materialeffizienz nach links oben. Somit sind Gewicht und Steifigkeit beispielsweise eines Mg-Rohrs gleichwertig mit einem Holzbalken und besser als viele, massive Verbundwerkstoffstäbe. 2.3.7 Beispiel der Werkstoffauswahl für einen Fahrradrahmen

Der Cambridge Engineering Selector, CES [10] wurde für PC entwickelt, mit dem die Werkstoffsauswahl nach dem ausgeführten Prinzip computerunterstützt durchgeführt werden kann. Die schrittweise Werkstoffauswahl wird am Beispiel eines Fahrradrahmens dargestellt. CES ist aus 3 Datenbanken aufgebaut: (1) Werkstoffe, (2) Werkstoffeigenschaften der Werkstoffkategorien, (3) Eigenschaftsprofile konkreter Werkstoffe. Ausgehend vom Konstruktionsvorschlag eines Trapezrahmens sei die wesentlichste Zielfunktion wie folgt formuliert: hohe Biegesteifigkeit, hohe Festigkeit und ausreichende Zähigkeit bei geringem Gewicht. Somit Sind die Materialeffizienzen MφB mit Berücksichtigung des Formfaktors, RB und C zu vergleichen. Um einen großen Marktanteil zu erreichen, wird die Randbedingung für eine preisgünstige Lösung hinzugefügt. • Anforderung A: Minimales Gewicht bei hoher Biegesteifigkeit Dafür benutzt man zuerst das E-Modul-Dichte-Diagramm für die Werkstoffkategorien gemäß Abb. 2.3.9 mit dem der Materialeffizienz MB = E1/2 /ρ gemäß Gl. (2.3.10).

157

158


Abb. 2.3.9 Ashby-Diagramm: E-Modul der Werkstoffkategorien in Abhängigkeit von ihrer Dichte mit Hilfslinien der Materialeffizienz für leichte Biegebalken [17].

• Anforderung B: Ausnutzen der Formgebung zur Erhöhung der Biegesteifigkeit Möglichst hohes Flächenträgheitsmoment ist für die Langprodukte gesucht, aus denen der Rahmen zusammengesetzt wird. Der Geometriefaktor wird in die Zielfunktion einbezogen mittels des Formfaktors ΦM B nach Gl. (2.3.15) und Tabelle 2.3.2, sodass Gl. (2.3.20) die geometriekombinierte Materialeffizienz ergibt. • Anforderung C: Preisgünstig Das Fahrrad soll für die alltägliche Nutzung, also für einen breiten Markt angeboten werden. Diese Randbedingung wird mit der technischen Materialeffizienz kombiniert, indem durch den Preisdivisor dividiert wird (siehe Tabelle 2.3.2). So werden die Anforderungen Biegesteifigkeit der herstellbaren Querschnitte der Langprodukte bei minimalem Gewicht mit den Kosten hierfür gewichtet. Abbildung 2.3.10 zeigt die Ergebnisse mittels Hilfslinien nach Division der Gl. (2.3.18) durch den massebezogenen Preisdivisor. Die Bezugslinie durch das Feld „Holz in Faserrichtung“ ist eingetragen. In Abb. 2.3.10 sind nur mehr jene Werkstoffe dargestellt, die eine höhere Materialeffizienz Biegesteifigkeit/Preis aufweisen als Holz.


Abb. 2.3.10 E-Modul/Formfaktor für die biegebeanspruchten Werkstoffe in Abhängigkeit von (Dichte Preis/kg)/Formfaktor. Die Materialeffizienz für Holz ist als Hilfslinie eingetragen: (a) Gesamtüberblick, (b) Werkstoffe mit höherer, kostenbezogener Materialeffizienz als Holz [18].

159

160


Abb. 2.3.11 (a) Dehn- bzw. Streckgrenzen und zugehörige Dichte der nach preisgünstiger Biegesteifigkeit ausgewählten Werkstoffe (Abb. 2.3.10b) mit den Hilfslinien der Materialeffizienz für Druck-/Zug- und Biegebeanspruchung, (b) E-Modul/ Formfaktor vs. Dichte · Preis/Formfaktor mit den Werkstoffen, die über der Hilfslinie für Holz in (a) noch verbleiben [18].


• Anforderung D: fest und leicht Gemäß Abschnitt 2.3.5.1 können die Materialeffizienzen für Druck-/Zugund Biegebeanspruchung als Auswahlkriterium herangezogen werden (Abb. 2.3.11a, M = 3/2). Mit den nach preisgünstiger Steifigkeit ausgewählten Werkstoffen ergibt sich Abb. 2.3.11b. Nach dieser Anforderung werden Elastomere und die Keramiken aus der Werkstoffauswahl ausgeschlossen. • Anforderung E: Sicherheitsschranke bei Versagen Die Bruchzähigkeit der einsetzbaren Werkstoffe soll mit KIc > 20 MPa m1/2 begrenzt sein. Somit scheiden nicht nur Keramiken, sondern auch Holz, Polymere und Gusslegierungen aus. Die Materialeffizienz für Bruchzähigkeit soll sowohl für Zug-, Druck-, Biege- und Torsionsbeanspruchung eines leichten Balkens erfüllt sein. Die Werkstoffe, die den vorgegebenen Grenzwert der Bruchzähigkeit überschreiten, können mittels der Materialeffizienzen CDZ und CB gemäß Abschnitt 2.3.5.2 bewertet werden. Die Werkstoffauswahl gemäß Anforderungen A–D wird in Abb. 2.3.12 hinsichtlich der Materialeffizienz „bruchzäh und leicht“ bewertet. Von den Werkstoffen mit ausreichender Bruchzähigkeit weisen nur mehr hochwertige Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe sowie Stahl und hochfeste Ti- und Al-Knetlegierungen hohe Materialeffizienz nach Zähigkeit auf.

Abb. 2.3.12 Bruchzähigkeit und zugehörige Dichte der Werkstoffe, die Anforderungen A–D erfüllen, mit den Hilfslinien der Materialeffizienz für Druck-Zug- und Biegebeanspruchung [18].

161

162


• Anforderung F: Werkstoff muss rezyklierfähig sein CES [11] enthält Auswahlkriterien für die Rezyklierfähigkeit der Werkstoffe, die von den Verbundwerkstoffen nicht ausreichend erfüllt werden. Angewandt auf die bisher ausgewählten Werkstoffgruppen ergeben sich durch Einsatz der Eigenschaftsprofildatenbank konkrete Legierungen, die in Abb. 2.3.13 im Diagramm der preisbezogenen spezifischen Steifigkeit dargestellt sind. Daraus ergibt sich für die Erfüllung der ausgeführten Anforderungen folgende Endreihung der Werkstoffe: – niedriglegierte Stähle, – Aluminiumlegierungen: Knetlegierungen 3xxx und 5xxx, – hochfeste Aluminiumlegierungen: Knetlegierungen 2xxx, 7xxx, – rostfreie Stähle, – Zinklegierungen: Zink-Aluminiumlegierung, Zink-Kupferlegierung, – GFK: Epoxid und Phenolharz-Matrix. • Die in der Einleitung angeführten Werkstoffvarianten (Abb. 2.3.1) unterscheiden sich gegenüber diesem Ergebnis dadurch, dass der Bambusrahmen die Zähigkeitsanforderungen nicht erfüllt und der CFK-Rahmen aus Kostengründen ausgeschieden wurde.

Abb. 2.3.13 E-Modul/Formfaktor für die ausgewählten Werkstoffe in Abhängigkeit von Dichte/Formfaktor mit der Hilfslinie der Biegesteifigkeit [18].


2.3.8 Beispiel multipler Anforderungen eines Otto-Motors 2.3.8.1 Zielgrößen für Verbrennungsmotor Die wichtigsten Zielsetzungen für Verbrennungsmotoren und deren Herstellung sind in Tabelle 2.3.5 angeführt. Diese sind nach ihrer Bedeutung für das Gesamtfahrzeug und seine Marktfähigkeit gewichtet, wobei 5 am wichtigsten bedeutet. Der Zusammenhang der Ziele mit den Eigenschaften der Motorwerkstoffe ist durch qualitative Begriffe und Kennwertsymbole angegeben, die in Tabelle 2.3.6 erläutert sind. Ein kleinerer Motor erlaubt die Fahrzeuggröße und das Gesamtgewicht zu verringern, aber bei leistungsmäßig ausgereizten Motoren kann eine Leistungssteigerung nur durch eine Hubraumvergrößerung erreicht werden. Eine Abnahme der Wandstärken der Zylinderwände ist sowohl eine Herausforderung an das Herstellverfahren als auch an die Bauteilfestigkeit. Die Zielsetzungen beziehen sich somit nicht nur auf den Bauteil, sondern auf das ganze Fahrzeug. Welche Werkstoffkennwerte können als Maß für die unterschiedlichen Anforderungen herangezogen werden? Tabelle 2.3.6 [9] zeigt eine Vielzahl von Werkstoffkenngrößen, die – soweit möglich – als Materialeffizienz kombinierter Kenngrößen gemäß [1] dargestellt und durch die entsprechende Belastung des angeführten Beispiels beschrieben sind. Die zugehörige Ausprägung bezieht sich auf die in Tabelle 2.3.5 angeführten Zielsetzungen. Die Tabelle 2.3.6 ist unterteilt nach den Anforderungen für den Zylinderblock und den Zylinderbereich (gegebenenfalls Zylinderlaufbüchse). Die in Tabelle 2.3.6 auf die Werkstoffe übertragenen Anforderungen haben unterschiedlich große Auswirkungen auf die Gebrauchseigenschaften des Motors, was eine Tab. 2.3.5 Zielgrößen für Verbrennungsmotoren, Gewichtung und Zuordnung der Werkstoffeigenschaften. Zielgrößen im Motorenbau

Gewichtung

Werkstoffbezug

Reduzieren des Gewichts

4

Leichtbau, Leichtmetalle

Zuverlässigkeit

5

Erhöhen des Zünddrucks/Verdichtung

4

R∗m λ/E∗ α, Schadenstoleranz, Verschleiß Rp0,2 /ρ, σw /ρ, KIc , σ1%,5000 h(300 °C) Datenzuverlässigkeit

Verringern des Entwicklungszeitraums

3

Reduzieren der Baulänge und -höhe

3–4

Rp0,2 /ρ, σw /ρ, KIc , σ1%,5000 h(100 °C) , E/ρ α, Oberfläche für stabilen Öl-Film

Geringere Emissionen

3–4

Herstellungskosten, Qualitätssicherheit

5

Gießverfahren, Integration von Bauteilen

Rezyklierfähigkeit

4

Rezyklierfähige Legierungskombinationen

163

Entsprechende Anorderung

Biegesteifigkeit/Masse Dehn-/Drucksteifigkeit/Masse Zugfestigkeit/Masse thermisch induzierte Spannung Wärmeleitfähigkeit/Ausdehnung (Temperaturgradienten) Dauerwechselfestigkeit/Masse Thermoschockbeständigkeit (elastisches Anpassungsvermögen) Bruchzähigkeit kritische Risslänge bei erhöhter Temperatur Korrosionsbeständigkeit akustische und mechanische Vibration Zeitdehngrenze 1% nach 5000 h bei 100 °C (Kriechbeständigkeit) Masse des Blocks

zylindrische Dehnsteifigkeit/Masse spezifische Warmfestigkeit Zeitdehngrenze 1% nach 5000 h bei 300 °C (Kriechbeständigkeit) Temperaturausgleich Beständigkeit gegen Korrosion durch Feuchtigkeit und Abgase Maß für abrasiven Verschleißwiderstand Bildung und Haftung von Schmierfilm Bruchzähigkeit (Bruchdehng.) –30–300 °C Masse der Büchse gesamte Masse des Verbunds

Materialeffizienz

Zylinderblock E1/2 /ρ E/ρ Rp0,2(100 °C) /ρ Eα (Ausdehn.-koeff.) λ (Wärmeleitfähigkt.)/α σw /ρ Rm λ/Eα KIc KIc /Rp0,2(100 °C) Korrosion Dämpfung σ1%,5000 h(100 °C) Masse

Büchse E/ρ Rp0,2(300 °C) /ρ σ1%,5000 h(300 °C) λ/α Korrosionsresistenz Härte, Verschleißrate Benetzbarkeit KIc(–30/+300 °C) , Au Masse Masse gesamt

Block mit Büchsen

genaue Kolbenführung Zünddruck thermozykl. Kriechen Kühlung nasse Laufbüchse/Kondensat innen System Kolbenring + Lauffläche mit Schmiermittel hydrodynamische Schmierung Rissunempfindlichkeit

Biegemomente Kurbelwellenhauptlager Zylinderkopfverschraubung Warmlauf thermische Stabilität Zylinderkopfverschraubung beim Starten instabiles Risswachstum Kurbelwellenhauptlager Kühlwasser gesamtes Bauteil Dichtungs-/Verschraubungsbereich Primärgewicht

Wirkung/Beispiel

Tab. 2.3.6 Werkstoffkenngrößen, Materialeffizienz für typische Belastungen des Zylinderblocks und der Zylinderlauffläche, sowie gewünschte Ausprägung.

groß groß groß groß groß groß groß groß klein klein

groß groß groß klein groß groß groß groß groß groß groß groß klein

Ziel

164



Gewichtung der Werkstoffkenngrößen erfordert. Von größter Wichtigkeit sind die spezifische Dauerwechselfestigkeit des Blockwerkstoffs, der Laufflächenverschleiß und die Masse des Verbunds Block und Büchse. 2.3.8.2 Werkstoffvergleich Aufgrund des technischen Wissenstands ist es nicht erforderlich, die gesamte Palette der verfügbaren Werkstoffe nach deren Materialeffizienz zu bewerten. Die komplexe Form eines Kurbelgehäuses ist rationell nur durch Gießverfahren herstellbar. Die thermische Beanspruchung schließt Kunststoffe aus, die erforderliche Bruchzähigkeit die Keramik. Aus Kostengründen kommen Nickel- und Kupferlegierungen nicht in Betracht. Die dafür in Frage kommenden Legierungsgruppen sind Grauguss-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen, aus denen spezifische Beispiele [10] anhand konkreter Kennwerte und Daten verglichen werden: GG 25 und GGV 500, AlSi8(9)Cu3 und AlSi17Cu4Mg und AZ91 (siehe Abschnitt 2.1). Die Separation der Anforderungen an Zylinderblock und an Zylinderlauffläche (Tabelle 2.3.6) eröffnet die Möglichkeit einer Lösung mittels eines Werkstoffverbunds. Es können Zylinderlaufbüchsen, die die erforderliche Verschleißresistenz und Ölfilmstabilität erreichen, in den Al- oder Mg-Zylinderblock eingegossen werden, der diese Anforderungen nicht erfüllen muss. Es ist bekannt, dass Grauguss und Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) Anforderungen an Zylinderlaufflächen erfüllen können. In Graugusszylinderblöcke und übereutektische Al-Si-Legierungen brauchen keine separaten Büchsen eingegossen werden. Es wird eine Möglichkeit des Werkstoffvergleichs dargestellt, bei dem die Gesamtheit der Anforderungen berücksichtigt wird. In Tabelle 2.3.7 sind die wesentlichsten Materialeffizienzen gemäß Tabelle 2.3.6 für die ausgewählten Legierungen angeführt, wobei ein Streubereich zwischen minimalem und maximalem Kennwert angegeben ist. Basierend auf der gewünschten Ausprägung (Tabelle 2.3.6), ist das jeweilige Optimum fett markiert. Dieser Wert erhält die Bestnote 5, die anderen werden relativ dazu berechnet (linker Teil der Spalten). Die skalierten Werte (zwischen 0 und 5) werden mit den Gewichtungen multipliziert und für jeden Werkstoff addiert. Die sich ergebenden, gewichteten Summen haben zwar keine absolute Aussagekraft, sind jedoch für einen Vergleich der Werkstoffe ausreichend. • Der große Vorteil von Grauguss ist seine gute Dämpfung, die büchsenlose Einsatzmöglichkeit und seine hohen Festigkeiten, nachteilig sind sein hohes Gewicht und seine geringe spezifische Steifigkeit [11]. In der technischen Bewertung nach Tabelle 2.3.7 nimmt er mit 72–99 Punkten den letzten Rang ein. • Untereutektische Al-Si-Legierungen haben im Gegensatz dazu eine weitaus geringere Masse, eine gute Wärmeleitfähigkeit und hohe spezifische Steifigkeiten. Gegenüber GG sind geringere Festigkeiten, geringe Verschleißbeständigkeit und Dämpfung nachteilig. In der technischen Bewertung nach Tabelle 2.3.7 nehmen sie mit 104–131 Punkten den zweiten Rang ein. • Übereutektische Al-Si-Legierungen weisen neben den Vorteilen der untereutektischen auch hohe Verschleißfestigkeit auf und sind für den büchsen-

165

10 0,01 3

1,2 4,5

2,7 1,6

2,3

1,4 3

72

MPa m3 /kg 10–6 /K GPa

106 W/m MPa m3 /kg

106 W/m

– Noten

Rp0,2 /ρ Eα λ/α σw /ρ

Rm λ/Eα

Dämpfung Korrosion

Gewichtete Summe

4,1 12,7

21,3 1210

14,5

2,4

1,43

1,8

GPa m3 /kg

E/ρ

99

5 3

3,5

3,4 2,1

2,1 3,6

2,7

1,9

GG25

GPa1/2 m3 /kg

Min

E1/2 /ρ

Kenngrößen

Materialeffizienz und

0,035 3

15,7

5,3 16,7

35,3 1534

16,4

1,51

Max

104

1 4

2,9

3,4 3,2

2,3 3,7

4,2

3,9

0,007 4

12.7

5,24 25,5

40 1470

25,5

131

3,6 5

3,9

4 3,9

3,4 3,7

4,3

3,9

AlSi8Cu3

3,04

Min

0,025 5

17,4

6,19 30,9

58,2 1500

25,9

3,07

Max

128

1 4

3,4

4,7 4,8

4 3,7

5

4,2

0,007 4

15

7,21 37,7

69,3 1480

29,9

3,3

Min

152

3,6 5

4,6

5 5

5 3,7

5

4,3

0,025 5

20,5

7,72 39,6

85,6 1490

30,2

3,33

Max

AlSi17Cu4Mg

97

1,4 1

3,1

1,9 3,4

2,9 5

3,8

4,3

0,01 1

13,9

3 27,1

50 1100

22,7

137

4,6 1

5

3 4,9

4,8 4

4,4

5

AZ91

3,36

Min

0,032 1

22,2

4,6 38,7

82,1 1380

26,3

3,89

Max

Tab. 2.3.7 Materialkennwertebereiche, deren Skalierung, Gewichtung und Summation zum Punktevergleich des technischen Nutzens der Werkstoffe.

4 3

4

4 5

3 2

4

4

Gewichtung

166



losen Einsatz geeignet [12, 13]. In der Bewertung des technischen Nutzens nach Tabelle 2.3.7 nehmen sie mit 128–152 Punkten den ersten Rang ein. • Die Magnesiumlegierung hat beim spezifischen Gewicht den größten Vorteil, woraus seine hohe spezifische Steifigkeit folgt. Eine bessere Wärmeleitfähigkeit als GG (kleiner als bei Al-Si), aber eine geringe Dauerfestigkeit, hohe Korrosionsanfälligkeit, geringe Kriechresistenz und einen hohen Ausdehnungskoeffizient. In der Bewertung nach Tabelle 2.3.7 kommen sie zu ähnlichen Punkten wie die untereutektischen Al-Si-Legierungen, aber mit breiterer Streuung (97–137). Untereutektische Al-Si-Legierungen und Mg-Legierungen [14] erfordern einen Werkstoffverbund mit Zylinderlaufbüchsen, durch die der technische Nutzen erhöht wird. 2.3.8.3 Wirtschaftlichkeit des Herstellverfahrens Für die Produktion von 4-Zylinder-Otto-Motoren werden folgende Gießverfahren (siehe Abschnitt 3.1) betrachtet: Sandguss, Kokillenguss, Druckguss, Niederdruckguss, Squeeze-Casting (wird dem echtzeitgesteuerten Druckgussverfahren gleichgesetzt). Detaillierte Betrachtungen der einzelnen Verfahrensvarianten finden sich in [13–17]. Grauguss ist für große Bauteile nur im Sandguss vergießbar, Aluminium hingegen ist mit allen erwähnten Varianten verarbeitbar, Magnesium wiederum großtechnisch nur im Druckgussverfahren. Eine Vielzahl von wirtschaftlichen Faktoren werden für einen möglichst objektiven Vergleich herangezogen [15]. Die gewählten Kenngrößen [13, 14] sind in Abb. 2.3.14 mit der Gewichtung für eine Serienproduktion von 4-Zylinder-Otto-Motoren dargestellt. Die Balkenlänge entspricht der Gewichtungsbandbreite. Um aussagekräftige, relative Kennzahlen zu erhalten, müssen diese analog zu den Kennwerten der Werkstoffe skaliert, gewichtet und addiert werden. Die wichtigsten Punkte sind dabei unter anderem die Taktzeit und die im Werkstück erreichbare Komplexität.

Abb. 2.3.14 Gewichtung der wirtschaftlichen Faktoren für die Herstellung von Kurbelgehäusen.

167

168


Bezüglich der Komplexität treten die größten Unterschiede zwischen den Gießverfahren auf (siehe Abschnitt 3.1). Konventioneller Sandguss ist nicht konkurrenzfähig, sodass sich das Kernpaketverfahren sowohl für Grauguss als auch für Al-Guss durchgesetzt hat, bei dem die Gießform aus mehreren Einzelkernen mittels Steck-, Klebe- und/oder Schraubverbindungen automatisiert zusammengefügt wird. Niederdruckguss, Druckguss und Squeeze-Casting sind für Al- und MgLegierungen einsetzbar. Der Einsatz von Zylinderlaufbüchsen aus Grauguss oder MMC erfordert einen zusätzlichen Arbeitsgang. Sie müssen vorgefertigt und in die untereutektischen Al-Si-Legierung eingegossen oder in das Gusswerkstück eingepresst werden. Eine zylindrische, poröse Silizium- oder Aluminiumoxidvorform kann nach dem Lokasil-Verfahren durch den Aluminiumgrundwerkstoff bei der Formgebung mittels Squeeze-Casting infiltriert werden [15]. 2.3.8.4 Portefeuilledarstellung Um die erhobenen Daten und Kennzahlen übersichtlich darzustellen, wurde eine Portefeuillemethode gemäß Abb. 2.3.15 gewählt. Dabei sind in einem Diagramm auf der Abszisse die Eignung für die Serienproduktion und auf der Ordinate die technische Leistung aufgetragen. Je weiter rechts, desto größer wird die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Je weiter oben, desto besser sind die technischen Eigenschaften. Eine Substitution eines Produkts aus dem Bereich A durch eines aus den Bereichen C und D wird sich durchsetzen, ebenso wie jenes aus B durch Substitu-

Abb. 2.3.15 Substitutionsportefeuille der technischen Leistungsfähigkeit in Bezug zur Wirtschaftlichkeit der Serienproduktion.


tion aus D. Eine Substitution eines Produkts aus dem Bereich B durch eines aus C hängt davon ab, ob die technische Verbesserung die erhöhten Kosten wert ist. Für die hier untersuchten Otto-Motoren ergeben sich die Bereiche der Werkstoff/Verfahrenskombinationen aus den Minimal- und Maximalwerten der skalierten Werkstoff- und Wirtschaftlichkeitssummen. In Abb. 2.3.16 sind die resultierenden Felder für Großserienmotoren in das Werkstoffportfeuille nach dem Schema der Abb. 2.3.15 eingetragen. Als Vergleichsbasis wird das wirtschaftlichste Zylinderkurbelgehäuse aus GG25, hergestellt im Kernpaketverfahren, gewählt. Der graue Balken in den Abbildungen stellt die mögliche Substitutionsgrenze dar. Alle darunter liegenden Zylinderkurbelgehäuse sind verglichen mit einem GG-Motorblock nicht konkurrenzfähig. Dieses Portefeuille spiegelt den derzeitigen Stand in der Zylinderkurbelgehäuseproduktion gut wieder. Aus Gründen der Massenproduktion ist dem GG25 der Vorzug zu geben, allerdings dicht gefolgt von AlSi8Cu3-Gehäusen mit eingegossenen GG-Zylinderlaufbüchsen. Bezüglich der technischen Leistungsfähigkeit ist das Aluminium- dem Graugusskurbelgehäuse eindeutig überlegen. Beide Kurbelgehäuse werden mit dem Kernpaketverfahren hergestellt. Grauguss mit Vermiculargraphit (GGV 500) [16], vergossen im Kernpaketverfahren, wäre eine gute Alternative zum herkömmlichen Grauguss mit Lamellengraphit. Die besseren Werkstoffeigenschaften ermöglichen ausgereifte Leichtbaukonstruktionen, aber die schwierig zu beherrschende Graphitausbildung verursacht erhöhte Produktionskosten. Die Druckgussgehäuse aus AlSi9Cu3 mit GG- oder MMC-Zylinderlaufbüchsen liegen entlang der Substitutionsgeraden weiter links. Die Entscheidung gegenüber GG25 muss dabei zwischen geringerer Wirtschaftlichkeit und höherem technischen Nutzen fallen. Gehäuse aus Magnesium mit

Abb. 2.3.16 Gesamtportefeuille der alternativen Werkstofflösungen für Großserien Otto-Motoren; schräger Balken als Substitutionsgrenze für GG25-Variante (darunterliegende Produkte sind nicht konkurrenzfähig).

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170


Einsätzen können laut diesem Modell mit der Graugussvariante bezüglich der Großserienfertigung nicht mithalten, sind aber technisch durchaus konkurrenzfähig. Prinzipiell gestaltet sich der Einsatz von MMC-Zylinderlaufflächen schwieriger als der von GG-Einsätzen. Darum liegt dieser Bereich bei allen Verfahren weiter links, aufgrund der höheren Verschleißfestigkeit und dem geringeren Gewicht sind diese allerdings technisch überlegen. Unterhalb der Substitutionsgrenze und damit nicht konkurrenzfähig liegen der Schwerkraftkokillenguss und der Niederdruckguss. Ein Zylinderblock aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung ist vor allem wegen der längeren Erstarrungszeit (Taktzeit) und der hohen Anlagen- und Personalkosten keine Konkurrenz für Großserien aus GG und untereutektischen Al-Si-Legierungen, vergossen im Kernpaketverfahren. Die Aussagekraft dieser Werkstoffportefeuilles wird durch den Vergleich mit dem analogen Portefeuille verdeutlicht, in dem aber der technische Nutzen höher bewertet wird als die kostengünstige Herstellung (Abb. 2.3.17, z. B. großvolumige Motoren für die Luxusklasse oder Sportwagen). Im Vergleich zu Abb. 2.3.16 wird die Niederdruckgussvariante des übereutektischen, monolithischen AlSi17Cu4MgKurbelgehäuses gleich bewertet wie die untereutektische Variante mit Zylinderlaufbüchse. Eine zusätzliche Variante stellt in diesem Segment ein Magnesium/Aluminium-Verbundkurbelgehäuse [10] dar. Allerdings wird dadurch die technische Leistung des Motors nicht höher als die eines übereutektischen Blocks, aber der Zusatznutzen einer Gewichtsreduktion im Wagenfonds führte zur Umsetzung dieser Variante [17].

Abb. 2.3.17 Werkstoff-Portefeuille für Otto-Motoren mit hohem technischen Nutzen und geringem Kostendruck (Luxusklasse, Sportwagen).


2.3.9 Zusammenfassung und Ausblick

Je präziser die Formulierung der Zielfunktion und der Randbedingungen für einen Bauteil und seinen Einsatz ist, umso besser können die zugehörigen Werkstoffkennwerte definiert werden. Die Vielzahl der zu erfüllenden Anforderungen bedarf einer Bewertung, die erlaubt, Prioritäten im Eigenschaftsprofil der Werkstoffe zu setzen und sie zu gewichten. Die Verflechtung verschiedener Gebrauchskennwerte kann in einfachen Fällen analytisch als Materialeffizienz formuliert werden. Die Abhängigkeit von der Dichte des Werkstoffs lässt sich oft durch ein Potenzgesetz beschreiben, sodass doppellogarithmische Darstellungen hilfreich sind, um Werkstoffe hinsichtlich Leichtbau zu vergleichen. Darüber hinaus ist eine schrittweise Werkstoffauswahl für verschiedene Materialeffizienzen und Randbedingungen möglich. Die Realisierbarkeit eines Konstruktionsentwurfs hängt von den Fertigungsmöglichkeiten, insbesondere von der Formgebung und der Fügbarkeit der Werkstoffkandidaten ab. Wenn die technische Umsetzbarkeit geklärt ist, muss die wirtschaftliche Bewertung einsetzen. Die Kostenkomponenten des Fertigungsverfahrens dominieren im Allgemeinen über die Materialkosten. CES [18] ermöglicht auch die Berücksichtigung von Fertigungsverfahren, stellt aber nur eine Orientierungshilfe dar. Die Datenerhebung für einen in Fertigung befindlichen Bauteil gestaltet sich schwierig und lässt unterschiedliche Bewertungen zu. Die Prognose für die Fertigung eines neuen Bauteils ist daher noch unpräziser, lässt aber das Wirksamwerden einer Lernkurve erhoffen (siehe Abschnitt 7). Die Werkstoff-Portfeuilles geben eine Methodik an, mit der der technische Nutzen dem wirtschaftlichen Herstellungsaufwand gegenübergestellt werden kann. Die sich ergebenden Werkstofffelder lassen zumindest das Potenzial verschiedener Werkstoffgruppen relativ zueinander darstellen. Die eigentliche Auswahl ist für jeden einzelnen Anwendungsfall und für jeden Hersteller mit seinen Fertigungsmöglichkeiten eigens zu treffen und erfordert über die dargestellte Methodik hinaus technologische Erfahrung und eine prognostische Markteinschätzung, um die Entscheidungen für eine erfolgreiche Ausarbeitungsphase zu treffen. Die Simulation der Bauteilfunktionen mit den ausgewählten Werkstoffdaten sowie die Tests an Prototypen erlauben den Lösungsweg zu verifizieren. Möglicherweise sind die Zielfunktionen zu modifizieren und der Problemlösungszyklus nochmals vereinfacht zu durchlaufen. Die Festlegung der Herstellungsverfahren mit den konkreten Werkstoffspezifikationen und Fertigungstoleranzen erlaubt zu überprüfen, ob die Zielfunktionen zu marktgerechten Kosten erfüllbar sind. Erfolgreiche Innovationen sind unter anderem (siehe Abschnitt 7) nur dann zu erwarten, wenn darüber hinaus ausreichende Verbesserungspotenziale und eine signifikante Lernkurve für die Herstellungskosten abschätzbar sind.

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Danksagung

Die Autoren danken Granta Design Limited, Cambridge, UK, für die Unterstützung bei den Diagramm-Darstellungen und die Genehmigung zu deren Veröffentlichung.

Literaturnachweis 1 Ashby, M.F., Shercliff, H., Cebon, D. (2007) Materials Engineering, Science, Processing and Design, Elsevier, Oxford. 2 Ashby, M., Johnson, K. (2002) Materials and design. The Art and Science of Material Selection in Product Design, ButterworthHeinemann (Eds). Elsevier, Oxford. 3 www.wikipedia.org, Technical Museum Prague. 4 http://www.bmeres.com/. 5 Reuter, M. (2007) Methodik der Werkstoffauswahl, Carl Hanser Verlag, München. 6 Ashby, M.F. (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 2nd edn, ButterworthHeinemann (Eds), Elsevier, Oxford. 7 Maitia, S.K., Gibson, L.J., Ashby, M.F. (1984) Acta Met., 32(11), 1963–1975. 8 Ashby, M.F. (1989) Acta Met., 37(5), 1273– 1293. 9 Baier, V. (2004) Werkstoff- und Herstellungsbewertung für KFZ Otto-Motoren, Diplomarbeit, TU Wien. 10 Pavdi, C. (1999) State of the Art in Light Metals in Automotive Application and Trends, Diplomarbeit, TU Wien. 11 Dieterle, U., Junk, H., Blum, D., Lühr, H., Wagner, T., Schwaderlapp, M. (1997)

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3 Fertigungstechnischer Leichtbau 3.1 Gießtechnik Leopold Kniewallner Kurzfassung

Gießen ist das Verfahren mit den größten Freiheitsgraden in der Formgebung für den Konstrukteur und kommt damit dem Vorbild Natur hinsichtlich des optimalen Einsatzes von Werkstoffen am nächsten. In diesem Kapitel wird auf die wichtigsten Werkstoffgruppen und Verfahren für Gusskomponenten mit den entsprechenden Besonderheiten eingegangen, wobei der Schwerpunkt auf Fahrzeugkomponenten gelegt wird. Ebenfalls werden neue Entwicklungstrends und Potenziale aufgezeigt. Bisher hat in der Gießereiindustrie die Weiterentwicklung der Gießverfahren dominiert. In Zukunft werden neben der Verbesserung der Gusswerkstoffe die Anwendung von Verbindungstechniken und das Ein-, An- und Umgießen von anderen Werkstoffen zunehmen und somit die Möglichkeiten des Konstrukteurs, Leichtbau wirtschaftlich mit Unterstützung von Gießtechniken umzusetzen. 3.1.1 Einleitung

Durch die ständige Verbesserung der Verfahren und Weiterentwicklung der Werkstoffe ergeben sich immer neue Einsatzpotenziale für Gusskomponenten im Maschinenbau. Damit die Verfahren und Werkstoffe hinsichtlich Leichtbau optimal eingesetzt werden können, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen den Gießereispezialisten und den Konstrukteuren von Komponenten erforderlich. Leichtbau mit Gussteilen bedeutet nicht automatisch den Einsatz von Leichtmetallen. Auch Eisengusswerkstoffe werden ständig weiterentwickelt und können damit zur erforderlichen Gewichtsreduktion ihren Beitrag leisten. Letztendlich entscheidet bei Erfüllung der technischen Anforderungen das Verhältnis Kosten zu Gewichtsvorteil für den Werkstoff und das Verfahren. Durch die Weiterentwicklung von Füge- und Verbindungstechniken und den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffkombinationen (Mischbauweise) eröffnen sich Leichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

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3 Fertigungstechnischer Leichtbau

ebenfalls neue Anwendungsmöglichkeiten für Gussteile (siehe Abschnitt 4.2). Das Gießen ist jenes Verfahren, mit dem sich die komplexesten Geometrien darstellen lassen. Kaum ein anderes Produktionsverfahren bietet für einen Konstrukteur diese Freiheit in der Gestaltung von Bauteilen. Mit neuen Design-Methoden können dadurch Geometrien erstellt werden, die der ökonomischen und effizienten Bauweise der Natur am nächsten kommen und damit Leichtbau unabhängig vom gewählten Werkstoff im wahrsten Sinn des Wortes realisiert werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit zeichnen sich die hauptsächlich eingesetzten Gusswerkstoffe durch eine nahezu 100%ige Rezyklierbarkeit (siehe Abschnitt 5.1) aus und tragen damit auch wesentlich zur Resourcenschonung bei. Die Fertigungsverfahren werden nach DIN 8580 eingeteilt. Das Gießen befindet sich zusammen mit den Physical Vapour Deposition (PVD)-Verfahren, der Galvanoplastik und der Pulvermetallurgie in Hauptgruppe 1: Urformen. Das Gießen ist immer der erste Verarbeitungsschritt nach der Gewinnung eines metallischen Werkstoffs. Auch für Umform-Verfahren werden sogenannte „Änderungs-Formate“ durch Gießen hergestellt. Man spricht hier vom sogenannten Formategießen mit einem Halbzeug als Produkt. Im Gegensatz dazu steht das Formgießen mit einem Gussbauteil als Endprodukt. Die Geschichte des Gießens beginnt um 5000 vor Christus. Es wird über gegossenes Gold in Vorderasien berichtet. Der Beginn des Eisengusses startet 500 v. Chr. in China. Die Entdeckung der Leichtmetalle erfolgte erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts (Magnesium 1808, Aluminium 1825). Erste Leichtmetall-Gusslegierungen wurden sogar erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt. Welche Entwicklung die Gießverfahren und die entsprechenden Werkstoffe in diesem Zeitraum erfahren haben, zeigen aktuelle Beispiele von Gusskomponenten aus dem Fahrzeugbau in den verschiedenen Abbildungen dieses Kapitels. Im Fahrzeugbau decken Eisengusswerkstoffe, Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen den größten Anteil an Gusskomponenten ab. Vor allem der Anteil der Leichtmetalle hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Aber auch mit Eisengusswerkstoffen können noch Leichtbaupotenziale realisiert werden. 3.1.2 Formgieß-Verfahren

Die Einteilung der Formgieß-Verfahren erfolgt nach der Art der Formherstellung und der Formfüllung. Die Tabelle 3.1.1 enthält Beispiele nach dieser Einteilung. Im Fahrzeugbau haben vor allem das Druck-, Kokillen- und Sandgießen und deren Modifikationen eine Bedeutung. Für Motorkomponenten wird auch in geringerem Umfang das Vollform-Verfahren (Lost Foam Casting) angewendet [1]. Zur Förderung und Weiterentwicklung des Verfahrens wurde der Verein Lost Foam Council (LFC) gegründet. Das Flüssigpressen, besser bekannt unter dem Namen Squeeze-Casting [2], wurde speziell für Sicherheitsbauteile aus Aluminium in Japan entwickelt und wird auch in Nordamerika eingesetzt, hat sich jedoch aus wirtschaftlichen Gründen vor allem in Europa nicht durchgesetzt.

3.1 Gießtechnik Tab. 3.1.1 Einteilung der Formgießverfahren nach der Art der Formherstellung und der Formfüllung.

Statisches Gießen (langsame Formfüllung)

Dauermodell und verlorene Form

Verlorenes Modell und verlorene Form

Kokillengießen – Schwerkraft

Sandgießen – Schwerkraft

Feingießen

– Niederdruck – Gegendruck

– Niederdruck

Stranggießen

Vollform-Gießverfahren (Lost Foam Casting)

Gieß-Schmieden Druckgießen

Dynamisches Gießen (schnelle Formfüllung)

Einteilung nach der Art der Formfüllung

Einteilung nach der Art der Formherstellung Dauerform

– konventionell – Vakuumunterstützung Flüssigpressen (Squeeze-Casting) direkt oder indirekt Semi-Solid-Casting – Thixo-Casting – Rheocasting

Auch das viel versprechende Semi-Solid-Verfahren konnte sich in seiner ursprünglichen Form aus wirtschaftlichen Gründen und den schwierig zu beherrschenden Prozess-Parametern nicht behaupten. Modifizierungen zur Vermeidung der Abhängigkeit vom Vormaterial [3] und neue Ansätze für Magnesiumlegierungen [4] sind jedoch vielversprechend. Speziell für Fahrwerksteile wurde das Gieß-Schmieden [5] entwickelt und wird mittlerweile in Europa, Nordamerika und Asien angewendet. Während das Sandgießen für Eisenguss das Verfahren ist, fällt die Entscheidung für das richtige Verfahren für Aluminiumgussteile zum Teil nicht immer eindeutig aus. Neben der Wirtschaftlichkeit sind Prozesssicherheit und erzielbare Eigenschaften die Kriterien. In Tabelle 3.1.2 sind die Merkmale der Gießverfahren und mögliche Anwendungen dargestellt und können für eine erste Auswahl herangezogen werden. 3.1.2.1 Sandgießen Das Sandgießen ist das Verfahren für Eisengusswerkstoffe. Zunehmend an Bedeutung gewinnt es jedoch auch für Aluminiumgusskomponenten. Die wesentlichen Merkmale des Sandgießens sind seine hohe Flexibilität bei Änderungen und

175

T4/T6 aushärtbar und schweißbar bei Vakuumunterstützung, für dünnwandige Bauteile die besten Verformungseigenschaften erzielbar FlüssigT4/T6 aushärtbar und pressen schweißbar, gute (Squeeze- Eigenschaften auch für Casting) höhere Wanddicken SemiT4/T6 aushärtbar und Solid schweißbar, beste WerkstoffCasting eigenschaften erzielbar

Druckgießen hohle Profile längste Werkzeugnur bedingt erstellungszeit durch Einsatz von Schiebern realisierbar

geringe Flexibilität durch hohe Anzahl an erforderlichen Werkzeugen bei großen Stückzahlen

vergleichbar mit Kokillenguss

die dünnsten Wanddicken realisierbar

kleinste Toleranz

Wanddicken durch mittlere die höheren Toleranz Abkühlungsgeschwindigkeiten nach unten begrenzt

Prozessfenster für eine wirtschaftliche Fertigung zu klein

nur sehr kleines Prozessfenster nutzbar

hoch

zunehmende Anwendung für Karosserieteile und Potenzial für dünnwandige Fahrwerksteile Verfahren hat sich wirtschaftlich nicht durchgesetzt

Verfahren für Fahrwerksteile, Trend zu Niederdruck- und Gegendruckgießen

Vergüt- und Schweißbarkeit erfordern einen höheren Aufwand

durch Werkzeuganzahl und Schlichteprozess vor allem bei dünnwandigen Teilen kritisch

wegen hoher Flexibilität und kurzen Realisierungszeiten zunehmende Anwendung für Sicherheitsbauteile

T4/T6 aushärtbar und schweißbar, gute Eigenschaften für Sicherheitsbauteile

sehr hoch, da keine Heiz- und Kühlkreisläufe erforderlich

Kokillengießen

hohe Flexibilität bei Formfüllung und kürzeste Werk- durch Niederdruck zeugerstellungszeit sehr dünnwandige Teile realisierbar, vergleichbar zu Druckguss größte Toleranz

hohle und komplexe Profile mit Sandkernen realisierbar

T4/T6 aushärtbar und schweißbar, Eigenschaften für dünnwandige und hohle Sicherheitsbauteile akzeptabel

Bemerkungen, Trends

Sandgießen

Prozesssicherheit

Freiheitsgrade für die Konstruktion

Verfahren Eigenschaften Maßliche Genauigkeit

Tab. 3.1.2 Merkmale von Formgießverfahren für Aluminium-Gusskomponenten. Kleinste realisierbare Wanddicken


Flexibilität bei Änderungen und Werkzeugerstellungszeiten

176

3.1 Gießtechnik

Abb. 3.1.1 Sandform mit eingelegten Kernen (hell) und Gießfiltern.

kurze Realisierungszeiten für die Modellherstellung. Das Verfahren wird sowohl für Einzelfertigung (Handformguss) als auch für Groß-Serienfertigung (Maschinenformen) verwendet. Die herstellbare Gussteilgröße kann mehrere Meter mit Gewichten bis zu 100 t betragen. Bei Anlagen für die Groß-Serienfertigung unterscheidet man zwischen kastenlosen und kastengebundenen Formen. Je nach Anlagengröße können zwischen 150 und 600 Formen pro Stunde produziert werden, in denen mehrere Gussteile gleichzeitig abgegossen werden. Ein hoher Automatisierungsgrad und die Überwachung der Prozess-Parameter garantieren eine prozesssichere Fertigung. Durch den Einsatz von Sandkernen können auch hohle Profile und Strukturen realisiert werden (Abb. 3.1.1). Gegenüber den Dauerformverfahren Kokillen- und Druckgießen weist Aluminium-Sandgießen durch die geringeren Erstarrungsgeschwindigkeiten niedrigere Werkstoffkennwerte auf, die bis vor einigen Jahren den Einsatz für Sicherheitsbauteile im Fahrwerk ausgeschlossen haben. Durch die ständige Verbesserung des Verfahrens konnten diese Bedenken beseitigt werden. Die Abb. 3.1.2 zeigt einen hohlen Querlenker für eine Hinterachse eines Personenkraftwagens. Neuere Ent-

Abb. 3.1.2 Querlenker mit hohler Struktur für eine Personenkraftwagen-Hinterachse (Verfahren: Sandgießen; Werkstoff: Aluminium).

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wicklungen für Aluminiumlegierungen gehen in Richtung der Formfüllung mit Niederdruck [6]. Dadurch können die Werkstoffqualität weiter verbessert und zusätzlich dünnere Wanddicken realisiert werden. 3.1.2.2 Kokillengießen Beim Kokillengießen werden Dauerformen aus temperaturbeständigem Stahl verwendet. Durch die dadurch erzielbare schnelle Erstarrung der Schmelze eignet es sich vor allem für Aluminium-Bauteile mit hohen Anforderungen und ist derzeit das Gießverfahren für Sicherheitsbauteile im Fahrwerk. Wie beim Sandguss können auch Hohlstrukturen durch Sandkerne dargestellt werden. Neben dem Schwerkraft- und Kipp- werden das Niederdruck-Kokillengießen und seine firmenspezifischen Modifikationen angewendet. Vor allem das Niederdruck- [7] und Gegendruck-Kokillengießen [8] wurden in der letzten Zeit hinsichtlich Produktivität und höherer Eigenschaften weiter entwickelt. 3.1.2.3 Druckgießen Das Druckgieß-Verfahren zählt zu den Near-Net-Shape-Verfahren und ermöglicht das Einhalten der engsten Toleranzen und dünnsten Wanddicken. Das Verfahren wird für Aluminium- und Magnesiumlegierungen eingesetzt. Die Weiterentwicklung des Verfahrens erlaubt in der Zwischenzeit auch die Herstellung von Gussteilen, die lösungsgeglüht, somit T4 bzw. T6 aushärtbar, und geschweißt werden können. Durch die hohe Produktivität ist es derzeit das am meisten verwendete Verfahren für Leichtmetall-Gussteile. Vor allem die Weiterentwicklung zu schweiß- und wärmebehandelbaren Druckgussteilen durch Evakuieren der Form ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von Strukturteilen für die Karosserie, womit viele Blechteile und die dazugehörigen Fügeoperationen durch ein einziges Gussteil ersetzt werden können. Als Beispiel ist in Abb. 3.1.3 ein Federbeindom

Abb. 3.1.3 Federbeindom in der Karosserie eines Personenkraft-Vorderwagens (Verfahren: Druckgießen; Werkstoff: Aluminium mit Verbindungsarmen für Schweißen, Kleben, Nieten).

3.1 Gießtechnik

eines Vorderwagens dargestellt, der durch Schweißen, Nieten und Kleben mit den benachbarten Teilen verbunden wird. 3.1.3 Werkstoffgruppen für Gusskomponenten

Im Fahrzeugbau werden vor allem Eisen-, Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen eingesetzt. 3.1.3.1 Eisengusswerkstoffe Die wichtigsten Hauptgruppen der Eisengusswerkstoffe und die dazugehörigen Normen mit den Eigenschaftsbereichen sind in der Tabelle 3.1.3 dargestellt. Das Hauptmerkmal ist die Ausbildungsform des Graphits, der in Lamellen-, Vermikular- oder Kugelform entscheidend die Eigenschaften beeinflusst. In der DIN EN ISO 945 sind die Richtreihen der Graphitausbildung festgelegt. Neben der Graphitform, -größe und -anzahl werden die Eigenschaften zusätzlich durch die umgebende Matrix: ferritisch, perlitisch, ausferritisch und austenitisch geprägt, deren Einstellung über Legierungselemente oder Wärmebehandlung erfolgen kann. Im Gegensatz zu den Aluminium- und Magnesiumlegierungen ist die chemische Zusammensetzung der Eisengusswerkstoffe mit Ausnahme der austenitischen und verschleißbeständigen Gruppen nicht genormt. Das Erreichen der geforderten Kennwerte (siehe Abschnitt 3.1.4.1) obliegt dem Hersteller, der sich innerhalb der metallurgischen Grenzen frei bewegen kann. Neue Werkstoffentwicklungen zielen vor allem in Richtung höherer Festigkeiten [9], um Stahlschmiedeteile zu substituieren bzw. den Gewichtsnachteil gegenüber Aluminium zu verkleinern. Die Abb. 3.1.4 zeigt einen Eisenguss-Radträger mit integriertem Achszapfen einer Hinterachse eines Personenkraftwagens, der

Abb. 3.1.4 Radträger mit integriertem Achszapfen für eine Personenkraftwagen-Hinterachse (Verfahren: Sandgießen, Werkstoff: modifiziertes Gusseisen mit Kugelgraphit – SiboDur [9]).

179

Normen DIN EN 1561 ISO 185 DIN EN 1563 ISO 1083

ISO 16112

DIN EN 1562 ISO 5922 DIN EN 1564 ISO 17804

DIN EN 13835 ISO 2892

DIN EN 12513 ISO 21988

Gruppe

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL)

Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS)

Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV)

Temperguss

Bainitisches Gusseisen (Austempered ductile cast iron = ADI)

Austenitisches Gusseisen

Verschleißbeständiges Gusseisen

Mindest-Härte-Bereich: 340–630 HBW

Mindest-Zugfestigkeits-Bereich: 140–440 MPa, Dehnung 1–25%



Mindest-Zugfestigkeits-Bereich: 300–500 MPa, Dehnung 0,5–2%


Mindest-Zugfestigkeits-Bereich: 100–350 MPa, Dehnung < 1%

Mechanische Eigenschaftsbereiche

Tab. 3.1.3 Einteilung der Eisengusswerkstoffe und Eigenschaftsbereiche.

für Komponenten mit hohen Anforderungen an Verschleiß: Baggerzähne, Strahlplatten, Pumpengehäuse mit abrasiven Medien

für Komponenten mit höchsten Festigkeits- und Verschleißanforderungen, Fahrzeugbau: Kurbelwellen, Fahrwerksteile für hohe Anforderungen an Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, Fahrzeugbau: Auslasskrümmer, Turboladergehäuse

Rohrleitungskomponenten, im Fahrzeugbau nur mehr selten eingesetzt

für Teile mit höheren Festigkeiten, Fahrzeugbau: Kurbelwellen, Fahrwerksteile, Achsgehäuse relativ gute thermische Leitfähigkeit in Kombination mit höheren Festigkeiten, Fahrzeugbau: Zylinderblock

allgemeiner Maschinenbau, Fahrzeugbau: Zylinderblock, Bremsscheiben

Hauptanwendungen

180


3.1 Gießtechnik

Abb. 3.1.5 Nutzfahrzeuglenker (Verfahren: Sandgießen; Werkstoff: ausferritisches Gusseisen, ADI).

ein geschmiedetes Stahlbauteil gewichtsneutral, jedoch mit Kostenvorteilen, ersetzt hat. Möglich war dies nur durch die erfolgreiche Weiterentwicklung der Werkstoffgruppe Gusseisen mit Kugelgraphit. Zu dieser Entwicklungsrichtung zählen auch, die nicht unbedingt neuen ausferritischen Gusseisensorten (austempered ductile iron – ADI). Der zusätzliche Aufwand bei der Bearbeitung und die zusätzliche Wärmebehandlung verringern allerdings den wirtschaftlichen Vorteil gegenüber den etablierten StahlschmiedeWerkstoffen. Fortschritte in der Prozessbeherrschung und Wirtschaftlichkeit lassen Anwendungspotenziale für diese Werkstoffgruppe erkennen. Der Nutzfahrzeuglenker in Abb. 3.1.5 ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Umsetzung. 3.1.3.2 Aluminiumgusswerkstoffe Für die Herstellung von Gussstücken stehen eine breite Palette von genormten Legierungen sowie zahlreiche Sonderlegierungen zur Verfügung, um gewünschte Eigenschaftsmerkmale zu erzielen. Die chemische Zusammensetzung der genormten Gusslegierungen und ihre Eigenschaften sind in der DIN EN 1706 enthalten. Diese Norm enthält auch die Zuordnung der Legierungen zu den verschiedenen Gießverfahren sowie vergleichende Angaben über die Gießbarkeit und andere Eigenschaften. Die für den Fahrzeugbau gebräuchlichsten Legierungen betreffen die Gruppen AlSi, AlSiMg und AlSiCu. Tabelle 3.1.4 zeigt eine Übersicht der gebräuchlichsten Aluminiumgusslegierungen und ihre Zuordnung zu Legierungsgruppen und besonderen Eigenschaften. Neuere Legierungsentwicklungen betreffen vor allem das Druckgießverfahren [10]. Normalerweise enthalten Druckgusslegierungen zur Verringerung der

181

182

3 Fertigungstechnischer Leichtbau Tab. 3.1.4 Übersicht über die wichtigsten Aluminiumgusslegierungen und ihre Zuordnung zu Legierungsgruppen und besonderen Eigenschaften. AlSi

AlSiMg

AlSiCu

AlMg

AlCu

AlZnMg

AlSi12

AlSi10Mg

AlSi17Cu4Mg

AlMg9

AlCu4Ti

AlZn5Mg

AlSi12(Cu) AlSi11

AlSi9Mg AlSi7Mg

AlSi9Cu3 AlSi6Cu4

AlMg5 AlMg3

AlCu4TiMg

AlZn2MgSi AlZn10Si8Mg

AlSi5Mg

AlSi18CuNiMg gute

korrosions-

aushärtbar

kalt aushärtend

Bearbeitbarkeit

beständig

dünnwandige

aushärtbar

Teile

aushärtbar sehr gute

gute bis sehr

gute Gießbarkeit

dekorativ,

höchste

dekorativ,

Gießbarkeit

gute Gießbarkeit

(Kurbelgehäuse)

anodisierbar

Festigkeit

anodisierbar

Klebeneigung in der Druckgussform einen höheren Eisengehalt. Dieser wirkt sich jedoch negativ auf die Eigenschaften aus. Diesen Effekt vermeiden die neuen Entwicklungen durch Zugabe anderer Elemente. Dadurch können Druckgussteile in den Bereichen Karosserie und Fahrwerk eingesetzt werden. 3.1.3.3 Magnesiumgusswerkstoffe Im Fahrzeugbau werden Magnesiumteile vor allem mit dem Druckgießverfahren hergestellt, wobei Wandstärken < 1 mm erzielt werden können. Die Legierungen sind in der DIN EN 1753 genormt. Die Hauptlegierungsgruppen bilden die Systeme MgAlZn, MgAlMn und MgAlSi. Durch den hohen Materialpreis hat sich der Einsatz von Magnesium im Fahrzeugbau nicht im erwarteten Ausmaß entwickelt. Die aktuelle Diskussion zur Reduktion des CO2 -Ausstoßes könnte Magnesium wieder attraktiver machen. Vor allem Getriebegehäuse und Aggregateträger sind potenzielle Teile für Magnesiumgussteile. Auch erste Anwendungen für Kurbelgehäuse [11] zeigen das Potenzial von Magnesium auf. Als Beispiel ist in Abb. 3.1.6

Abb. 3.1.6 Instrumententräger eines Personenkraftwagens (Verfahren: Druckgießen, Werkstoff: Magnesium).

3.1 Gießtechnik

ein Instrumententräger eines Personenkraftwagens dargestellt, der eine aus mehreren Teilen zusammengefügte Stahlblechkonstruktion ersetzt. Vor allem die Korrosions- und Kriechfestigkeitseigenschaften müssen verbessert werden. Entsprechende Entwicklungen befinden sich in der Umsetzungsphase [12]. 3.1.4 Eigenschaften von Gusslegierungen

Die Eigenschaften von Gussteilen werden, abgesehen vom Design, von der chemischen Zusammensetzung, der metallurgischen Behandlung, vom Gießverfahren und allenfalls nachfolgender Oberflächen-Behandlungsverfahren beeinflusst. Die in den Normen angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Mindeststandards, die auch noch von getrennt gegossenen Probekörpern ermittelt werden. Auch geben die meist aus bearbeiteten Proben ermittelten Kennwerte nicht die realen Bedingungen an einem Gussteil wieder. Dies trifft vor allem auf die durch die Belastungen hervorgerufenen Spannungszustände als auch auf den Einfluss von Oberflächen zu. Die Materialeigenschaften in einem Gussteil sind nicht homogen (siehe Abschnitt 1.3). Aus diesen Gründen ist es im Fahrzeugbau üblich, dass bei einem Lieferantenwechsel, auch bei Einsatz der gleichen Legierung, Verfahren und Geometrie, eine entsprechende Erprobung durchzuführen ist, bevor eine Freigabe erfolgt. 3.1.4.1 Eisen-Gusslegierungen In Abhängigkeit von den Hauptgruppen sind die Mindestanforderungen an die Eisengusswerkstoffe in Normen festgelegt. Die Werkstoffbezeichnung entspricht DIN EN 1560 (siehe Tabelle 3.1.3). Innerhalb der Gruppen Gusseisen mit Lamellen-, Vermikular- und Kugelgraphit wird die Festigkeit über den Perlitanteil im Gefüge beeinflusst. Je höher der Anteil, desto höher die Festigkeit. Wichtig für einen Konstrukteur ist die Kenntnis, dass die Eigenschaften stark von den Wanddicken abhängen. Dieser Einfluss ist bei Gusseisen mit Lamellengraphit ausgeprägter als bei Kugelgraphit. Entsprechende Werte sind in den jeweiligen Normen angegeben. Die Eigenschaften von Temperguss und dem ausferritischen Gusseisen (ADI) werden zusätzlich zu entsprechenden Legierungselementen durch eine Wärmebehandlung erzielt. Für die Auslegung von Bauteilen spielt der Oberflächenzustand eine wichtige Rolle [13]. Zusätzlich können die Eigenschaften durch lokale, die Festigkeit steigernde Massnahmen, wie Strahlen, Rollieren oder induktiv Härten noch entscheidend verbessert werden [14]. Anwendung finden diese Verfestigungsverfahren bereits bei Kurbelwellen und Pleueln.

183

184


3.1.4.2 Aluminium-Gusslegierungen Während die Eigenschaften von Eisengusslegierungen vor allem durch die Zusammensetzung und metallurgische Behandlung und weniger durch das Verfahren – hauptsächlich Sandgießen – beeinflusst werden, hat bei Aluminiumlegierungen das Verfahren einen wesentlichen Einfluss. Deshalb ist die Angabe der Legierungszusammensetzung und des Wärmebehandlungszustands nicht ausreichend. Grundsätzlich gilt, dass Aluminiumlegierungen umso bessere Eigenschaften aufweisen, je schneller die Erstarrung erfolgt. Dies bedeutet grundsätzlich Vorteile für das Druckgießen, gefolgt vom Kokillen- und Sandgießen. Jedoch muss beim Druckgießen beachtet werden, dass für die Ausschöpfung dieses Potenzials Gasund Oxideinschlüsse zu vermeiden sind, was den Einsatz von Vakuumsystemen bedeutet. Neben dem Gießverfahren können die Eigenschaften durch eine entsprechende Wärmebehandlung beeinflusst werden (siehe Abschnitt 2.1). Die Mindestwerte der mechanischen Eigenschaften der im Fahrzeugbau gebräuchlichsten Legierungen nach DIN EN 1706 für verschiedene Gießverfahren und Wärmebehandlungen sind in Tabelle 3.1.5 dargestellt. Die angegebenen Wärmebehandlungszustände der mechanischen Eigenschaften bedeuten nach den neuen europäischen Bezeichnungskonventionen:

F = Gusszustand (Herstellungszustand), T1= kontrollierte Abkühlung nach der Warmformgebung bzw. dem Guss und kalt ausgelagert, T4 = lösungsgeglüht, abgeschreckt und bei Raumtemperatur ausgelagert, T5 = kontrollierte Abkühlung nach der Warmformgebung bzw. dem Guss und warm ausgehärtet, T6 = lösungsgeglüht, abgeschreckt und auf maximale Festigkeit warmausgelagert, T64 = lösungsgeglüht, abgeschreckt und unvollständig warm ausgehärtet, T7 = lösungsgeglüht und überaltert (warm ausgelagert, stabilisierter Zustand). 3.1.4.3 Magnesium-Gusslegierungen Die Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften der Magnesium-Gusslegierungen sind in der Norm DIN EN 1753 festgelegt. Speziell für Druckguss werden, wegen des großen Einflusses der Prozessparameter, nur Anhaltswerte angegeben (Tabelle 3.1.6). Die Wärmebehandlungszustände werden analog zu Al-Legierungen bezeichnet. 3.1.5 Konstruktionsrichtlinien für Gussteile

Die Qualität eines Gussteiles wird durch die Wahl der Legierung, der metallurgischen Behandlung, des Gießverfahrens und der gießgerechten Geometrie beeinflusst. Der Erstarrungsvorgang im Teil muss so geführt werden, dass keine Schmelzbereiche von erstarrtem Material eingeschlossen werden, da durch das Volumendefizit beim Übergang flüssig-fest Lunker und Porositäten entstehen. Das

3.1 Gießtechnik Tab. 3.1.5 Mindestwerte der mechanischen Eigenschaften der wichtigsten im Fahrzeugbau eingesetzten Aluminiumgusslegierungen nach DIN EN 1706 (gemessen an getrennt gegossenen Prüfstäben). Rp0,2

Rm

A50

[MPa]

[MPa]

[%]

T6

190

230

2

75

F T6

80 180

150 220

2 1

50 75

AlSi10Mg(Cu)

F

80

160

1

50

AlSi9Mg

T6 T6

180 190

220 230

1 2

75 75

CEN-Nr.

CEN-Bezeichnung

EN-AC

EN-AC

a) Sandguss 42 100

AlSi7Mg0.3

43 000

AlSi10Mg(a)

43 200 43 300

Zustand

HB

45 000

AlSi6Cu4

F

90

150

1

60

46 200

AlSi8Cu3

F

90

150

1

60

AlSi7Mg0,3

T64

180

250

8

80

AlSi10Mg(a)

T6 F

210 90

290 180

4 2,5

90 55

T64

200

240

2

80

220 90

260 180

1 1

90 55

b) Kokillenguss 42 100 43 000

43 200

AlSi10Mg(Cu)

T6 F

43 300

AlSi9Mg

T6 T64

200 180

240 250

1 6

80 80

T6

210

290

4

90

45 000 46 200

AlSi6Cu4 AlSi8Cu3

F F

100 100

170 170

1 1

75 75

48 000

AlSi12CuNiMg

T5

185

200

95% erhöht. Die Herstellroute ist schematisch in Abb. 3.2.14 gezeigt. Über dieses Verfahren sind vor allem kleinere Bauteile mit sehr komplexer Geometrie, hoher Präzision und guten mechanischen Eigenschaften in großen Stückzahlen herstellbar. Der Großteil der metallischen MIM-Produkte besteht heute aus Rostfreistahl 316L oder anderen Stählen. MIM-Produkte auf Ti-Basis machen derzeit nur wenige Prozent der Produktionsmenge aus, die Tendenz ist aber stark steigend. Auch bei MIM von Titan ist die Reinheit der Ausgangspulver ein wesentlicher Faktor; man muss bei der Auswahl der Pulverfraktion die richtige Balance zwischen Sinteraktivität und Sauerstoffgehalt finden. Daneben ist aber die Neigung von Ti zur C-Aufnahme ein Risiko, weil vor allem während der thermischen Entfernung der organischen „Backbone“-Binderkomponente sehr leicht Kohlenstoff aufgenommen werden kann. Hier sind sowohl die Auswahl des Bindersystems als auch die Prozessführung sehr kritische Punkte; dennoch gelingt es heute, Ti-Formteile mit guter Reinheit und entsprechenden Eigenschaften in Großserienfertigung herzustellen. Vor allem in der Medizintechnik haben sich Ti-MIM-Teile wegen ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und Bioverträglichkeit bewährt [59]. 3.2.4 Ausblick

Vor allem in Hinsicht auf die steigenden Energiepreise ist damit zu rechnen, dass auch in der Pulvermetallurgie die Leichtmetalle immer mehr Bedeutung erlangen werden, wobei allerdings auch der zumeist recht hohe Energieaufwand bei ihrer Gewinnung zu berücksichtigen ist. Bei den Al-Formteilen werden die verschleißfesten Al-Si-Varianten sicherlich ihren Markt finden, wobei hier auch verschiedene Herstellvarianten kombiniert werden können. Ein gutes Beispiel dafür ist der kürzlich entwickelte Camphaser für die Nockenwellenverstellung (Abb. 3.2.15a) [60], bei dem die Komponenten einerseits über Pressen und Supersolidussintern, andererseits aber über Strangpressen hergestellt werden. Vor allem für die Kettenradfunktion ist die Verschleißbeanspruchung hoch. Es ist beachtlich, dass Sinteraluminium hier z. B. mit induktivgehärtetem Sinterstahl konkurrieren kann. Durch die Doppelpresstechnik und das Sinterschmieden wird auch die Schwingfestigkeit von Sinteraluminium deutlich verbessert. Es ist damit zu rechnen, dass in Zukunft auch ermüdungsbeanpruchte Bauteile zunehmend aus Al-Sinterlegierungen hergestellt werden. Die Formgebung über Pulverspritzgießen wird auch für Al-Bauteile eingeführt werden; erste ermutigende Resultate werden in der jüngsten Literatur berichtet [61]. Für mechanisch weniger stark beanspruchte Bauteile, wie z. B. heat

3.2 Pulvermetallurgische Leichtbauprodukte

Abb. 3.2.15 Hochbelastete Präzisionsteile aus PM-Aluminium: (a) Nockenwellenversteller (Camphaser) [65], (b) neuartige Ölpumpe [11].

sinks, ist die MIM-Technik von Al-Matrix-Verbundwerkstoffen zumindest in der Einführungsphase. Bei den volldichten, hochfesten Al-Werkstoffen wird die Möglichkeit, über die PM-Route besonders hochlegierte Werkstoffe herzustellen, generell stärker genutzt werden, ähnlich wie das bei den PM-Werkzeugstählen der Fall ist. Auch die Nutzung sehr feiner (1 µm oder geringer) Al-Pulver erscheint attraktiv, wenn der hohe Oxidgehalt dieser Pulver für die Härtung genutzt werden kann, wie z. B. in [62] gezeigt; in diesem Fall konnte die von Anwendern genannte „300/300“Forderung (300 MPa Festigkeit bei 300 °C) bereits erfüllt werden. Die Konsolidierung über Sprühkompaktieren ist ebenfalls noch nicht ausgereizt, vor allem bei den Werkstoffkonzepten. Hier kommt es primär darauf an, Anwendungen zu finden, bei denen die Vorteile gegenüber den Nachteilen der doch recht aufwändigen Herstellung überwiegen. Für die Titanpulvermetallurgie wird der entscheidende Punkt sein, ob die derzeit in Entwicklung befindlichen Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Ti-Pulver das halten, was man sich von ihnen verspricht. Falls dies zutrifft, kann erwartet werden, dass vor allem im Automobil Ti-Sinterteile zum Einsatz kommen werden. Der Markt für spritzgegossene Ti-Formteile wird sicherlich stark wachsen, nachdem die beträchtlichen technischen Probleme weitgehend überwunden sind. Schwer abschätzbar ist derzeit die Entwicklung im Bereich Magnesium [63]: Einerseits ist auch hier die Pulverroute ein guter Zugang für Verbundwerkstoffe, andererseits ist die Handhabung von Mg-Pulvern doch recht problematisch. Es wird sich zeigen, ob die Vorteile der PM-Fertigung die Nachteile aufwiegen, vor allem im Vergleich zu anderen, konkurrierenden Fertigungsverfahren für Mg-Produkte. In Form resorbierbarer Implantate könnten über Spritzguss hergestellte poröse Mg-Strukturen Anwendung finden [64]. Insgesamt gesehen sind die Aussichten für die Pulvermetallurgie der Leichtmetalle als sehr positiv zu betrachten, einerseits wegen des erwähnten Trends

211

212


zu leichteren Komponenten, andererseits wegen der technischen Vorteile, die PM-Produkte ermöglichen. Der größte Nachteil der PM-Fertigung, die gegenüber erschmolzenem Halbzeug teuren Ausgangspulver, wird durch die sehr abfallarmen und energiesparenden Net-shape-Formgebungstechniken umso mehr wettgemacht, je teurer das Material selbst ist, weil dann die zusätzlichen Umarbeitungskosten für die Pulverherstellung weniger ins Gewicht fallen. Danksagung

H. C. Neubing, Ecka Granulate GmbH, Velden, Deutschland; V. Kruzhanov, GKN Sinter Metals, Radevormwald, Deutschland; K. Hummert, Powder Light Metals GmbH, Gladbeck, Deutschland; P.Schäffler, Alulight GmbH, Ranshofen, Österreich; G. Schaffer, Queensland University, Brisbane, Australien, J. Trombino, Metal Powder Industries Federation, Princeton, USA

Literaturnachweis 1 Lee, P.W. et al. (eds.) (1998) ASM Handbook, Powder Metal Technologies and Applications, Vol. 7, ASM, Materials Park. 2 Schatt, W., Wieters, K.-P., Kieback, B. (2007) Pulvermetallurgie, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. 3 Danninger, H. (1996) Pulvermetallurgie – Beispiele für den Produkteinsatz, WIFI Österreich, Wien. 4 Bradbury, S. (1986) Powder Metallurgy Equipment Manual, 3rd edn, MPIF, Princeton. 5 Yule, A.J., Dunkley, J.J. (1994) Atomization of Melts, Clarendon Press, Oxford. 6 Dahn, C.J. (1984) Metals Handbook, Vol. 7, Powder Metallurgy, ASM, Metals Park, p. 194. 7 Danninger, H. (2006) Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis, Bd. 22 (Hrsg. H. Kolaska), Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen. 8 Neubing, H.C. (2004) Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis, Bd. 20 (Hrsg. H. Kolaska), Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen. 9 Lenel, F.V. (1980) Powder Metallurgy – Principles&Applications, MPIF, Princeton. 10 Powder Metallurgy Design Solutions (1999), MPIF, Princeton. 11 Produktinformation GKN Sinter Metals, Radevormwald (2007).

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3.2 Pulvermetallurgische Leichtbauprodukte

24

25 26 27

28

29

30 31

32

33

34

35 36

37

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38 Pohl, A., Eiberger, A. (2005) in: Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis (Hrsg. H. Kolaska) Bd. 21, Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, S. 161. 39 Faure, J.F., Brunel, G. (1987) Metal Powder Rep., 42(2), 101. 40 Danninger, H., Jangg, G., Schröder, K., Seyrkammer, J., Neubing, H.C. (1993) Metal Powder Rep., 48, 46. 41 Pardoe, J.A. (1979) Powder Metall., 22(1), 22. 42 von Zeerleder (1952) Proc. 1. Plansee Seminar, Reutte (Hrsg. F. Benesovsky), S. 211. 43 Benjamin, J.S. (1970) Met. Trans., 1, 2943. 44 Korb, G., Jangg, G., Kutner, F. (1979) Draht, 30, 318. 45 Jangg, G. (1986) Radex-Rundschau, 2/3, 169. 46 Danninger, H., Jangg, G., Zbiral, J. (1989) in Solid State Powder Processing (eds A. Clauer, J. de Barbadillo), TMS. 47 Produktinformation: Powder Light Metals GmbH, 45966 Gladbeck. 48 Nagy, J., Balog, M., Izdinsky, K., Simancik, F., Janickovic, D., Svec, P. (2005) Proc. DF PM’05, Deformation and Fracture in Structural PM Materials, Stara Lesna, Slovakia (eds L. Parilak, H. Danninger), IMR-SAS, Kosice, p. 106. 49 Hummert, K., Schattevoy, R. (2004) in Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis (Hrsg. H. Kolaska), Bd. 20, Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, S. 277. 50 Jangg, G., Oppenheim, H., Reichmayr, J. (1987) Z. Werkstofftech., 18, 87. 51 Milos, K. (1995) Dissertation, TU Wien. 52 Simancik, F., Jangg, G. (1994) Theoretical and applied fracture mechanics, 20, 11. 53 Hummert, K. (2000) in Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis, Bd. 16, VDIGesellschaft Werkstofftechnik, Hagen, S. 15. 54 Krug, P. (2006) in Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis (ed. H. Kolaska) Bd. 22, Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, S. 135. 55 Gerling, R. (2004) Proc. PM2004 Powder Metallurgy World Congress and Exhibition, Vienna (eds H. Danninger, R. Ratzi) Vol. 1, p. 77, EPMA, Shrewsbury. 56 Eylon, D., Froes, F.H. (1990) Metals Handbook, Vol. 2, ASM, Materials Park.

213

214

3 Fertigungstechnischer Leichtbau 57 Anonym (2007) Powder Injection Moulding International, 1(3), 11. 58 Bose, A., German, R.M. (1997) Powder Injection Moulding of Metals and Ceramics, MPIF, Princeton. 59 Ebel, T. (2008) Powder Injection Moulding International, 2(2), 63. 60 Pohl, A., Eiberger, A. (2005) in Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis, Bd. 21 (Hrsg. H. Kolaska), Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, S. 161. 61 Liu, Z.Y., Sercombe, T.B., Schaffer, G.B. (2008) Powder Metall., 51(1), 78.

62 Balog, M., Izdinsky, K., Nagy, J., Simancik, F., Donic, T. (2005) Proc. DF PM’05 Deformation and Fracture in Structural PM Materials, Stara Lesna, Slovakia (eds L. Parilak, H. Danninger), IMR-SAS, Kosice, p. 301. 63 Kainer, K.U. (2000) Proc. EuroPM2000 Munich, EPMA, Shrewsbury, p. 65. 64 Hort, N., Wolff, M. (2008) Powder Injection Moulding International, 22, 63. 65 Produktinformation: Alulight GmbH, Ranshofen, Österreich.

3.3 Umformtechnischer Leichtbau Bruno Buchmayr Kurzfassung

Erst die fertigungstechnische und ökonomisch sinnvolle Umsetzung der stofflichen und formspezifischen Leichtbauprinzipien führt zu verbesserten Bauteilen. Dabei weisen jene Umformprozesse ein erhöhtes Leichtbaupotenzial auf, die entweder dünnwandige Strukturen mit hoher Steifigkeit, wie beispielsweise unterschiedliche Profilformen und Hohlteile, unterstützen oder aufgrund ihres hohen hydrostatischen Druckspannungszustands und damit erhöhter Umformbarkeit komplexere Geometrien ermöglichen. Ergänzend zu den Aspekten der wirtschaftlich effizienten Formgebung wirken bei einer Kaltumformung die Kaltverfestigung und das Einbringen von Druckeigenspannungen positiv auf die Dauerfestigkeit. Weiter können die Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften massiv umgeformter Bauteile über Topologie- und Gestaltoptimierung durch einen optimalen Faserverlauf und die bei der Warmumformung ablaufende Kornfeinung verbessert werden, wodurch schlanker dimensioniert werden kann. In diesem Kapitel werden aktuelle Entwicklungen, insbesondere aus dem Bereich der Verkehrstechnik, sowohl hinsichtlich der angewandten Umformverfahren als auch mit Produktbeispielen dargestellt. 3.3.1 Einleitung

Kostengünstige Leichtbaustrukturen erfordern neben der Gestaltung (siehe Abschnitte 1.2 und 1.3), der Berechnung und der Auswahl geeigneter Konstruktionswerkstoffe (siehe Abschnitte 2.1 bis 2.3) vor allem eine Fertigungstechnik, die die Umsetzung erlaubt. Spezielle Umformtechnologien werden bei großen Stückzahlen deshalb gegenüber Urformen (siehe Abschnitte 3.1 und 3.2) bevorzugt, weil

3.3 Umformtechnischer Leichtbau

sie bei geringen Taktzeiten, hoher Automatisierung und hinreichender Prozesssicherheit hoch belastbare Bauteile gewährleisten. Bevorzugte Anwendungsbereiche für Leichtbaukomponenten sind primär die Verkehrstechnik (Motorrad, Pkw, Lkw, Bus, U-Bahn, Flugzeugtechnik und Raumfahrt), aber auch die Verpackungsmittel- und Sportgeräteindustrie. Im Allgemeinen gilt für den wirtschaftlich effizienten Leichtbau, dass ein Kilogramm eingespartes Gewicht im Automobilbau lediglich rund fünf Euro Mehrkosten verursachen darf, während es im Flugzeugbau schon einige Hundert und in der Raumfahrt einige Tausend Euros pro kg sein können. Daher werden in diesem Kapitel all jene umformtechnischen Fertigungsverfahren dargestellt, die bei hohem Leichtbaupotenzial möglichst kostengünstig sind und viele Gestaltungsmöglichkeiten für unterschiedliche Leichtbauwerkstoffe bieten. Viele Anwendungsbeispiele stammen aus dem Automobilbau, weil in dieser Branche der Fertigungskostenanteil relativ hoch ist und für unterschiedliche Losgrößen die eingesetzten Fertigungsmethoden sehr vielfältig und innovativ sind. Besonders die gewichtsintensiveren Baugruppen Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang (je ca. 1/4 des Gesamtgewichts) erfordern Leichtbaukonzepte. Die Eignung spezieller Umformverfahren für hochintegrale, endkonturnahe Bauteile mit geringem Nacharbeitungsbedarf wird ebenfalls hervorgehoben. Besondere umformtechnische Herausforderungen und Innovationen resultieren aber auch aus dem stofflichen Leichtbau durch die Verwendung von höherfesten Stahlfeinblechen oder von Aluminium- oder Magnesium-Komponenten, inklusive dem mechanischen Fügen artfremder Materialien. In mehreren größeren internationalen Programmen, wie ULSAB (UltraLight Steel Auto Body), ULSAS (S für Suspension bzw. Fahrwerk), ULSAC (C für Closures bzw. Türen) und ULSAB-AVC ( = Advanced Vehicle Concepts) [1] sowie in eigenen Entwicklungen der Werkstoffhersteller, wie z. B. das „New Steel Body (NSB)“-Konzept [2, 3] oder das „ATLAS Spaceframe“-Konzept [4] mit dem darauf aufbauenden „ScaLight“-Projekt [5], wurden deutliche Verbesserungen im Kampf gegen die durch Komfort- und Sicherheitserhöhung getriebene Gewichtsspirale erreicht. Generell wird versucht, die Einflüsse durch den Werkstoff und die Konstruktion auf die Fertigungsmethodik integrativ mit umformtechnischen Konzepten zu behandeln. 3.3.2 Herausforderungen an die Umformtechnik durch den stofflichen Leichtbau

Der Trend zur Multi-Material-Bauweise [6, 7] für den Pkw-Karosserieleichtbau hat zwar zu deutlichen Gewichtsreduktionen geführt, erschwert aber das Fügen (siehe Abschnitt 3.3.4), Rezyklieren (siehe Kapitel 5) und auch den Einsatz umformtechnischer Fertigungsverfahren. Aus diesem Grund werden hier auch die gestiegenen Herausforderungen hinsichtlich der Verarbeitung mäßig duktiler Werkstoffe und komplizierter Geometrien bei der Fertigung behandelt. Wie in Kapitel 2 dargestellt, erzielt man mit Leichtbauwerkstoffen entweder eine hohe spezifische Steifigkeit und/oder Festigkeit. Der Trend zu höherfesten Le-

215

216


Abb. 3.3.1 Bereich der Bruchdehnungs- und Streckgrenzenwerte für Stahlbleche und hochfeste Al-Legierungen mit den typischen Anwendungsbereichen der Blechumformverfahren.

gierungen bedeutet aber auch größere Anstrengungen bei der Umformtechnik. So sinkt mit zunehmender Festigkeit das Formänderungsvermögen (Abb. 3.3.1), während der Werkzeugverschleiß zunimmt. Ein weiteres Problem stellt auch die verstärkte Rückfederung dar, die mit der Streckgrenze zunimmt. Diese Faktoren führen aber auch zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der üblichen Fertigungstechnologien, wie in Abb. 3.3.1 dargestellt. Der höchste Festigkeitsbereich wird durch Dualphasenstähle (DP), TRIP-Stähle, Complex oder Mehrphasenstähle (MP) und martensitische Stähle abgedeckt. Im NSB-Projekt konnte durch Verwendung hochfester Stähle eine Gewichtsreduzierung von 24% bei nur 3% Kostensteigerung erreicht werden [8]. Im Allgemeinen ergibt sich das Blechdickenverhältnis shoch zu sgering für gleiche Biegefestigkeit einer Stahlplatte umgekehrt proportional zur Wurzel aus den Streckgrenzen Re gemäß Gl. (3.3.1) (siehe Abschnitt 2.3):

shoch = sgering ·

Re_gering Re_hoch

(3.3.1)

Mit Zunahme der Festigkeit ist eine deutliche Reduktion der Bruchdehnung bzw. der Umformbarkeit verbunden, was sich auch hinsichtlich der Dehnung in deutlich abgesenkten Grenzformänderungskurven zeigt. Speziell für die Verarbeitung und Anwendung hochfester Feinbleche sind vom International Iron and Steel Institute erprobte Richtlinien erstellt worden [9]. Weiter gibt es auch gravierende Probleme beim Schneiden und Stanzen (Stanzschlag), die zu unzulässigen


Beeinträchtigungen der Stanzaggregate führen bzw. nur durch den Einsatz des Laserschneidens bewältigt werden können. Im Vergleich zu den Feinblechen aus Stahl weisen die Al- und Mg-Legierungen einige Nachteile hinsichtlich der umformtechnischen Darstellung auf [10]. So zeigen Aluminiumbleche eine niedrigere Bruchdehnung bzw. eine deutlich abgesenkte Grenzformänderungskurve im Vergleich zu den Stahlblechen. Der niedrigere E-Modul bewirkt eine stärke Nachgiebigkeit und ein stärkeres Rückspringen. Mg-Teile für den Automobilbau werden meist im Druckguss hergestellt [11, 12], wobei einige dünnwandige Bauteile in Integralbauweise für den Innenbereich mit gefügten Stahlblechbaugruppen im Wettbewerb stehen (z. B. Instrumententafel). Mg ist wegen seiner hexagonalen Kristallstruktur kaum kaltumformbar. Aufgrund der notwendigen Umformtemperatur von 200 bis 300 °C für Mg-Knetlegierungen ist eine Großserie schwierig wirtschaftlich darstellbar. Weiter bereitet das Fügen mit anderen Metallen Probleme wegen Kontaktkorrosion. Mg-Knetwerkstoffe werden nur in Prototypfahrzeugen eingesetzt. 3.3.3 Umformtechnische Umsetzung der konstruktiven Leichtbauprinzipien 3.3.3.1 Steifigkeitserhöhende Maßnahmen Als Folge des Einsatzes höherfester Werkstoffe und damit immer dünner werdender Konstruktionen wird eine Erhöhung der Bauteilstabilität erforderlich. So wird z. B. bei Rohren die Mindestwandstärke mit einem Millimeter in der Praxis meist eingehalten, um Instabilitäten in Form des Beulens und Knickens zu vermeiden (siehe Abschnitt 1.2). Für das Fahrverhalten eines Automobils sind hingegen die Torsions- und Biegesteifigkeit der Karosserie wesentliche Kenngrößen, weshalb sich die Leichtbaugüte L gemäß Gl. (3.3.2) als Maß für den Karosserieleichtbau etabliert hat, wobei mK die Masse der Karosserie, cT die Torsionssteifigkeit und A die Aufstandsfläche ist.

L=

cT · A mK

(3.3.2)

Aus Sicht des umformtechnischen Leichtbaus liegt daher die wesentliche Aufgabe in der Umsetzung der konstruktiven Grundsätze des Leichtbaus [13–16] (siehe Abschnitt 1.2) in geeigneter Form, wie dies auch in Tabelle 3.3.1 dargestellt ist. In Abb. 3.3.2 sind die technologischen Maßnahmen und ihre Anteile zur Senkung des Fahrzeuggewichts nach Erfahrungen aus dem NSB-Projekt dargestellt. Auffallend ist der sehr hohe Anteil von 44% an geschlossenen Hohlprofilen. Zur Erzielung hoher Steifigkeiten ist ein möglichst hohes Trägheitsmoment bei geringen Wandstärken erforderlich. Eine konsequente Umsetzung der zuvor genannten Konzepte im Karosserie-Rohbau gelang im Pilotprojekt ScaLight (Abb. 3.3.3) [5, 17], indem ein skalierbares Basiskonzept mit gewichts- und kostenreduzierenden Verfahrenstechniken zur Herstellung von Bauteilen mit belastungsangepassten Blechdicken eingesetzt wurde.

217

218

3 Fertigungstechnischer Leichtbau Tab. 3.3.1 Leichtbaugrundsätze und deren umformtechnische Umsetzungsmöglichkeiten. Grundregeln für leichtbaugerechtes Design

Umformtechnische Umsetzung

Möglichst direkte Krafteinleitung, um komplizierte Spannungszustände zu vermeiden

Innenhochdruckumformung – T-förmige Rohrabzweigungen

Realisieren möglichst hoher Flächenträgheitsmomente

Rohre, Profile, Sicken, Querrippen Sandwich-Strukturen (Wellblech, Wabenkern, Schaumstoffkern etc.) space frame concept Gitterrohrrahmen

Räumliche Tragwerkskonzepte zur Erhöhung der Biege- und Torsionssteifigkeit Krümmen von Strukturen und Blechfeldern Lokale Verstärkungskonzepte

Einbringen von Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich Belastungsabhängige Geometrieanpassung Möglichst viele Funktionen in einem Lösungsansatz (Integralbauweise)

wölbstrukturierte Bleche Höckerbleche Tailored blanks and Tubes Geometrieanpassung bei Profilen Patchworktechnik lokale Kaltverfestigung der Oberfläche Festwalzen Kugelstrahlen Autofrettage Innenhochdruckumformung flexibles Walzen Thixoforging komplexe Strangpressprofile bzw. Walzprofile direkt gebogene Strangpressprofile

Abb. 3.3.2 Technologische Beiträge zum Leichtbau im „New Steel Body“-Konzept nach ThyssenKruppAutomotive (DAVEX ist ein mechanisches Fügeverfahren für Stegbleche).

3.3.3.2 Fertigungsgerechte Gestaltung Nach der Festlegung der Fertigungsroute bzw. der Methodenplanung sollte das Design nochmals hinsichtlich der fertigungstechnischen Gestaltung überprüft


Abb. 3.3.3 Profil-, Verbindungs- und Versteifungskomponenten zur Realisierung des Karosserieleichtbaus im Rahmen des Pilotprojekts ScaLight [5].

werden, weil dadurch eine prozesssichere, fehlerfreie Herstellung, verbesserte Gebrauchseigenschaften und auch Gewichtseinsparung resultieren können. Grundsätze des Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) finden sich in mehreren Fachbüchern [18–20], wobei insbesondere Aspekte der Verwendung von genormten Standard-Bauteilen, gieß- und schmiedegerechtes Konstruieren, Aspekte der Schweißbarkeit, Toleranzvorgaben entsprechend der Prozessfähigkeit, modularer Aufbau und Zugänglichkeit berücksichtigt werden. 3.3.4 Umformtechnischer Leichtbau ausgehend von Feinblech

Mehr als 90% der Leichtbaustrukturen sind dünnwandig, weshalb schon allein deshalb der Blechverarbeitung (Stanzen, Biegen, Tiefziehen) hohe Bedeutung zukommt. Im Vergleich zu den alternativen Verfahren, wie Al-/Mg-Druckguss und Kunststoff-Spritzguss, zeichnen sich die Blechumformverfahren und -produkte durch hohe Belastbarkeit, Fügbarkeit und Reparierbarkeit der Bauteile bei hoher Wirtschaftlichkeit (kurze Taktzeiten) aus. Bleche unterschiedlicher Güte, mit korrosivem Oberflächenschutz und in praxisgerecht gestuften Wandstärken sind leicht verfügbar und durch Transfer- oder Folgeverbundpressen sehr wirtschaftlich in hohen Stückzahlen herzustellen. 3.3.4.1 Tiefziehen von Tailored Blanks Tailored Blanks werden durch geradliniges Verschweißen der unverformten Bleche hergestellt. Großflächige Bauteile können durch Schneiden mittels Laser aus

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Tailored Blanks durch Biegen und Tiefziehen mit hohem Flächenträgheitsmoment an den Belastungsfall über Blechgüte, Blechdicke, Beschichtungstyp und -dicke angepasst werden. Dies führt neben einer Gewichtsreduzierung zu einer Verminderung der Teileanzahl und zu einer Optimierung der Bauteiltoleranzen. Tailored Blanks kommen zum Einsatz, wo Crash-Sicherheit, Gewichtseinsparung, höchste Bauteilqualität oder die Reduzierung der Fertigungsschritte gefordert werden. Für die Großserienproduktion im Automobilbau hat sich das Tiefziehen etabliert, wobei die Herstellung von gepressten Halbschalen, die an den Flanschen punktgeschweißt werden, eine wirtschaftliche Alternative zu Rohrkonstruktionen ist. 3.3.4.2 Patchwork-Technik Bei dieser einfachen Methode werden Bauteilbereiche mit erhöhter mechanischer Belastung durch Patch-Bleche lokal verstärkt, indem diese im Unterschied zu Tailored Blanks als zugeschnittene Platinen lasergeschweißt, gelötet oder geklebt und danach gemeinsam tiefgezogen oder durch Hydroforming umgeformt werden. Über die Wahl des Blechtyps (Al-Stahl-Kombinationen sind auch möglich), der Blechdicke und der Werkstofffestigkeit kann das mechanische Verhalten des Patchwork-Verbunds eingestellt werden. Bei Karosserien in Hybridbauweise werden Stahl- und Al-Bleche nebeneinander eingesetzt, wobei zum Fügen Technologien wie das Stanznieten, Durchsetzfügen und Schweißverfahren mit geringer Wärmeeinbringung wie z. B. die CMT (cold metal transfer) Technik zur Anwendung kommen. Der Steifigkeitssprung an den Rändern eines Patches stellt eine Schwachstelle dar, die aber durch eine nachgiebige Gestaltung des Patch-Randes bzw. durch eine angepasste Fügestellenkontur verbessert werden kann [21]. Typische Anwendungsbereiche sind Verstärkungen der Türscharniere, Schlösser oder auch Federbeinaufnahmen und Teile der inneren Bodenplatte. 3.3.4.3 Flexibel gewalzte Bleche (Tailor Rolled Blanks, TRB) Durch eine flexible, aber sehr präzise Steuerung der Walzspaltverstellung [22, 23] können Kaltbänder erzeugt werden, die in Walzrichtung variable, an den jeweiligen Belastungsfall angepasste Blechdicken aufweisen (Abb. 3.3.4). Nach diesem Walzprozess folgen weitere Verarbeitungsschritte, wie Biegen, Tiefziehen oder Rollprofilieren. Mit diesen kaltgewalzten Bändern sind Blechdickenunterschiede bis zu 50% möglich. Das Verfahren ist in jenen Fällen ideal, wo Struktur- und Fahrwerksteile über ihre Länge unterschiedliche Belastungen erfahren (Abb. 3.3.5). Alternativ können auch Dickenunterschiede über der Bandbreite durch das Bandprofilwalzen (Tailor Rolled Strips) hergestellt werden. 3.3.4.4 Formhärten oder Presshardening Die höchstfesten Stahlblechgüten für den Karosserie-Rohbau sind sogenannte pressgehärtete Stähle, die ausgehend von der Stahlgüte 22MnB5 entwickelt wurden und Festigkeiten von etwa 1500 MPa erreichen [24]. Stahlbleche dieses Typs werden bei ca. 950 °C in den austenitischen Zustand gebracht, in der Presse umgeformt und durch den direkten Metallkontakt in den martensitischen Zustand


Abb. 3.3.4 Prinzip des flexiblen Walzens [23].

Abb. 3.3.5 PKW-Anschlussträger mit variabler Blechdicke durch flexibles Walzen [23].

abgekühlt (direktes Formhärten). Durch erhöhten Anpressdruck kann der Wärmeübergangskoeffizient gesteigert und damit die kritische Abkühlgeschwindigkeit leichter erreicht werden. Beim indirekten Verfahren werden hingegen Platinen im weichen Zustand bei Raumtemperatur tiefgezogen und gestanzt, danach in den Austenitbereich erwärmt und im kalten Presswerkzeug martensitisch umgewandelt. Beide Prozessabläufe sind vergleichend in Abb. 3.3.6 gegenübergestellt. Durch Presshärten können prinzipiell höhere Umformgrade bei sehr geringen Presskräften (ca. ein Viertel der üblichen Kaltumformkräfte) und eine geringere Rückfederung erreicht werden. Nachteilig bei dieser Technologie sind die Verzunderung, der verminderte Korrosionsschutz und die geringen Bruchdehnungswerte im harten Zustand. Typische Bauteile sind B-Säule, Tunnel, Schweller und Querversteifungen (Abb. 3.3.7, nach [25]).

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Abb. 3.3.6 Vergleich der Vorgangsweise beim direkten und indirekten Formhärten höchstfester Blechteile (Quelle: Benteler Automotive).

Abb. 3.3.7 Einsatzbereiche formgehärteter, hochfester Bleche im Karosseriebau (Quelle: Benteler Automotive).

3.3.4.5 Walzplattieren Alternativ werden auch walzplattierte Stahl/Aluminium-Verbundbleche eingesetzt, die ein artgleiches Fügen mit benachbarten Komponenten ermöglichen. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Haftung sind spezielle Oberflächenvorbehandlungen, eine Anwärmung des Stahlblechs, ein Mindestumformgrad und


eine geeignete Wärmenachbehandlung notwendig. Sandwichbleche mit Al-Kern weisen hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf und werden für Sonderfahrzeuge eingesetzt. In [26] wird die Plattierung zwischen einem IF-Stahl und einer AlMgSi-Legierung untersucht. Zur Überprüfung der Haftfestigkeit derartiger Werkstoffverbunde hat sich der Hin- und Herbiegeversuch als sehr geeignet erwiesen. 3.3.5 Lokale Blechverstärkungskonzepte

Durch konstruktive Versteifungen kann die Steifigkeit von Leichtbaukonstruktionen deutlich erhöht werden (siehe Abschnitt 1.2) [14]. Je nach Geometrie wird unterschieden: • Ausbildung von Sicken, • Anformung von Rippen und • Formung von Randversteifungen, Durchzüge und Falze. 3.3.5.1 Sicken Ebene Bleche sind biegeweich und neigen zum Ausbeulen und zur Geräuschentwicklung. Durch die systematischen Studien von Oehler [27, 28] werden seit Mitte der 1960er Jahre rinnenartige Vertiefungen (Sicken) zur Steifigkeitserhöhung über die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments eingebracht. Häufige Formen (Abb. 3.3.8) sind halbrunde Sicken, Kasten- und Trapezsicken, wobei die Versteifungswirkung primär von der Ausprägungstiefe abhängt. Ferner können Sicken bei richtiger Auslegung Spannungsspitzen im Blech, hervorgerufen durch lokale Verformungen, abbauen. Eine Sonderform spielen sogenannte Raffsicken, die dazu dienen, beim Tiefziehen überschüssiges Blechmaterial aufzunehmen und somit Oberflächenstörungen und Faltenbildung zu vermeiden. Wichtigster Parameter neben der Sickenhöhe, die mit der dritten Potenz im Trägheitsmoment eingeht, ist die Sickenlage und -orientierung. Im Folgenden sind einige Gestaltungsrichtlinien aufgelistet: • Wird ein gedachter Schnitt durch ein versicktes Blech gelegt, so muss immer mindestens eine Sicke geschnitten werden. • Kreuzungen von Diagonal-Sicken sind zu vermeiden, da sie unter Umständen die Steifigkeit herabsetzen und sich an den Knotenpunkten Spannungsspitzen aufbauen. • Je ungleichmäßiger eine Sicke verläuft, desto höher ist die Versteifungswirkung. • Bleche mit Rechteckumfang sollten mit rund verlaufenden Sicken versehen werden und umgekehrt.

Zur Unterstützung der Sickenoptimierung werden heute spezielle Softwaresysteme, wie TOSCA.bead oder Optistruct eingesetzt. Einen aktuellen Überblick über die

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Abb. 3.3.8 Sickenanordnungen nach Öhler [28]; von links nach rechts zunehmende Steifigkeit.

eingesetzten Verfahren und Regeln zur Entwicklung und Optimierung von Sickenkonstruktionen gibt [29]. 3.3.5.2 Rippen, Randversteifungen und Durchzüge Als Rippen werden schmale Versteifungsleisten, die unterhalb von Blechen befestigt werden, bezeichnet. Ein typisches Einsatzgebiet sind Spanten beim Flugzeugbau. Der Materialaufwand ist aber meist höher als beim Sicken. Um freie Ränder zu stabilisieren und den Beulwiderstand zu erhöhen, werden im Karosseriebau meist Falze und Bördelungen vorgenommen. Zur Kompensation der Steifigkeitseinbuße bei gelochten Blechen werden die Löcher als Durchzüge ausgeformt. Dabei sollte die Durchzugtiefe etwa ein Zehntel des Lochdurchmessers betragen, um ähnliche Eigenschaften wie ein ungelochtes Blech zu erreichen. 3.3.5.3 Strukturierte Feinbleche Zur Steigerung der Steifigkeit von Blechkonstruktionen werden auch unterschiedliche Feinstrukturen aufgeprägt. Eine Einteilung der Fertigungsmöglichkeiten von strukturierten Feinblechen zeigt Tabelle 3.3.2. Ein jüngstes und mit dem Stahlinnovationspreis 2006 ausgezeichnetes Beispiel ist die Fertigung der Motorhaube des Opel Zafira. Bei ca. 30% Gewichtseinsparung und Erhöhung der Torsionssteifigkeit um 160% wurde die Außenhaut aus ZStE180 BH mit einer Dicke von 0,6 mm und die Unterkonstruktion aus 0,5 mm dickem Blech der Güte DC04 gefertigt. Durch die spezielle wabenförmige Ausformung des Hauben-Innenbleches (Abb. 3.3.9) konnte eine effektive Energieabsorption gewährleistet werden,

3.3 Umformtechnischer Leichtbau Tab. 3.3.2 Fertigungsverfahren und Werkzeugkonzepte zur Herstellung von steifen Blechstrukturen. Fertigungsverfahren

Werkzeugkonzept

Halbzeug

Hohlprägen Wellbiegen

mit starrem Werkzeug Walzbiegen

Waffelstrukturblech Wellblech

Walzstrukturierung

Tiefziehen mit starrem Werkzeug

Walzstrukturblech

Beulstrukturierung Kugelstrukturierung

Umformen mit Elastomerwalzen Tiefziehen mit Wirkmedien

Beulstrukturblech Kugelstrukturblech

Hydrostatisches Streck-Stülp-Umformen

Umformen mit Wirkmedien

Höckerblech

Abb. 3.3.9 Besonders für den Fußgängerschutz konzipierte, leichte und steife Motorhaube des Opel Zafira 2005 im Vergleich zu 1999 (Quelle: VDEh).

wodurch die Verzögerung und damit der Schweregrad einer möglichen Kopfverletzung bei einem Unfall mit einem Fußgänger extrem reduziert wird. Über das innovative Prinzip der Selbstorganisation bzw. der Energieminimierung sind versetzte 3D-Wabenanordnungen mit sehr hoher Formsteifigkeit bei geringem Gewicht möglich [30]. Beim Wölbstrukturieren entstehen aus dem Material heraus durch Druck von außen mehrdimensionale, hexagonale Strukturen durch Faltung ohne herkömmliche Formwerkzeuge. Aluminium, Stahl, Kupfer und Titan können unter 1 mm Wanddicke und Strukturtiefen von bis zu 5 mm zu Wabenstrukturen geformt werden, wobei die Bauteilsteifigkeit überproportional mit der Beultiefe zunimmt. Eine weitere Besonderheit wölbstrukturierter Bleche ist die Verringerung der Schallemission, weshalb diese Bleche für Bodenbleche und Abdeckungen vermehrt zum Einsatz kommen.

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Abb. 3.3.10 Prinzip der Herstellung von Sandwich-Strukturen (Hotmelt ist ein spezielles Klebesystem zum Fügen der Wellbleche mit den Deckblechen) (Quelle: Metawell, www.metawell.de).

3.3.5.4 Sandwich-Elemente Sandwich-Konstruktionen übertreffen durch die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments infolge des schubsteifen Verbunds die üblichen Blechversteifungsmaßnahmen bei Weitem (siehe Abschnitt 1.2). Neben der Dicke und den E-Moduli der Deckschichten (üblich sind Aluminium oder faserverstärkte Kunststoffe) ist das Kernmaterial entscheidend. Es werden sowohl homogene Kerne aus Kunststoffen oder Schäumen als auch strukturierte Kerne (Wellen-, Honeycomb-, Rechteckkerne) verwendet. Die Bauteilhöhe geht quadratisch in die Biegesteifigkeit ein. Die Herstellung erfolgt kontinuierlich mit einem zähelastischen Klebesystem (Abb. 3.3.10). 3.3.6 Rohrbasierte Konzepte

Räumliche Strukturen aus Rohren sind aus strukturmechanischer Sicht ideal, da sie im Gegensatz zu Profilen unkritischer in Bezug auf lokale Instabilitäten sind und die höchste Torsionssteifigkeit aufweisen. Aus Sicht eines wirtschaftlich effizienten Leichtbaus sind Rohre deshalb bedeutsam, weil sie in unterschiedlichen Werkstoffen und in einem weiten Abmessungsbereich verfügbar sind. Rohre werden meist aus Blechen durch Rollen und Fügen gefertigt. Aus Al-, Ti- und MgKnetlegierungen können relativ dünnwandige Rohre auch stranggepresst werden. 3.3.6.1 Gitterrohrkonstruktion und Spaceframe-Konzept Bereits 1954 wurden die tragenden Komponenten des Mercedes-Benz 300SL als Gitterrohrrahmen ausgeführt. Ähnliche Konzepte findet man noch heute bei den Gitterrohrfahrwerken einiger Motorradhersteller. Diese Gitterrohrrahmen aus hochfesten Stahlrohren vereinen Leichtigkeit und Verwindungssteifigkeit und verleihen den Motorrädern hohe Stabilität bei gleichzeitig gutem Fahrverhalten. Wesentliche Herausforderung ist dabei die sorgfältige Ausführung der Rohrknoten, um möglichst hohe Betriebsfestigkeit zu erreichen (vgl. Abschnitt 3.3.7.2). Dieses Konzept wurde auch in vielen Varianten insbesondere bei Aluminium-


Karosserien als Spaceframe-Konzept etabliert. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart liegt in der modularen Anpassung beim Bau unterschiedlicher Fahrzeugderivate, wie dies auch im SCALIGHT-Projekt [5] vorgesehen ist. 3.3.6.2 Walzprofilieren Durch Walzprofilieren hergestellte Bauteile unterstützen das Spaceframe-Konzept auf eine sehr effiziente und wirtschaftliche Art. Als wesentliche Vorteile sind das nahezu unbegrenzte Formenspektrum, die aufgrund des hohen Flächenwiderstandmoments erreichbare Steifigkeit bei geringem Gewicht, die hohe Wirtschaftlichkeit, die enge Maßhaltigkeit und die gezielte Nutzung der lokalen Kaltverfestigung zu nennen [31–34]. Zu den charakteristischen Eigenschaften zählen auch noch die geringen Werkzeugkosten, die relativ problemlose Verarbeitung ultrahochfester Werkstoffe [35, 36] und die einfache Integration von Stanz- und Biegeoperationen. Die Toleranzen beim Profilquerschnitt betragen ca. ±0,3 mm. Im Vergleich zum Abkanten/Biegen können beim Walzprofilieren auch kleinere Biegeradien erreicht werden (Abb. 3.3.11 nach [9]). Die relativ komplexen Hohlprofile zeichnen sich durch hohe Torsionssteifigkeit aus. Für den Automobilbau werden auch noch Nachfolgeprozesse, wie Streck- oder Rollbiegen, Laserschneiden und Endenbearbeitungen durchgeführt. Es werden sowohl blanke, wie verzinkte, weiche bis hochfeste Stähle und Aluminiumlegierungen verarbeitet. Typische Produkte im Fahrzeug sind Türrahmen, Schweller, Seitenaufprallträger, Stoßfängerquerträger, Fensterführungsschienen, Dachrahmen, Blenden und Verbindungsstreben (Abb. 3.3.12).

Abb. 3.3.11 Vergleich der erreichbaren Biegeradien r zur Wandstärke s beim Walzprofilieren und beim konventionellen Biegen (nach [9]).

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Abb. 3.3.12 Walzprofile aus hochfestem Stahl (Quelle: Welser Profile).

3.3.6.3 Tailored Tubes Im Vergleich zu den Tailored Blanks sind die Entwicklungen von Tailored Tubes relativ jung, die mit linear oder partiell veränderlichem Querschnitt oder mit angeformten Anschlusselementen eine hohe Formenvielfalt bieten. Die neueste Entwicklung ist die „T3 -Profiliertechnik“ [37], die die Einformung des Profils und das Laserschweißen in einer Maschine vereint, wozu drei Gesenke und ein Metallkern für die gewünschte Geometrie sorgen. Eine spezielle, wirtschaftliche Variante für starre Achsen stellt das Eindrücken bzw. Längsfalten von dickwandigen Rohren dar, um insbesondere das Widerstandsmoment in der z-Achse zu erhöhen (Abb. 3.3.13). Nachdem an das Rohr noch die Radaufhängung angeschweißt wird, werden für diese Komponente lufthärtende Vergütungsstähle vom Typ LH800 (ähnlich zu 15CrMoV6-9) verwendet. Diese Stahlgüte wird aufgrund der guten Kaltumformbarkeit im weichen Zustand

Abb. 3.3.13 Verbundachsträger mit U-förmigem Rohrquerschnitt und runder Schweißnaht aus lufthärtendem Vergütungsstahl.


(Rm ~ 500 MPa) und der Vergütbarkeit auf eine Festigkeit von ca. 800 MPa insbesondere für geschweißte, statisch und dynamisch hoch belastete Bauteile und sicherheitsrelevante Komponenten eingesetzt. 3.3.6.4 Innenhochdruckumformung (IHU) Flexible Formgebung, Integration von Teilen und angepasste, steife Querschnitte von längsnahtgeschweißten und vorgebogenen Rohren können durch die Innenhochdruckumformung (IHU) erreicht werden [38, 39]. Gegenüber der Schalenbauweise bietet dieses Verfahren auch den Vorteil, dass bei Trägerkonstruktionen kein Flansch zum Fügen der Halbschalen benötigt wird. Durch exaktes Abstimmen von Axialkraft- und Druckaufbringung sind Fehler, wie Falten, Beulen und Bersten vermeid- und sehr komplexe Bauteilgeometrien mit hoher Betriebsfestigkeit herstellbar. Das Prinzip und der zeitliche Prozessablauf sind schematisch in Abb. 3.3.14 dargestellt. Ausgehend von einem längsnahtgeschweißten Rohr umfasst die Prozesskette die Schritte Weichglühen, Vorbiegen auf CNC-Rohrbiegemaschinen, mechanische Vorumformung und Hochdruckumformung, ggfs. mit inkludiertem Stanzen. Obwohl die Taktzeiten ein Mehrfaches des konventionellen Tiefziehens betragen, nimmt die Anzahl der in Serie gefertigten Teile aus Stahl und nicht aushärtbaren Al-Legierungen ständig zu. Ein junges, formvollendetes Beispiel ist die einteilige IHU-geformte A-Säule des Volvo Cabriolets C70 [40] (Abb. 3.3.15), mit der höchste Sicherheitsanforderungen (Dacheindrückung im Fall eines Überschlags) erfüllt werden. Zusätzlich zur Rohraufweitung entwickelt sich mit steigender Bedeutung die hydromechanische Blechumformung, bei der zwei Bleche im Werkzeug vorgeformt, verschweißt und hydromechanisch zu sehr stabilen Schalenkonstruktionen kalibriert werden. Derartige Bauteile finden Einsatz als Dreieckslenker, Motorträger u. a. m. [41].

Abb. 3.3.14 (a) Prinzip und (b) Prozessparameter beim Innenhochdruckumformen.

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Abb. 3.3.15 Verformungsschritte der IHU-geformten A-Säule des Volvo C70 mit hoher Steifigkeit und Integration mehrerer Bauteile [40].

3.3.6.5 Heat Forming Die Funktionsweise des Heat Forming ist sehr ähnlich zum zuvor beschriebenen IHU-Prozess, jedoch wird dieser neue Prozess bei üblichen Warmumformtemperaturen durchgeführt [42]. Die Werkzeuge werden wie beim isothermen Schmieden ebenso auf Warmumformtemperatur erwärmt. Die Haupteinflussgrößen dieses Prozesses sind der Formelementdurchmesser, die Temperatur des Wirkmediums sowie das axiale Nachschieben. Insgesamt erlaubt dieser Prozess noch komplexere Teilegeometrien und dickere Wandstärken (Abb. 3.3.16). Somit werden auch die schwieriger umformbaren, aushärtbaren Al- und Mg-Legierungen als komplexe Hohlbauteile herstellbar [43]. 3.3.6.6 Rundkneten von Hohlwellen Ausgehend von dickwandigen Rohren bietet dieses Kaltumformverfahren viele Vorteile, die für Leichtbaustrukturen genutzt werden können, wie hohe Materialersparnis, kurze Bearbeitungszeiten, enge Toleranzen, Kaltverfestigung, durchgehender Faserverlauf, hohe Oberflächenqualität und die Möglichkeit zur Innenprofilierung. Hinsichtlich der verarbeitbaren Werkstoffe wird meist eine untere


Abb. 3.3.16 Komplexe Bauteilgeometrien mit HEAT Forming aus Stahlblech hergestellt (Quelle: GFU).

Grenze bei der Bruchdehnung von 8% genannt. Eine detaillierte Prozessbeschreibung folgt im Abschnitt 3.3.7. 3.3.6.7 Axialformen Eine besondere Herausforderung bei gewichtsoptimierten Hohlwellen, die hohe Drehmomente übertragen müssen, ist die Herstellung von Außenverzahnungen. Im Allgemeinen sollte die Wandstärke unter dem Fußkreis mindestens zweifache Zahnhöhe betragen. Ein dafür geeignetes und dem Axialfließpressen ähnliches Verfahren ist das Axialformen, bei dem eine armierte Hartmetallmatrize axial über das Werkstück gezogen wird. Zur Reduktion der Reibungs- und Verformungskräfte kann auch eine schrittweise Hin- und Rückbewegung (frequenzmodulierte Methode) erfolgen [44, 45]. Typische Bauteile aus dem Antriebsstrang zeigt Abb. 3.3.17. 3.3.6.8 Zylindrisches Drückwalzen und Fließrollen Beim zylindrischen Drückwalzen (Bohrungsdrücken oder flow forming) [46] wird ein zylindrisches Vollmaterial über den gesamten Wanddickenquerschnitt zwischen einem axialen Innendorn und meist drei Drückrollen unter radialer Druckspannung gleichmäßig verdrängt und ein napfförmiger Hohlkörper geformt (Abb. 3.3.18). Das Verfahren stellt eine Kombination des Abstreckdrückens mit dem Fließpressen dar und gehört zu den inkrementellen Umformprozessen. Durch die enorme Kaltverfestigung, den optimalen Faserverlauf und die hohe Präzision und Oberflächengüte kann eine deutliche Gewichtsreduktion erzielt

Abb. 3.3.17 Axialgeformte Antriebskomponenten (Quelle: HMP).

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Abb. 3.3.18 Prinzip des (a) Bohrungsdrückens bzw. (b) zylindrischen Drückwalzens [46].

werden. Charakteristisch sind auch die hohe Maß-, Form- und Massegenauigkeit, die hohe Wirtschaftlichkeit durch gute Materialausnutzung, die reduzierten Werkzeugkosten sowie die geringe Lärmemission. Das Verfahren erlaubt jedoch nur die Fertigung von rotationssymmetrischen Teilen. Typische Produktbeispiele im Automobilbau und in der Luftfahrt sind dünnwandige Druckbehälter (Airbags), innenund außenverzahnte Getriebeteile und Differentiale sowie hohle Antriebswellen und hydraulische oder pneumatische Aktuatoren. Das Fließrollverfahren [47] baut auf dem Prinzip des Drückwalzens auf, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, dass das Werkzeug keine Rolle ist, sondern ein topfförmiges Werkzeug, in das die gesamte Kontur eingearbeitet ist. Durch entsprechende Werkzeugform und unterschiedliches Nachschieben von Rohrmaterial sind sehr viele Bodenformen mit unterschiedlicher Wanddicke möglich. Die Innengeometrie der Bauteile kann durch unterschiedliche Innendorne nahezu beliebig gestaltet werden. Typische Anwendungsbeispiele sind Airbag-Druckbehälter, Stoßdämpfer, Getriebewellen und -flansche sowie Trag- und Druckrollen (Abb. 3.3.19). 3.3.7 Leichtbau im Bereich der Massivumformung

Seit Langem wird das hohe Leichtbaupotenzial verschiedener Massivumformprozesse zur Erhöhung der Betriebsfestigkeit und zur Gewichtsreduktion genutzt [48, 49]. Als wesentliche Mechanismen werden angewandt:


Abb. 3.3.19 Beispiele für das Fließrollen von rotationssymmetrischen Bauteilen [47].

• das Einbringen von Druckeigenspannungen im Oberflächenbereich durch Kaltumformung, • die Anpassung des Faserverlaufs an die Belastungssituation, • das Schließen von Poren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit, • das Einstellen lokal angepasster Korngrößenverteilungen durch thermomechanische Behandlungen, • die hohe Formgebungsvielfalt und das erhöhte Leichtbaupotenzial bei Umsetzung der Ergebnisse aus einer vorgeschalteten Topologie- und Gestaltoptimierungsrechnung, • die Darstellung erhöhter Umformgrade und feinerer Strukturen durch Umformverfahren mit hohem hydrostatischen Druckanteil und • die Möglichkeit zur zusätzlichen Leistungssteigerung durch Bauteilnachbehandlung in Form von thermochemischer oder mechanischer Randschichtumwandlung. Die Anwendung und Kombination dieser eigenschaftsverbessernden Möglichkeiten begründet die überragende Bedeutung von Schmiedeteilen im Falle hoher dynamischer bzw. sicherheitsrelevanter Bauteile. Voraussetzung ist natürlich auch eine gute Abstimmung zwischen fertigungsgerechter Konstruktion, optimaler Werkstoffauswahl (Knetlegierungen [50, 51]) und der geeigneten Fertigungstechnologie. 3.3.7.1 Stranggepresste Profile und deren Anbindung Der besondere Vorteil des Strangpressens resultiert aus dem Umstand, dass alle drei Hauptspannungen Druckspannungen sind, wodurch auch Werkstoffe mit geringem Umformvermögen plastisch rissfrei verformt werden können bzw. sehr komplexe Profilgeometrien darstellbar sind. Die minimale Wanddicke liegt bei ca. 1 mm. Für Aluminiumlegierungen ist das Strangpressen das wichtigste Umformverfahren zur kontinuierlichen und damit sehr ökonomischen Herstellung feingliedriger Querschnitte mit hoher Funktionsintegration (Abb. 3.3.20). Für die Fertigung

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Abb. 3.3.20 Multifunktionalität bei stranggepressten Al-Profilen (Quelle: SAPA).

von Hohl- und Vollprofilen werden drei Verfahren, das direkte, indirekte und in speziellen Fällen hydrostatische Strangpressen angewandt. Ein stranggepresstes Profil ist immer dann wirtschaftlich herstellbar, wenn gleiche Wandstärke, weiche Formen mit abgerundeten Kanten, symmetrische Querschnitte, kleine umschreibende Kreise und breite Öffnungen vorliegen. Erhöhte Produktivität und Kostenreduktion konnte auch bei üblicherweise gesenkgeschmiedeten Koppelstangen für Radaufhängungen erzielt werden [54]. Durch Aufweitung beider Lagerbohrungen konnte eine Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen eingebracht werden, um ähnliche Betriebsfestigkeit zu erreichen. In Folgeoperationen können stranggepresste Profile kalt gebogen und durch Hydroforming zu sehr komplexen Geometrien weitergeformt werden. Es ist aber auch mit Führungswerkzeugen möglich, gleich nach dem Verlassen der Matrize die Profile im warmen Zustand und dadurch mit erhöhter Umformbarkeit zu runden (Stoßfänger-Herstellung) [55]. Im Endprodukt ergeben sich dadurch geringere Querschnittsdeformationen, kaum Vorschädigung und geringere Eigenspannungen. Zur Erhöhung der Steifigkeit von Hohlprofilen werden auch Aluminiumverbundprofile mit faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Dabei werden faserverstärkte Langprodukte in Hohlräume der Profile eingebettet [56]. 3.3.7.2 Profilübergänge und -verbindungen Ganz entscheidend für die Gesamtsteifigkeit einer Leichtbaustruktur ist der Übergang (Strukturknoten) von Profil zu Profil (stranggepresst oder walzprofiliert) bzw. von Profil zu Blechstrukturen [57]. In vielen Fällen werden die Eck- oder Stumpfstöße geschweißt, was jedoch bei dünnwandigen Konstruktionen zu unzulässigem Verzug führt. Steckverbindungen und Eckversteifungen (stranggepresst oder gegossen) helfen bei der Aufrechterhaltung der Steifigkeit, während gelenkartige Verbindungen auf jeden Fall vermieden werden müssen. Bei stranggepressten


Abb. 3.3.21 Eckverbindungen und Knotenstrukturen: (a) Trägeranbindungen aus tiefgezogenen Profilen mit unterschiedlicher Steifigkeit, (b) Beispiele für genietete bzw. geschweißte Knoten für Lkws nach Altair [57], (c) Eckverbindung für stranggepresste Profile nach dem System Hueck/Hartmann, (d) punktweise Lasteinleitung beim Kugelknoten nach dem MERO-TSK-System.

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Systemprofilen gibt es bereits sehr gute Lösungen in Form von Winkeln, feststellbaren Gelenken, Würfelverbindern, Eckwinkeln, T-Verbindern und anderen (Abb. 3.3.21). 3.3.7.3 Fließpressteile Fließpressen wird vorrangig für rotationssymmetrische Formen eingesetzt und gehört aufgrund der geringen Taktzeiten und der hohen Ausbringung zu den wirtschaftlichsten Umformverfahren [58]. Im Unterschied zum Tiefziehen wird hier der Durchmesser der Vormaterialbutze kaum verändert und die Verformung erfolgt hauptsächlich unter Druck. Die oft einbaufertigen Werkstücke sind sehr maßgenau und weisen eine glatte Oberfläche auf. Der Prozess erlaubt sehr geringe Wanddicken (Dosen bis zu 0,2 mm) bei dickeren Böden und Flanschen. Durch die Kaltumformung, den nicht unterbrochenen Faserverlauf und die hohe Oberflächengüte erreicht man auch sehr gute Betriebsfestigkeiten.

Abb. 3.3.22 Typische Grundformen für das Fließpressen zur Herstellung dünnwandiger Bauteile.


Höchste Umformgrade und damit komplexe Geometrien lassen sich beim Rückwärtsfließpressen mit weichen Werkstoffen verwirklichen. Die zulässigen Formänderungen nehmen in der Reihenfolge Reinaluminium, AlMgSi-Legierungen, Messing, Stähle mit niedrigem C-Gehalt, Einsatzstähle und Vergütungsstähle ab. Die für den Kaltfließprozess besonders geeigneten Bauteilformen sind in Abb. 3.3.22 dargestellt. 3.3.7.4 Gesenkschmiedeteile Im Gesenk geschmiedete Bauteile zeichnen sich durch hervorragende Festigkeitsund Zähigkeitseigenschaften aus und ermöglichen eine gezielte Wandstärkenverteilung. Bei hoher Materialausbringung können damit sehr komplexe Geometrien erzeugt werden. Durch das poren- und lunkerfreie Gefüge und den angepassten, homogenen Faserverlauf ist insbesondere die dynamische Belastbarkeit gegenüber Gussteilen und spanend gefertigten Teilen deutlich erhöht. Die Herstellung von Schmiedeteilen aus Aluminium-Knetlegierungen unterstützt zusätzlich den Leichtbau. Dabei ist die niedrige Fließspannung/Umformkraft, hohe Umformbarkeit und die hohe Oberflächenqualität von Bedeutung. Die gute Zerspanbarkeit und die damit verbundene kurze Bearbeitungszeit sprechen ebenfalls für geschmiedete Aluminiumteile. Fertigungstechnisch sind die speziellen Richtlinien für die Stegbreite und die Übergangsradien zu beachten, die sich von jenen beim Stahlschmieden unterscheiden. Die AlMgSi-Legierungen zeichnen sich durch sehr gute Warmumformbarkeit bei etwa 450 °C aus und können zusätzlich noch ausgehärtet werden. AlMgSi-Legierungen sind daher die Standardgüten für Fahrwerksteile, wie Quer-, Längs- und Führungslenker. Zur gezielten Ausnutzung des Leichtbaupotenzials kann die Topologie- und Ge-

Abb. 3.3.23 Topologie- und gestaltoptimiertes, gesenkgeschmiedetes Schwenklager (Quelle: Hirschvogel Automotive Group [48]).

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staltoptimierung eingesetzt werden [48]. Einen auf diese Weise entwickelten AlRadträger mit sehr komplexer Geometrie zeigt Abb. 3.3.23. Für Flugzeuge werden auch Schmiedeteile aus höchstfesten Al-Legierungen, Stahl, Ti- und Ni-Basislegierungen hergestellt. 3.3.7.5 Festwalzen Festwalzen ist ein bewährtes Verfahren zur Einbringung von Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich, wodurch die Dauerfestigkeit erhöht und damit der Leichtbau unterstützt wird [59]. Zur Sicherstellung reproduzierbarer Eigenspannungsverläufe müssen die Parameter Walzkraft, Vorschub, Geschwindigkeit und Geometrie laufend kontrolliert werden. Neben dem positiven Druckspannungseffekt tritt auch eine Kaltverfestigung und Glättung, dadurch eine Beseitigung von Mikrokerben ein. Dies macht das Verfahren besonders effizient. Die Abb. 3.3.24 zeigt den Druckspannungsverlauf in einem kugelgestrahlten im Vergleich zu einem festgewalzten Bauteil, wobei insbesondere die größere Tiefenwirkung auffällt.

Abb. 3.3.24 Eigenspannungsverlauf beim Festwalzen eines Radflansches einer Pkw-Vorderachse im Vergleich zu jenem nach dem Kugelstrahlen (Quelle: ecoroll).

3.3.7.6 Radialschmieden Der Einsatz des Rundknetens hat sich seit einigen Jahren in der Umformung von Leichtbaukomponenten sehr verbreitet. Besonders aufgrund des hohen hydrostatischen Drucks können auch schwierig umformbare Werkstoffe mit engen Schmiedefenstern verarbeitet werden [60, 61]. Bei der Verfahrensauswahl kann zwischen zwei verschiedenen Anlagenkonzepten (GFM [62] und FELSS [63]) gewählt werden, die sich in der Krafteinleitung unterscheiden. Nach dem Konzept von GFM können höhere Umformkräfte erzeugt und dadurch auch größere Abmessungen geschmiedet werden. Das Prinzip des GFM-Radialschmiedens ist in Abb. 3.3.25 dargestellt. Die Vorteile des Rundknetens sind:


Abb. 3.3.25 Aufbau einer SKK-Radialschmiedemaschine und Maschinenansicht beim Kaltschmieden einer abgesetzten Welle (Quelle: GFM).

• endkonturnahe Außen- und Innenformgebung durch Schmieden über Dorn, • hohe Werkstoffausnutzung und hohe Oberflächengüte, • erhöhte Umformbarkeit durch den hohen hydrostatischen Druck, • optimaler Faserverlauf und über die Kaltumformung erhöhte Dauerfestigkeit, • flexible Prozesskette (Warm-/Halbwarm-/Kaltumformung) und • kurze Taktzeiten und damit hohe Produktivität. Neben dem Schmieden von Vollquerschnitten kommt das Rundkneten vor allem bei der Erzeugung von Hohlprodukten im Antriebs-, Fahrwerks- und Lenkungsbereich [60] zum Einsatz. Sehr elegante Lösungen sind dabei radialgeschmiedete Hohlwellen, wie sie z. B. für Verteilergetriebe eingesetzt werden. Mittels Innendorn können auch Verzahnungen in der notwendigen Präzision kalt geformt werden, ohne dass eine gesonderte spanende Nachbearbeitung notwendig wird. Durch die Kaltverformung und angepasste Legierungssysteme können somit sehr hohe Betriebsfestigkeiten erzielt werden. Die Optimierung der Fertigungskette und Feinabstimmung der Fertigungsparameter wird durch Simulation unterstützt. Typische Produktbeispiele für das Radialschmieden zeigt Abb. 3.3.26. 3.3.7.7 Stauchpressen Das Stauchen basiert auf dem Prinzip, dass zwei Werkzeugsegmente das partiell erwärmte Rohr umschließen und anschließend durch einen bzw. zwei Stempel das Material in axialer Richtung angestaucht wird. Es können hierbei über die Werkzeuggeometrie unterschiedlichste Konturen erzeugt werden [47]. Als Anwendungsgebiete haben sich Druckbehälter, wie Feuerlöscher, Airbags, Hydraulikanwendungen und Stoßdämpfer ergeben. Die bislang realisierten Rohrdurchmesser liegen zwischen 6 und 230 mm.

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Abb. 3.3.26 Radialgeschmiedete Lenkungsteile mit H7 Passung (Quelle: GFM).

3.3.8 Numerische Simulation zur Verfahrens- und Produktoptimierung

Für eine optimale Gestaltung von Leichtbaustrukturen und für die Optimierung der Fertigungsschritte sind Simulationswerkzeuge unerlässlich. Erst der Einsatz dieser Entwicklungswerkzeuge ermöglicht eine ganzheitliche Optimierung und eine Verkürzung der Entwicklungszeit. Dabei spielt insbesondere die durchgängige Behandlung der gesamten Prozesskette unter Berücksichtung bedeutsamer Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle. In der Automobilindustrie gibt es dazu bereits sehr ausgereifte Systeme. 3.3.8.1 Simulation von Blechumformprozessen Zur Unterstützung bei der Auslegung von Blechteilen und zur Optimierung von Blechumformprozessen werden spezielle, meist explizite FE-Programme, wie Autoform, LS-Dyna, Pamstamp u. a. m. eingesetzt. Diese Programme erlauben die Berechnung des Werkstoffflusses, der Blechdickenverteilung, möglicher Fehler (Falten oder Bodenreißer), der Rückfederung, der notwendigen Umformkraft und der Dehnungsverteilung zum Zwecke der Formänderungsanalyse bzw. der Vorhersage möglicher Einschnürungen am Bauteil. Im Zuge der Methodenplanung eines Karosserieteils steht die Frage der prozesssicheren Machbarkeit im Vordergrund. Für den Bereich des Walzprofilierens hat sich das Programm Copra [64] etabliert, das die Bandkantendehnung und mögliche Welligkeiten leichter, hochfester Profile vorhersagen kann. Die Abb. 3.3.27 zeigt ein praktisches Beispiel und einen Vergleich zwischen Realität und Simulation [65].


Abb. 3.3.27 Numerische Analyse des Walzprofilierens [65]. (a) Welligkeit an den Bandkanten, (b) Simulationsergebnis bei Verwendung der Software COPRA.

3.3.8.2 Simulation von Massivumformverfahren Spezielle Finite Elemente Programme für die dreidimensionale Berechnung und Optimierung von Massivumformprozessen, wie Deform, Forge, Superforge, Qform u. a. haben sich bereits in vielen mittelständischen Firmen etabliert [66, 67]. Sie erlauben die Ermittlung des Materialflusses, der Dehnungs- und Eigenspannungsverteilung, die Vorhersage möglicher Fertigungsfehler, die Ermittlung der Werkzeugbelastung, über die Kopplung mit Gefüge- und Schädigungsmodellen die Vorhersage lokaler Gefügezustände oder Korngrößen und möglicher Bruchausgangsorte. Die Abb. 3.3.28 zeigt deutlich den Nutzen der Umformsimulation zur Festlegung geeigneter Vorformgeometrien für ein Motorradpleuel. Durch die optimierte Masseverteilung kann ca. 15% Materialeinsparung und wesentlich ge-

Abb. 3.3.28 Simulation des Gesenkschmiedens eines Pleuels zur Minimierung des Materialeinsatzes und zur Überprüfung der Machbarkeit sowie zur Ermittlung der Werkzeugbelastung.

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ringerer Werkzeugverschleiß erreicht werden. Häufig wird auch die Machbarkeit von Komponenten bereits im Zuge der Auslegung mittels Topologie- und Gestaltoptimierung bzw. die fertigungstechnisch optimale Umsetzung überprüft. Die Anwendung der Umformsimulation für hochbelastete Gesenkschmiedeteile bringt somit deutliche Qualitätsvorteile. Weiter können die Informationen über Korngrößenverteilungen bzw. bei kaltgeformten Teilen die Übergabe der lokalen Umformgrade bzw. der Kaltverfestigung in strukturmechanische FEM-Programme oder Betriebsfestigkeitsprogramme verbesserte Vorhersagen hinsichtlich Belastbarkeit oder Lebensdauer liefern. Erst eine gekoppelte Anwendung der Software-Werkzeuge zur Auslegung, Gestaltoptimierung, Fertigungssimulation und Ermittlung der Betriebsfestigkeit liefert eine ganzheitliche Optimierung eines Leichtbauprodukts. 3.3.9 Zusammenfassung und Ausblick

Die Potenziale des Leichtbaus können nur dann optimal und ökonomisch ausgenutzt werden, wenn es gelingt, die Ergebnisse des Form- und Stoffleichtbaus mittels umformtechnischer Fertigungsmethoden effektiv umzusetzen. Die gezeigten Beispiele für dynamisch hoch belastete, umformtechnisch hergestellte Bauteile bilden nur einen kleinen Auszug der vielfältigen Möglichkeiten zur Unterstützung des Leichtbaus. Insgesamt zeichnet sich ein Trend in Richtung profilintensiver Stahl-Leichtbaulösungen und lokaler Verstärkungskonzepte zur Erhöhung der Steifigkeit und der dynamischen Bauteilfestigkeit ab. Methoden zur variablen Veränderung der Querschnitte und zur Darstellung hochkomplexer Formen erlangen ebenfalls zunehmende Bedeutung. Unterstützt werden die Leichtbauaktivitäten durch sehr gute numerische Simulationssoftware und durch die Kopplung mit sehr gut automatisierbaren Prozessen. Über den tatsächlichen Einsatz in der Großserie entscheiden aber vielfach Aspekte der Prozesssicherheit und die Herstellkosten. Weiter ist deutlich zu erkennen, dass die Entwicklung wirtschaftlich sinnvoller Leichtbaustrukturen ein intensives Zusammenwirken der Bereiche Konstruktionsmethodik, Simulation, Werkstofftechnik und Fertigungstechnik voraussetzt.

Danksagung

Vorarbeiten zu diesem Beitrag entstanden im Rahmen des TechnologieoffensiveProjekts Austrian Light Weight Structures, das von der österreichischen Nationalstiftung finanziell unterstützt wurde. Aktuelle F&E-Aktivitäten zum Thema „Fertigungstechnischer Leichtbau“ werden im Rahmen des K2-MPPE (Materials, Processing and Product Engineering)-Projekts A3.9 vom Materials Center Leoben (MCL) gefördert.


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4 Bauteilfertigung 4.1 Bauteilfertigung – Polymermatrix-Verbundwerkstoffe Wolfgang Billinger Kurzfassung

In diesem Kapitel werden die Möglichkeiten zur Herstellung von Bauteilen aus Polymer-Matrixverbundwerkstoffen (Composites) aufgezeigt. Ausgehend von den verwendeten Formwerkzeugen, wird der Laminataufbau beschrieben, wobei nicht nur auf die klassische Prepreg-Technologie, sondern auch auf die Injektions- und Infusionstechnologien näher eingegangen wird. Sonderverfahren ergänzen diesen wichtigen Produktionsschritt. Nach der Beschreibung der verschiedenen Härteverfahren werden die angewendeten Methoden der zerstörenden und zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung aufgezeigt. Im Abschnitt 4.1.6 wird auf die Besonderheiten bei der Montage von Composite-Bauteilen hingewiesen und es werden die zusätzlichen Fügemöglichkeiten bei der Verwendung einer thermoplastischen Matrix angeführt. 4.1.1 Einleitung

Die Natur zeigt uns, dass die Kombination verschiedener Werkstoffe neue Möglichkeiten und Vorteile in der Evolution gebracht hat. Der Mensch versucht diese Vorbilder mit der Vision nachzuahmen, maßgeschneiderte Werkstoffe herzustellen, die dem Verwendungszweck angepasst sind. Die Verbundwerkstoffe kommen diesem Leitgedanken sehr nahe. Die Verbundwerkstoffe umfassen alle Werkstoffe, in denen mindestens zwei unterschiedliche Materialien so innig miteinander verbunden sind, dass sie wenigstens ein Bestandteil zusammenhängend durchdringt, sodass mikroskopische Einheitszellen identifiziert werden können, die mit makroskopischen Eigenschaften korrelierbar sind [1]. Das heißt es kommt zu verschmierten, anisotropen Werkstoffeigenschaften. Eingeteilt werden die Verbundwerkstoffe nach der Form des Verstärkungsmaterials. Es wird zwischen Teilchenverbundwerkstoffen und FaserLeichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

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4 Bauteilfertigung

Abb. 4.1.1 Fertigungsschritte zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen.

verbundwerkstoffen unterschieden. In der Literatur wird auch von sogenannten Schichtverbundwerkstoffen gesprochen, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. In [1] werden diese richtigerweise als Werkstoffverbunde bezeichnet, bei denen die Werkstoffeigenschaften der beteiligten Materialien erhalten bleiben und daher die oben angeführte Definition nicht exakt zutrifft. Bei den Faserverbundwerkstoffen werden neben den Polymer-Matrix-Composite (PMC) Werkstoffen auch Metall-Matrix-Composite (MMC) und Ceramic-MatrixComposite (CMC) Verbundwerkstoffe unterschieden. In diesem Beitrag wird schwerpunktmäßig auf die PMC Bauteilfertigung näher eingegangen, die mit hochmoduligen Kohlenstoff-Endlosfasern (Carbonfasern) und Faservolumenanteilen größer als 50% gefertigt werden (CFK), den sogenannten Advanced Composites [2]. Die Hauptpunkte der Bauteilherstellung sind in Abb. 4.1.1 dargestellt. Anhand dieser Fertigungsschritte werden die Möglichkeiten und Varianten zur Produktion von faserverstärkten Bauteilen zusammengefasst. Typisch für die Herstellung von Composite-Bauteilen ist, dass es sich um sogenannte Additive Verfahren handelt. Das heißt es wird nur dort Material platziert, wo es benötigt wird. Die Dicke wird beim Laminataufbau oder der Preformherstellung definiert. Aus diesem Grund nimmt das mechanische Bearbeiten in Form der Konturbefräsung eine eher untergeordnete Rolle ein. Befräsungen und weitere mechanische Bearbeitungen werden entweder vor dem Qualitätsschritt oder direkt beim Zusammenbau durchgeführt. Kennzeichnend für die jeweilige Technologie ist der Aufbau des Laminats, der auch den Hauptteil dieses Kapitels einnehmen wird. Auf die Bauteile und deren Fertigung, die mit mineralischen, organischen oder keramischen Partikeln verstärkt sind, wird in diesem Beitrag nicht eingegangen. 4.1.2 Formwerkzeug

Die Formen oder auch Werkzeuge genannt, sind den verschiedenen Produktionsverfahren angepasst. Das Material, der konstruktive Aufbau und die Gestaltung der notwendigen Formen werden durch das zu formende Bauteil, das vorgesehene Laminierverfahren und die Art des Härteverfahrens bestimmt [3]. Wird bei Raumtemperatur ausgehärtet, so ist die geringste Belastung für die Form zu erwarten. Bei thermisch reaktiven Harzsystemen muss die relative Wärmeausdehnung zwischen Composite und Formmaterial beachtet werden. Der zusätzlich aufgebrachte Druck bestimmt die Steifigkeit des Werkzeugs. Meist werden schalenförmige Formen verwendet, die durch die beidseitige Druckbeaufschlagung nicht auf Biegung beansprucht werden. Durch den geringen Materialeinsatz können zusätzlich schnelle Aufheiz- und Abkühlraten erreicht werden. Dünne Werkzeugschalen

4.1 Bauteilfertigung – Polymermatrix-Verbundwerkstoffe

werden üblicherweise einstellbar konstruiert, sodass die exakte dreidimensionale Oberfläche noch nachträglich korrigiert werden kann. Damit können nicht exakt kalkulierbare Störgrößen korrigiert werden, wie zum Beispiel die Rückfederung (spring back) der Bauteile nach dem Abkühlen und Entformen. In der Praxis werden Werkzeuge aus folgenden Werkstoffen eingesetzt: Stahl, galvanisch abgeschiedenes Nickel, Al-Legierungen, Composite. 4.1.2.1 Stahlwerkzeuge Bei den Stahlwerkzeugen ist auf die Wärmeausdehnung (12 · 10–6 K–1 ) zu achten. Die Eisen-Basislegierung INVAR mit 30–35% Nickel hat einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 1 · 10–6 K–1 [5], der optimal an carbonfaserverstärkte Kunststoffe angepasst ist, da diese in Faserrichtung einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Vor allem größere Resin Transfer Molding (RTM) Werkzeuge müssen aus diesem Werkstoff gefertigt werden, da ansonsten das Entformen nahezu unmöglich ist. 4.1.2.2 Galvanisch hergestellte Nickelwerkzeuge Galvanisch hergestellte Nickelschalen sind ebenfalls häufig eingesetzt. Komplexe Oberflächen können mit diesem Verfahren hergestellt werden. Besonders ist hier auf die Dichtheit des Werkzeugs zu achten. Ein entsprechender Test ist neben der geometrischen Beurteilung Bestandteil der Abnahme und darf in keiner technischen Spezifikation vergessen werden. 4.1.2.3 Aluminiumwerkzeuge Um schnell günstige Werkzeuge herzustellen, wird nach wie vor Aluminium verwendet. Oft werden ebene Bauteile aus plattenförmigem Ausgangsmaterial gefertigt. Mit dem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (23 · 10–6 K–1 [5]) ist aber auf jeden Fall eine Temperaturkompensation notwendig. Ebenso ist zu beachten, dass das Werkzeug durch Schrumpfen beim Abkühlen auf der Innenseite des Bauteils positioniert ist und somit keine Schrumpfspannung entstehen kann, die eine Entformung ohne Zerstörung des Bauteils unmöglich macht. Aluminiumwerkzeuge sind deutlich verschleißanfälliger als Stahlwerkzeuge und müssen daher sehr sorgfältig behandelt werden, um eine hohe Zyklenzahl mit entsprechender Oberfläche der Teile sicherstellen zu können. 4.1.2.4 Composite-Werkzeuge Für Hersteller von faserverstärkten Kunststoffteilen bietet sich natürlich auch der Bau von Werkzeugschalen in der eigenen Produktion an. Es werden spezielle Tooling-Prepregs eingesetzt, die bei höheren Temperaturen ausgehärtet werden als die typische Härtetemperatur des Bauteils. Bei der Verwendung von Glasfasern als Verstärkungsmaterial können rund 300 Bauteile gefertigt werden, bevor ein Ersatzwerkzeug notwendig ist. Werden Carbonfasern als Verstärkung verwendet, sind bis zu 600 Bauteile möglich.

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4 Bauteilfertigung

In Abhängigkeit der Produktionsraten wird eine Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellt, auf deren Basis die Werkstoffentscheidung für das Werkzeug getroffen werden kann. Die Werkzeuge werden üblicherweise auf Stahl- meist Formrohrkonstruktionen montiert. Um den Einsatz in der Serienproduktion zu erleichtern, werden die Vakuumleitungen fix verrohrt. Besondere Vorkehrungen erfordern die Produktion von Hohlkörpern. Üblicherweise werden der Innenform angepasste, aufblasbare elastische Folien gefertigt, die den für die Prepreg-Bauweise notwendigen Druck erzeugen. Das Werkzeug bildet in diesem Fall die komplette Außenschale. Mit diesem Verfahren werden zum Beispiel Tennisschläger, Fahrradrahmen, aber auch Teile für Rennautos (z. B. aerodynamische Flügel zur Abtriebserzeugung) gefertigt. Zur Herstellung von Hohlteilen können auch lösliche Kerne auf Salzbasis verwendet werden. Die Verwendung von eutektischen, niedrigschmelzenden Legierungen scheint jedoch vielversprechender zu sein [6], sodass der Einsatz in größeren Serien möglich erscheint. Eine Sonderform von Werkzeugen wird zur Verarbeitung von Prepregs in Heizpressen eingesetzt. Diese sind zweiteilig und ermöglichen zwei glatte Seiten. Die Pressenwerkzeuge ermöglichen auch die Herstellung von Bauteilen mit der sogenannten Crush-Core-Technologie. Dabei wird die Nomex-Wabe (siehe Abschnitt 2.2) teilweise zerdrückt und in dieser Form ausgehärtet. Alle Werkzeugtypen müssen mit entsprechenden Trennmitteln behandelt werden, um ein zu festes Haften der Bauteile zu verhindern. Diese in flüssiger Form vorliegenden Mittel werden dünn aufgetragen und anschließend im Ofen eingebrannt. Dieser Vorgang wird für neue Werkzeuge mehrmals wiederholt. Ansonsten reicht ein Auffrischen der Trennschicht aus. Vor dem Bereitstellen der Werkzeuge im Reinraum, müssen sie noch einmal gründlich gereinigt werden. Auf die Werkzeuge können bereits Schichten aufgetragen werden, die den Bauteilen besondere Eigenschaften verleihen. Ein Beispiel ist das Flammspritzen mit Aluminium, bei dem Al geschmolzen, zerstäubt und tröpfchenweise eine Schicht aufgetragen wird. Dadurch wird das Bauteil an der Oberfläche elektrisch leitend. Ein zweites Beispiel ist die Verwendung von Gelcoat. Diese Kunstharzschicht wird zur Oberflächenveredelung eingesetzt, wenn besondere Eigenschaften des Bauteils gefordert werden. So kann die Witterungs- und UV-Beständigkeit erhöht werden oder eine besonders gute Basis für später aufgetragene Lackschichten geschaffen werden. Das Auftragen kann mit dem Pinsel, Rollen oder mit der Spritzpistole erfolgen. Das Ausgangsmaterial ist auch als Film verfügbar, der vor dem eigentlichen Laminataufbau auf dem Werkzeug platziert wird. Gelcoat wird unter anderem bei Windrädern oder im Yachtbau verwendet. Gelcoat kann nicht nur für das Bauteil verwendet werden, sondern auch als verbleibende Schicht am Werkzeug. Es muss jedoch sehr bald mit einer Rissbildung in dieser Schicht gerechnet werden. Oft werden bei den Werkzeugen besondere Einrichtungen eingebaut, die entscheidend die Produzierbarkeit und die Serientauglichkeit beeinflussen. So werden zum Beispiel in kleinen Nuten im Fräsüberstand der Teile vor dem Laminataufbau Elemente wie kleine Ketten eingelegt, die das Entformen sehr erleichtern können. Im Randbereich von Sandwich-Bauteilen werden oft einzelne Lagen


durch Blechteile fixiert, die mit Spitzen versehen und am Werkzeug montiert sind. Dadurch wird das Nach-innen-Wandern der Ränder durch den Aushärtedruck erschwert. Im englischen Sprachgebrauch sprechen wir von Tiedown. 4.1.3 Laminataufbau

Der Laminataufbau charakterisiert die Herstellungstechnologie am stärksten. In diesem Prozessschritt wird die Qualität des Bauteils entscheidend beeinflusst, wobei Poren und Risse unbedingt vermieden werden müssen. Die Anordnung der Fasern und der Faser- beziehungsweise der Matrixanteil bestimmen wesentlich die mechanischen Eigenschaften. Wir unterscheiden zwischen Verfahren, bei denen trockene oder vorimprägnierte Fasern verwendet werden. Beim Laminataufbau kann eine teilweise Automatisierung erfolgen, die entscheidend für die Gesamtwirtschaftlichkeit sein kann. 4.1.3.1 Handlaminieren Beim Handlaminieren erfolgen alle Arbeitsschritte manuell. Das Verstärkungsmaterial liegt trocken vor, wobei Vliese, Gewebe, Gelege oder UD-Material eingesetzt werden kann. Der Zuschnitt kann auf speziellen Schneidetischen erfolgen. Oft erfolgt die Konfektionierung erst beim Auflegen auf das Werkzeug. Zwischen den Lagen wird das Harz mit Pinsel, Rollern oder durch Spritzen aufgebracht. Wir sprechen auch von Nasslaminieren. Lufteinschlüsse, trockene oder harzreiche Stellen sind zu vermeiden, da sonst die gewünschte mechanische Festigkeit nicht erreicht werden kann. Die Gewebelagen werden aus diesem Grund mit Rollen fest auf die Form gedrückt und sorgfältig mit Harz getränkt. Als letzte Lage kann ein Schutz-, Saug- oder Abreißgewebe verwendet werden. Sauggewebe sind durch perforierte Trennfolien vom Bauteil zu trennen, Abreißgewebe kommen direkt auf das Bauteil und werden erst nach dem Härten beim Weiterverarbeiten entfernt. Sie erzeugen eine definierte Oberfläche, mit der eine konstante Verklebung sichergestellt werden kann. Sehr oft wird dieser Prozess bei Raumtemperatur härtenden Harzen verwendet. So werden zum Beispiel Verkleidungsteile, Formteile usw. aus Polyester mit diesem Verfahren produziert. Dieses Verfahren wird auch als Reparaturmethode bei hochwertigen Composite-Bauteilen verwendet. Die Aushärtung thermisch reaktiver Harze erfolgt dabei entweder im Ofen oder mit Heizmatten im eingebauten Zustand (z. B. bei Flugzeugen direkt am Flugfeld oder im Hangar). Beim Handlaminieren ist auf die persönliche Sicherheit der beteiligten Personen zu achten. Entsprechende Schutzkleidung oder das Tragen von Handschuhen sollten nicht nur zur Vermeidung von Kontamination der Bauteile mit Fett eine Selbstverständlichkeit sein. Belüftung der Arbeitsräume, Absauganlagen oder gegebenenfalls das Tragen eines Atemschutzes bei Verwendung von Harzen mit gesundheitsschädlichen flüchtigen Anteilen ist unbedingt notwendig.

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4.1.3.2 Prepreg-Technologie Prepreg ist der am häufigsten verwendete Basiswerkstoff für hochwertige Composite-Bauteile. Prepreg ist eine englische Abkürzung für „preimpregnated fibers“ und besteht aus unidirektionalen (UD) Fasern oder bereits gewobenem Material und ist bereits mit Harz vorimprägniert (siehe Abschnitt 2.2). Gelagert wird Prepreg in einem vorvernetzten Zustand, dem sogenannten B-Stage, bei rund –18 °C. Je nach Harztyp können so Lagerzeiten von 12 bis 16 Monaten erreicht werden. Gleichzeitig darf das Material nur eine begrenzte Stundenanzahl bei Raumtemperatur gelagert bzw. weiterverarbeitet werden, bis das Prepreg endgültig ausgehärtet wird und somit unbegrenzt lagerfähig wird. Diese doppelte Lebensdauereinschränkung muss für jede einzelne Prepreg-Rolle beachtet werden. Zusätzlich werden die Eigenschaften an Zuschnitte „weitervererbt“, die ebenfalls wieder eingefroren werden können. Das beschriebene Szenario lässt eine entsprechend aufwändige Lagerverwaltung erahnen, die nur durch spezielle Zusatzmodule abgedeckt werden kann. Mit diesem Ausgangsmaterial sind sehr komplexe Teile herstellbar. Es sind komplette Systeme verfügbar, die sowohl unidirektionales (UD) Material, verschiedene Gewebetypen und verschiedene Faserarten (z. B. Glas und Carbon) einschließen. Die Vielfalt ist notwendig, um möglichst allen Anforderungen genügen zu können. Diese können sowohl unterschiedliche lokale Steifigkeiten, aber auch spezielle Korrosions- oder Drapierbarkeitsanforderungen beinhalten. Unter Drapierbarkeit versteht man die Möglichkeit der Verformung des Materials, sodass doppelt gekrümmte Flächen (z. B. eine Kugelhalbschale) ohne Faltenbildung bedeckt werden können. Für die Luftfahrt ist es von besonderer Bedeutung, dass die Materialien und die verwendeten Prozesse qualifiziert sind. Bei Neuzulassungen ist zu beachten, dass ein sehr hoher Aufwand bis zum Einsatz betrieben werden muss. Die notwendigen Testmatrizen und die Anzahl der geforderten Proben sind für die Luftfahrt in [4] definiert. Für neue Materialien kann dieser Zeitraum, der für eine Zulassung veranschlagt werden muss, mit ein bis zwei Jahren geschätzt werden. Ein wichtiger Vorteil ist die konstante Harzmenge im Prepreg, sodass auch die Bauteile einerseits mit hohen und andererseits mit konstanten Faservolumengehalten (UD: 60 ± 4 vol.% ist eine übliche Toleranz) gefertigt werden können. Diese Grenzen müssen eingehalten werden, da ansonsten die ermittelten zulässigen mechanischen Werte ihre Gültigkeit verlieren. Diese werden wiederum für die Berechnung und Dimensionierung der Bauteile benötigt. Problematisch ist die Produktion von sehr dicken Bauteilen, da es aufwändig ist, die beim Auflegen eingeschlossene Luft zu entfernen. Es wird nach drei bis fünf Einzellagen eine sogenannte Kompaktierung durchgeführt, d. h. es wird ein Vakuumsack angefertigt und zehn bis fünfzehn Minuten Vakuum angelegt. Beim Prepreg-Verfahren muss jede Lage einzeln aufgebracht werden. Dieser Lay-up-Prozess ist nur teilweise automatisierbar. Eher großflächige ebene Bauteile können mit sogenannten Tape-Legemaschinen gefertigt werden. Stark gekrümmte Bauteile werden auch heute noch mit sehr hohem manuellem Aufwand aufgelegt.


Komplexe Bauteile werden oft in mehreren Schritten gefertigt. So können mehrere vorgefertigte Composite-Bauteile durch Kleben – dem sogenannten Co-Bonding zusammengefügt werden. Eine zweite Möglichkeit stellt die Kombination von ausgehärteten Teilen und der weiteren Verwendung von Prepreg dar. Dies wird als CoCuring bezeichnet. Zuschneiden Das Prepreg-Material wird wie bereits beschrieben bei –18 °C in einem zugeschweißten Kunststoffsack gelagert. Erst nach dem vollständigen Auftauen, das je nach Rollendurchmesser 12 bis 36 Stunden dauern kann, wird der Kunststoffsack geöffnet. Dadurch wird Kondensation und somit unerwünschte Wassereinschlüsse vermieden, die beim Aushärten verdampfen und Porosität verursachen können. Die auf das Prepreg einseitig oder zweiseitig aufgebrachte Kunststofffolie wird bis zum Lay-up-Prozess nicht entfernt. Die einfachste Möglichkeit Zuschnitte anzufertigen, ist die Verwendung von Schablonen, die auf das Material gelegt werden. Auf die richtige Winkelausrichtung der Schablone ist besonders zu achten, da damit die gerichteten Werkstoffeigenschaften entscheidend beeinflusst werden. Mit einem Messer oder einem Schneidrad wird der Kontur gefolgt. Dabei werden auch die hochfesten Fasern durchtrennt. Als Unterlagen sind Glas- oder spezielle Kunststoffplatten üblich. Für die industrielle Fertigung von Composite-Teilen ist dieser manuelle Arbeitsschritt nicht wirtschaftlich. Die Automatisierung erfolgt mit Prepreg-Schneidemaschinen (Prepreg Cutter). Aus dem CAD-Programm werden die abgewickelten Einzellagen in das Verschachtelungs-Programm importiert. Zusätzlich zu der geometrischen Verschachtelung, die auch für Metallteile beim Laser- oder Wasserstrahlschneiden bekannt ist, muss die Winkelstellung der Prepreg-Zuschnitte eingehalten werden. Nur so kann die durch die Berechnung optimierte Orientierung der Fasern gewährleistet werden. Die Vermeidung von Abfall ist bei diesen sehr teuren Materialien besonders wichtig. Üblicherweise beträgt der Verschnitt rund 10%, kann aber für ungünstig geformte Bauteile auch bis zu 30% betragen. Die Zuschnitt-Optimierung kann für eines oder mehrere Bauteile erfolgen. Dem verringerten Verschnitt steht jedoch meist ein erhöhter Sortierungsaufwand gegenüber, sodass es oft sehr schwierig ist, ein wirtschaftliches Optimum zu gewährleisten. Das aufgetaute Rollenmaterial wird in die Abwickelvorrichtung an der Schneidemaschine eingespannt und automatisch auf den Schneidtisch zugeführt. Das Schneiden erfolgt mit einem CNC gesteuerten Schneidkopf. Zum Schneiden von mehreren, dickeren Lagen oder trockenen Geweben werden UltraschallCutter eingesetzt, um die notwendigen Toleranzen einhalten zu können. Wichtig ist die Kennzeichnung zur Identifizierung des Zuschnitts sofort nach dem Schneidprozess. Die Sortierung der Zuschnitte erfolgt üblicherweise per Hand. Baumwollhandschuhe, die nicht mit Silikon behandelt sein dürfen, haben sich als notwendiges Hilfsmittel bewährt. Um jegliche Kontamination mit Schmutz oder Staub zu vermeiden, erfolgt das Zuschneiden im Reinraum. Im Reinraum wird ständig Luft abgesaugt und gefilterte Luft mit konstanter Temperatur und Feuchte zugeführt. Das Absaugen erfolgt üblicherweise am Boden und beseitigt effektiv flüchtige Teile des Harzes, die

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schwerer sind als Luft. Konstante Feuchtigkeit ist zur Verarbeitung des klebrigen Prepregs unbedingt Voraussetzung. Das Harz nimmt bei zu hoher Feuchte Wasser auf und wird dadurch klebriger, im umgekehrten Fall sinkt die Klebrigkeit und ist dadurch ebenfalls nicht verarbeitbar. Der Luftdruck im Reinraum wird etwas höher als die Umgebungsluft gehalten, dadurch strömt beim Betreten durch die Luftschleuse immer Luft nach außen und nie staubhaltige Luft nach innen. Das Tragen von sauberen Arbeitsmänteln ist sowohl für das Zuschneide- und Sortierpersonal als auch für die im Reinraum tätigen Personen eine Selbstverständlichkeit. Auflegen Das Herstellen der Bauteile erfolgt wie das Zuschneiden im Reinraum. Dorthin werden auch die gereinigten, eingetrennten und abgelüfteten Formen transportiert. Lage für Lage wird mit der Hand aufgelegt. Die Positionierung erfolgt entweder mit Schablonen (z. B. aus Mylar hergestellt) oder mit Laserprojektoren, die die Kontur jeder Lage auf das Werkzeug projizieren. Laut den Arbeitsunterlagen werden die unterschiedlichen Materialien in der richtigen Reihenfolge positioniert. Entsprechende Andrückwerkzeuge oder ein Heißluftföhn können die Arbeit wesentlich erleichtern. Nach drei bis vier Lagen muss beim Pregpreg-Verfahren zwischenkompaktiert werden. Das heißt es wird ein Vakuumsack gefertigt und damit die Luft zwischen den Lagen entfernt. Bei Sandwich-Bauteilen ist das Vakuum zu regeln, um ein Zerdrücken der Wabe zu vermeiden. Der Aufwand für komplexe Prepreg-Bauteile kann durch diese notwendige Kompaktierung sehr hoch werden. Das automatisierte Auflegen mit Tape-Legemaschinen wird bei großen, wenig gekrümmten Bauteilen eingesetzt. Als typische Bauteile können Flügelteile oder Landeklappenhäute im Flugzeugbau benannt werden. Die Legemaschinen sind Portalroboter, die das Tape-Material auf Rollen bevorraten und mit speziellen Legeköpfen und Andruckrollen das Material auf der Form ablegen und andrücken. Eine Schneidevorrichtung sorgt für das Trennen des Bands am Rand des Bauteils. Als letzte Lage kann auch beim Prepreg-Verfahren ein Abreißgewebe verwendet werden, wie bereits im Punkt Handlaminieren beschrieben wurde. In jedes Bauteil wird ein Thermoelement im Fräsüberstand eingebaut. Damit wird während der Aushärtung die Temperatur gemessen und der Prozess geregelt. Zusätzlich dient die Temperaturaufzeichnung als Qualitätsdokument, das eine korrekte Aushärtung bestätigt. Vakuumsack Sind alle Teile und Lagen auf dem Werkzeug richtig platziert, wird um das gesamte Bauteil herum eine bandförmige Dichtmasse angebracht (Abb. 4.1.2). Das Bauteil wird nun mit einer Trennfolie bedeckt. Darauf wird ein Saugvlies gelegt, das eine konstante Evakuierung über die gesamte Fläche sicherstellt. Zuletzt wird die Vakuumfolie positioniert. Zusätzlich müssen ein oder mehrere Vakuumsauger eingebaut werden. Die Anfertigung von dichten Vakuumsäcken durch Einbau von sogenannten Falten erfordert erhebliches Geschick und Erfahrung der beteiligten Werker. Auch auf eine vakuumdichte Durchführung des Thermodrahts durch Abisolierung im Bereich der Dichtmasse ist zu achten. Nach erfolgreichem Vakuumtest ist das Bauteil nun bereit zum


Abb. 4.1.2 Vakuumsack.

Aushärten. Dafür wird die Form zusammen mit dem Bauteil aus dem Reinraum transportiert. Für hochqualitative Bauteile erfolgt das Härten üblicherweise im Autoklaven. (siehe Abschnitt 4.1.4.1) Nur selten erfolgt die Aushärtung im Ofen, da in diesem Fall nur der Luftdruck als Außendruck zur Verfügung steht. Eine Sonderform der Prepreg-Technologie wurde bereits im Abschnitt 4.1.2 erwähnt: die Verwendung von Pressen zum Aushärten von Prepreg-Material. 4.1.3.3 Harzinjektionsverfahren Die Harzinjektionsverfahren sind als Resin Transfer Moulding (RTM)-Verfahren bekannt. Es gibt zahlreiche Abwandlungen dieses Prozesses, die üblicherweise die Abkürzungen der englischen Benennung tragen. Als Beispiele sind Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), Seaman’s Composite Resin Injection Molding Process (SCRIMP), Resin Injection Molding (RIM) oder Structural Reaction Injection Molding (SRIM) zu nennen. Typisch für den RTM-Prozess ist das geschlossene Werkzeug, in das das trockene, meist vorgeformte Faserpaket (Preform) eingelegt wird. Üblicherweise wird die Form vor Prozessstart evakuiert. Das Harz wird anschließend mit leichtem Überdruck injiziert und in der Form ausgehärtet. Mit diesem Verfahren können dreidimensionale, dicke Bauteile gefertigt werden, die auf allen Seiten eine perfekte Oberfläche besitzen. Als Vorteil kann die Trennung zwischen der Konfektionierung der trockenen Fasern und der Injektion mit dem Harz genannt werden. Preform-Herstellung Mit modernen Preform-Herstellungsmethoden ist es heute möglich, komplexe dreidimensionale Strukturen zu realisieren. Die Harzsysteme für die Injektionstechnologien sind relativ spröde. Dies ist vor allem durch die notwendige, niedrige Viskosität begründet, die für Injektionsprozesse benötigt wird. Zusätze, die dieser Sprödigkeit entgegenwirken, können daher nicht in das Harz eingebracht werden. Es gibt mehrere Methoden, derartige Toughener einzubringen. Entweder werden thermoplastische Partikel, die während des Verarbeitungsprozesses in Lösung gehen, als Fäden in das Preform-Ausgangsmaterial eingewoben oder es werden thermoplastische Binder verwendet, die als Pulver oder Spray erhältlich sind. Beide Methoden wirken zweifach: erstens als Fixierung der trockenen Fasern im Preform-Zustand und zweitens als Zutat, um die Zähigkeit des

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ausgehärteten Epoxidharzes zu erhöhen. Mit der Binder- und Nähtechnologie können sogenannte sequenzielle Preform-Herstellungsmethoden realisiert werden, bei denen verschiedene Sub-Preforms immer wieder zu komplexeren Preforms zusammengefügt werden. Die Preform-Herstellung ist für eine wirtschaftliche Bauteilherstellung von essenzieller Bedeutung. Zur Halbzeugherstellung werden automatisierte Fertigungstechniken eingesetzt. Interessant ist die Flechttechnik, bei der hochautomatisiert endlose Schläuche gefertigt werden können. Diese werden entweder zur Erzeugung von rohrförmigen Bauteilen eingesetzt oder der Schlauch wird zusammengedrückt und es entsteht ein Flachmaterial, das auf Rollen aufgewickelt wird. Versuche mit Stricktechniken haben gezeigt, dass bei Carbonfasern durch die engen Maschen ein Faserbruch oft nicht vermieden werden kann. Fiber-Placement wird zur lokalen Verstärkung oder zur Herstellung kompletter Preforms eingesetzt. Dabei werden mit Bindermaterial versehene Faserbündel auf eine Form gelegt. Die Automatisierung erfolgt mit Robotern, die mit speziellen Legeköpfen ausgerüstet sind. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass auch stark gekrümmte Konturen gefertigt werden können. Die Methoden Flechten, Stricken und FiberPlacement werden als 3D-Textilprozesse bezeichnet. Zur Stabilisierung der Preform-Körper werden auch Nähtechniken verwendet. Allerdings muss eine Einschnürung vermieden werden. Als Rohmaterial sind zusätzlich auch Gewebe und Gelege, sogenannte Non Crimp Fabrics (NCF) im Einsatz. Das Potenzial der Anpassung an das Bauteil erhöht den Material-Qualifikationsaufwand enorm. Die Zertifizierung des Einzelbauteils wird ebenfalls erheblich komplexer als bei klassischen Prepreg-Bauteilen, da immer wieder Spezialprozesse bei der Preform-Herstellung eingesetzt werden. In der Flugzeugindustrie haben sich eher die sequenziellen Methoden durchgesetzt. Vielleicht auch deshalb, weil sie der bekannten Prepreg-Lay-up-Technologie am nächsten kommen. Die 3D-Textilprozesse werden für untergeordnete Bauteile eingesetzt, da nur geringere mechanische Eigenschaften erzielt werden können. Die Preform-Qualität ist entscheidend für die Güte des gesamten Bauteils. Es müssen nicht nur die Einzelkomponenten geometrisch in der geforderten Toleranz gefertigt werden, sondern vor allem der Zusammenbau der verschiedenen, trockenen Faserkomponenten muss in einem engen Toleranzfeld verwirklicht werden. Oft kann nur durch Beschneiden die geforderte Maßgenauigkeit eingehalten werden. Wird die Außenkontur zu groß gefertigt, kann die Form nicht geschlossen werden. Einzelne Fasern können bereits eine Undichtheit der Form hervorrufen. Ist die Kontur zu klein, fließt das Harz entlang dieses Kanals schneller als gewünscht. Sehr leicht werden dadurch Bereiche umflossen, sodass Vakuolen entstehen können, die eine Füllung des Teils verhindern. Wichtig ist nicht nur die äußere Kontur, sondern auch die Schichtdicke in den einzelnen Zonen des Bauteils. Durch die Dicke des Preforms wird im Zusammenspiel mit der Toleranz der Form der Faservolumengehalt festgelegt.


Injektion Zur Injektion werden automatisierte Anlagen eingesetzt. Bei Harzen, die mit Härtern gemischt werden und dadurch sehr kurze Aushärtezeiten gewährleisten, werden elektronisch geregelte Mischsysteme verwendet. In Abb. 4.1.3 ist ein derartiges Schema skizziert. Für größere Serien, wie sie in der Automobilindustrie üblich sind, kommt diese Technik zum Einsatz. Die Prozesse werden automatisiert und zeitlich optimiert, um die Wirtschaftlichkeit sicherstellen zu können. Es werden z. B. Verkleidungsteile, aber auch komplette Dachstrukturen mit diesem Verfahren erzeugt. Dabei trägt die Gewichtsreduktion zur Verbesserung der Fahreigenschaften bei, da der Gesamtschwerpunkt des Fahrzeugs nach unten verlagert werden kann. Thermisch reaktive Einkomponentenharze werden entweder mit druckgeregelten Kesseln, Zylindersystemen oder mit Pumpsystemen injiziert. Der Druckkessel ist mit einer Heizplatte und einem Rührwerk (M) ausgestattet. Üblicherweise wird das Harz im Originalgebinde in den Kessel gestellt. Eine zweite Möglichkeit stellt

Abb. 4.1.3 Schema der Harzinjektionstechnik: (a) Zweikomponenten, (b) Einkomponenten-System (T = Temperatur-, P = Druckregelung, M = Mixer, E = Einlass, S = Saugstelle).

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ein Zylindersystem dar. Dabei wird das Harz in einen beheizbaren Zylinder gegeben und kann nach Erreichen der Injektionstemperatur (T) sowohl druck- (P) als auch mengengesteuert in die Form injiziert werden. Das Harz kann als dritte Möglichkeit mit Pumpen direkt in die Form eingebracht werden. Bei den Harzen ist zu beachten, dass üblicherweise vor Prozessstart eine sogenannte Entgasung durchgeführt werden muss. Dabei wird für 15–30 Minuten Vakuum angelegt. Dadurch wird im Harz gelöste Luft entfernt, die im Bauteil zu Porosität führen kann. Bei der Injektion muss jeder Bereich der Form gefüllt werden. Trockene Stellen führen unweigerlich zu Ausschuss. Um eine stabile Füllung sicherstellen zu können, wird der Injektionsvorgang mit Computerprogrammen simuliert, um so die optimalen Zuführ- und Saugpositionen herauszufinden. Wir unterscheiden zwischen Punkt-, Linien- oder Flächen-Angüssen. Für die Simulation ist die Permeabilität von besonderer Bedeutung. Meist müssen für bestimmte Preform-Materialien in Versuchen die entsprechenden Werte gemessen werden. Werkzeuge Für die Herstellung von RTM-Bauteilen sind Design und Entwicklung geeigneter Werkzeuge besonders wichtig. Aus diesem Grund werden hier einige Besonderheiten an den Werkzeugen genannt. Für komplexe Bauteile werden sehr oft Einlegeteile verwendet, die durch Wahl unterschiedlicher Materialien und dadurch verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten eine leichtere Entformung sicherstellen. Bei größeren Bauteilen sind die Werkzeuge geteilt und zur Manipulation der relativ großen Massen unterstützen Zylinder und Führungen das Öffnen. Die Hauptschalen sind meist in Pressen fix montiert. Die Abdichtung der Einzelteile mit meist doppelten Dichtschnüren aus temperaturbeständigen Materialien (z. B. Silikon) erfordert sehr enge Toleranzen an den Metallbauteilen. Um kurze Zyklenzeiten zu erreichen, wird die Form direkt beheizt und meist wird warm entformt und der neue Preform wieder eingelegt, um den Energieaufwand gering zu halten. In Abb. 4.1.4 ist ein Versuchswerkzeug und das darin gefertigte Bauteil dargestellt. Die Menge der notwendigen Kerne und Einzelteile ist bereits für dieses Bauteil sehr hoch. 4.1.3.4 Harzinfusionsverfahren Unter Harzinfusion versteht man ein Durchtränken der trockenen Fasern (Preforms), wobei die Hauptflussrichtung des Harzes im Bauteil in Dickenrichtung erfolgt. Als Verfahren sind das Vakuum Assisted Resin Infusion (VARI) und das Resin Film Infusion (RFI) zu nennen. Es gibt mehrere ähnliche Verfahren, die sich nicht stark unterscheiden. Meist sollte dadurch nur das Patent eines Mitbewerbers umgangen werden. Vakuum Assisted Resin Infusion (VARI) Durch spezielle Verteilergewebe erfolgt das Überfluten der Teile. Anschließend wird durch das angelegte Vakuum der Preform mit Harz gefüllt (Abb. 4.1.5). Dieses Verfahren wird vor allem bei sehr großen Werkstücken im Bootsbau oder bei der Produktion von Windrädern angewendet.


Abb. 4.1.4 (a) Komplexes gebautes RTM-Werkzeug und (b) das darin gefertigte Bauteil (Vorform siehe Abschnitt 2.2).

Die größten derzeit gebauten Windräder sind über 61 m lang und treiben 5 MW Turbinen an. Die Werkzeuge für die Herstellung von Yachten oder Windflügelhalbschalen sind entweder aus Composite- oder Metallschalen hergestellt. Meist ist die Heizung direkt in die Form integriert, da ansonsten zu große Öfen gebraucht würden. Um die notwendigen Wandstärken zu erhalten, werden Triax- und Quadriax-Gelege eingesetzt. Das Fasermaterial ist meist Glas. Bei den Windrädern wird nur die Wurzel und der Befestigungsbereich mit Carbonfasern zusätzlich verstärkt. Anschließend wird ein Vakuumsack gefertigt oder eine wiederverwendbare dickere

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Abb. 4.1.5 Vakuum unterstütztes Harzinfusionsverfahren.

Kunststofffolie über die trockenen Fasern, die Trennfolie und das Verteilergewebe gelegt, sodass ebenfalls mit Vakuum der Faserkörper evakuiert und verdichtet werden kann. Resin Film Infusion (RFI) Eine zweite Harzinfusionsmethode stellt der ResinFilm-Infusion (RFI)-Prozess dar. In diesem Fall wird das Harz in Filmform bereitgestellt, wie es auch bei Verklebungen eingesetzt wird. Vorteil ist hier, dass das Harz lokal in der richtigen Menge bereitgestellt werden kann und somit die Fließwege minimiert werden. Der Harzfilm wird meist als erste Schicht auf das Werkzeug gelegt. Die trockenen Fasermaterialien werden darauf platziert. Auch hier wird entweder ein Vakuumsack oder eine wiederverwendbare Kunststofffolie eingesetzt. Während des Aushärteprozesses erweicht das Epoxid-Harz und wird bei einer Temperatur von ca. 100 bis 110 °C sehr niedrigviskos, sodass durch die Kapillarwirkung das nun flüssige Harz in den Faserkörper gesaugt wird. Eines der ersten großen Bauteile, die mit diesem Verfahren für Flugzeuge in Serie produziert werden, ist die Druckkalotte im Airbus A340-500/600. Beim A380 wird dieser Teil ebenfalls mit diesem Verfahren hergestellt. Die Druckkalotte (Aft Pressure Bulkhead) bildet den Abschluss der Druckkabine im hinteren Teil des Flugzeugs. Dieser für die Flugsicherheit äußerst wichtige Teil würde in Metall konstruiert mehre Tausend Nieten benötigen. 4.1.3.5 Wickeltechnologie Beim Wickeln werden Faserbündel in Harz getränkt und anschließend auf einem Kern abgelegt. Durch Abstreifen nach dem Tränken wird der Faservolumengehalt eingestellt. Es gibt verschiedene Wickelverfahren, die der zu erzeugenden geometrischen Form angepasst sind. So werden zum Beispiel drehbankähnliche Maschinen zum Wickeln von Rohren eingesetzt. Bei diesen Teilen ist das Wickeln bzw. das Legen von 0◦ -Lagen relativ schwierig. Die minimalen Kerndurchmesser betragen rund 4 mm. Die Rohre werden sowohl mit Glas- als auch mit Carbonfasern gefertigt. Beim Wickeln von sphärischen Behältern spricht man von Polar-Wickeln. Mit diesem Verfahren werden Druckbehälter gefertigt, die oft um eine gasdichte


Schicht aufgebracht werden. Man spricht dabei von einem Liner, der z. B. aus Stahl bestehen kann. Die Wickeltechnologie ist sehr gut automatisierbar und kann daher wirtschaftlich betrieben werden. Es werden Faservolumengehalte von 60 bis 65% erreicht, womit eine gute Festigkeit gegeben ist. Da der Prozess an der Luft ausgeführt wird und beim Aushärten der Kompaktierungsdruck fehlt, muss mit Poren im Laminat gerechnet werden. 4.1.3.6 Pultrusion Bei der Pultrusion werden Faser- oder Gewebebündel in einen Mischkopf geführt, in dem das Matrixmaterial beigemengt wird. Eine Matrize legt die Form des Bauteils fest. Üblicherweise werden stangenförmige Teile in allen Varianten gefertigt. Es können sowohl offene als auch geschlossene Profile hergestellt werden. Beim klassischen Pultrusions-Prozess werden duroplastische Formmassen eingesetzt. Werden nur Fasern in Längsrichtung eingesetzt, muss auf die niedrige Querfestigkeit geachtet werden, die auch bei höherer Druckbeanspruchung kritisch werden kann. Variationen des Verfahrens setzten aber auch getränkte Epoxid-Faserbündel und sogar Prepreg-Bänder als Rohmaterial ein. Dabei wird das Material diskontinuierlich durch eine beheizte Presse geführt. Mit diesem Verfahren werden zum Beispiel die Zwischendeckenträger im A380 gefertigt. Diese Teile haben eine I-Form. Es gibt sogar die Möglichkeit, mit diesem Verfahren konstant gekrümmte Bauteile herzustellen. 4.1.3.7 Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit thermoplastischer Matrix Die Herstellung von Composite-Teilen mit thermoplastischer Matrix unterscheidet sich grundsätzlich von den bisher beschriebenen Verfahren. Oft werden Platten als Ausgangsmaterial verwendet. Das Laminieren dieses Halbzeugs erfolgt automatisiert. Nach einem Zuschneideprozess werden die Bauteile durch Umformverfahren in ihre endgültige Form gebracht. Dabei kommen Hochtemperaturthermoplaste wie PEEK, PPS, PEI und PEKK als Matrixmaterialien zum Einsatz (siehe Abschnitt 2.2). Die Verarbeitungstemperaturen liegen bei dieser Materialgruppe zwischen 320 und 400 °C. Eine zweite Gruppe von Thermoplasten besitzt wesentlich niedrigere Verarbeitungstemperaturen. Diese liegen für PBT, PA-6, PA12 oder PP zwischen 190 und 220 °C. Die Vorteile gegenüber duroplastischen Matrix-Materialien liegen vor allem in der höheren Schlagzähigkeit. Als wichtiger Pluspunkt wird auch die Rezyklierbarkeit hervorgehoben. Dieser Punkt wird in Zukunft sicherlich an Gewicht zunehmen. Nachteilig wirken sich die höheren Materialkosten aus. Ein Kostenvergleich zwischen duroplastischen und thermoplastischen langfaserverstärkten Materialien zeigt, dass nicht nur der Anschaffungspreis, sondern auch die nachfolgenden Kosten, die bei Verwendung von Prepreg anfallen (Zuschneiden jeder Lage, Auflegen mit Robotern oder manuell und die langen Aushärtezeiten) berücksichtigt werden müssen. Die Gesamtkosten sind dadurch ähnlich. Fakt ist

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allerdings, dass die Verwendung von thermoplastischen Composites eher als Nischenanwendung angesehen werden muss (siehe Abschnitt 6.4). Die Verarbeitung flächiger Produkte umfasst als ersten Schritt das Zuschneiden und als zweiten Schritt das Umformen. Die weiteren möglichen Schritte sind ähnlich den duroplastischen Composites. Anzuführen wären weitere Konturbearbeitungen, Bohren, Verschrauben usw. Einige weitere materialspezifische Möglichkeiten werden im Abschnitt 4.1.6 angeführt. Zuschneiden thermoplastischer Composite-Platten Das Zuschneiden erfolgt zum Beispiel mit Wasserstrahl-Schneidemaschinen, die mit Drücken bis 6000 bar mit reinem Wasser oder unter Zugabe von Abrasivmitteln (z. B. Korund) schneiden. Versuche haben gezeigt, dass Laminate bis 10 mm problemlos geschnitten werden können. Bei dickeren Teilen treten beim Anschießen Delaminationen auf, d. h. mit dem Wasserstrahl wird zuerst ein Loch erzeugt und dann die restliche Kontur geschnitten. Dieser Effekt kann durch mechanisches Vorbohren vermieden werden. Dies gilt natürlich nur für Innenkonturen, da Außenkonturen vom Rand her geschnitten werden können. Das Zuschneiden kann auch durch Stanzen oder selten durch Fräsen der Kontur erfolgen. Besonders beim Stanzen können Delaminationen auftreten. Umformen Das Umformen von Thermoplasten ähnelt der Umformung eines Metallbauteils, aber die Matrix wird vorerst auf Schmelztemperatur gebracht. Dies erfolgt üblicherweise in einem Infrarot-Ofen. Die heiße Platte wird mit einem Manipulator in die Presse geführt und dort durch eine Pressenbewegung in die entsprechende Form gebracht. Das Werkzeug kühlt das Bauteil so weit, dass es sofort wieder entnommen werden kann. Die sehr schnelle Zykluszeit ist ein großer Vorteil dieses Prozesses. Allerdings können nur relativ einfache Bauteile geformt werden, wie zum Beispiel Flugzeugflügel, Rippen und dergleichen, die allerdings auch zusätzliche Abstufungen oder Sicken enthalten können. Das Umformen kann auch unter Druck- und Temperatureinwirkung im Autoklaven erfolgen, wobei die längeren Prozesszeiten als Nachteil anzuführen sind [7]. Thermoplast-Legeverfahren Beim Thermoplast-Legeverfahren werden Bänder mit thermoplastischer Matrix mit Robotern auf der Form platziert. Der Legekopf entnimmt das Material von einer Spule. Kurz vor dem Ablegen wird die Matrix durch Hitzezufuhr geschmolzen, sodass sie beim Auflegen eine Verbindung mit dem bereits gelegten Material eingeht. Während des Anpressens mit einer Rolle erstarrt die Matrix wieder. Problematisch erweist sich die erste Lage, da sie durch die Verwendung von Trennmitteln nicht gut am Werkstück haftet. Eine zusätzliche Fixierung der ersten Lagen mit Klebebändern kann Abhilfe schaffen. Mit diesem Verfahren können auch Wickelteile hergestellt werden. Ein Vorteil ist hier die Kombination des Laminierschritts mit dem Aushärteschritt, die zu einer wesentlichen Zeiteinsparung führt. Das Anfertigen von Vakuumsäcken mit dem notwendigen Zeit- und Materialaufwand kann ebenfalls vermieden werden. Es gibt speziell entwickelte Rohmaterialien, bei denen Kunststoff- und Verstärkungsfasern vermengt


sind. Das Konsolidieren zu einem kompakten Bauteil erfolgt in diesem Fall erst während des Legeprozesses [8]. 4.1.3.8 Faserspritzen Beim Faserspritzen werden Endlosfasern auf die gewünschte Länge geschnitten und zusammen mit Polyesterharz verarbeitet. Ähnlich wie beim Handlaminieren kann mit Rollen die Schicht kompaktiert werden. Oft werden Industrieroboter eingesetzt, da bei diesem Verfahren die Umgebungsluft besonders stark mit Styrol belastet wird. Die erzielbaren Faservolumengehalte liegen typischerweise unter 45%. Die Festigkeit und die Steifigkeit der Bauteile ist daher entsprechend niedrig. Werden beim Faserspritzen rotierende Werkzeuge verwendet, spricht man von Schleuderverfahren. Es werden Rohre mit glatter Außenfläche hergestellt. 4.1.3.9 SMC- und BMC-Bauteile Sheet Molding Compound (SMC) und Bulk Molding Compound (BMC) Verfahren wurden für die Massenproduktion entwickelt. Bei der Herstellung des Rohmaterials werden zerhackte Glasfasern mit Matrix-Material vermengt und zwischen zwei Deckschichten – meist Polyethylen – abgelegt. Dieses Ausgangsmaterial wird auf Rollen gewickelt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. In weiteren Prozessschritten kann das Material nun umgeformt, gebogen oder gepresst werden. Es können Bauteile mit allseitigen Top-Oberflächen hergestellt werden, die auch gut lackiert werden können. Bauteillösungen sind vor allem in der Automobilindustrie (Lkw und Pkw), aber auch in der Elektroindustrie oder beim Eisenbahn- oder Flugzeugbau bekannt [2]. Es gibt zahlreiche weitere Verfahren, wie Spritzgießen usw., die Faser- oder Partikelverstärkungen einsetzen. Bezüglich dieser Produktionsverfahren wird auf weiterführende Literatur [3] verwiesen. 4.1.4 Aushärten

Der Aushärteprozess definiert die endgültige Form und die Eigenschaften, aber auch die Qualität des Bauteils. Besonders wichtig ist dieser Prozessschritt für die duroplastischen Matrixmaterialien. In diesem Kapitel werden vor allem die Möglichkeiten für thermisch reaktive Materialien beschrieben. Die Raumtemperaturhärtung durch Harz und Härtersysteme wird an dieser Stelle nicht behandelt. Wie bekannt ist, werden die Faserlagen durch das Aushärten nicht mehr verändert. Die exotherme Reaktion der Harze ist bei dickeren Bauteilen, aber auch bei Harzanhäufungen z. B. im Einlassbereich von RTM-Werkzeugen, besonders zu beachten, da ein Überhitzen unweigerlich zu einer Zerstörung des Bauteils führt. Aushärteprozesse sind eng verknüpft mit den verwendeten Maschinen und Anlagen: Autoklav, Ofen, Presse oder andere Härteverfahren.

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Abb. 4.1.6 Offener Autoklav im Hintergrund, Beladungswagen mit gestapelten Bauteilen.

4.1.4.1 Autoklavhärtung Unter einem Autoklaven versteht man einen Aushärteofen, der unter Druck gesetzt werden kann. Die Autoklavhärtung ist das meist verbreitetste Verfahren im Flugzeugbau (siehe Abschnitt 6.4). Die Formen mit den Bauteilen und den Vakuumsäcken werden im Autoklav gestapelt (Abb. 4.1.6). Die optimale Füllung der meist großen Geräte ist mitentscheidend für die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses. Alle Bauteile werden vor und nach dem Befüllen an Vakuumleitungen angeschlossen, um eine gute Kompaktierung sicherzustellen. Zusätzlich wird das Thermoelement, das jedes Bauteil bzw. jede Form (es können auch mehrere kleine Teile auf einer Form positioniert sein) besitzt, an die Autoklavregelung angeschlossen. Der Temperatur- und Druckverlauf kann so für jedes Bauteil aufgezeichnet werden. Die Temperatur am Bauteil bzw. an der Form wird auch als Regelgröße für die Temperaturvorgabe verwendet, da die minimale Aushärtezeit für jedes Bauteil sichergestellt werden muss. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, nur ähnliche Formen bei einem „Autoklavschuss“ zu verwenden. Die Aufheizzeit hängt vor allem vom verwendeten Formenmaterial und -design ab. Nach dem Schließen der mächtigen Tür des Autoklaven wird der Temperaturund Druckzyklus gestartet, der für jedes Harzsystem und/oder jede Bauteilgruppe anders sein kann. Am Beispiel eines typischen 180 °C aushärtenden Harzes wird der Temperaturzyklus beschrieben: 1. Aufheizen mit einer Rate von 4 °C/min und Druckaufbau, 2. Halten der Temperatur bei 120 °C für z. B. 15–30 min, 3. Aufheizen mit einer Rate von 4 °C/min bis 180 °C, 4. Aushärten für 90 min, 5. Abkühlen mit einer Rate von 4 °C/min und Druckabbau.

Parallel dazu wird während des Aufheizens der Druck gesteigert. Üblich sind 6 bar für solide Laminate und 3 bar für Sandwich-Bauteile. Erst während des Abkühlens


wird der Druck wieder reduziert. Autoklaven verwenden meist Umluftgebläse, um eine konstante Temperaturverteilung im Inneren sicherzustellen. Dabei kann es zu elektrostatischen Aufladungen der verwendeten Folien kommen, die eine Explosion und einen nachfolgenden Brand im Autoklaven verursachen können. Dieser Effekt kann vor allem bei CFK-Teilen zu einer Zerstörung der Anlage führen. Spezielle Druckventile am Autoklaven sorgen in diesem Fall für den Druckabbau. Um einen Autklavbrand zu verhindern, wird üblicherweise unter Stickstoffatmosphäre ausgehärtet. Im Autoklav-Verfahren werden meist Prepreg-Teile gehärtet. Es können natürlich auch RTM-Formen beheizt oder Thermoplast-Umformungen darin durchgeführt werden. Es gibt sogar RTM-Verfahren, die die Injektion direkt im Autoklav bewerkstelligen. Die oft massiven RTM-Formen sind aber im Autoklav nicht wirtschaftlich auszuhärten, da der Wärmeübergang durch Konvektion zu lange Zykluszeiten verursacht. 4.1.4.2 Ofenhärtung Die Ofenhärtung wird nur selten für Prepreg-Bauteile verwendet, da der Außendruck nicht optimale Kompaktierungsergebnisse liefert und somit die Faservolumengehalte niedriger sind. Öfen werden allerdings oft für Post-Cure-Prozesse verwendet, um die Einsatztemperaturen und die Aushärtegrade zu erhöhen. In Öfen kann auch die Aushärtung von RTM-Bauteilen erfolgen. Das für die Aushärtung von RTM-Bauteilen unter Abschnitt 4.1.4.1 Gesagte gilt auch hier. Oft wird der Ofen im Versuchsstadium genutzt, wenn noch keine automatisierten Heizpressen zur Verfügung stehen. Die Öfen werden auch zum Einbrennen der Trennmittel auf die Formen benötigt (siehe auch Abschnitt 4.1.2). Die Infusion kleiner bis mittlerer Bauteile wird ebenfalls in Öfen durchgeführt, um die optimale Fließtemperatur einhalten zu können. 4.1.4.3 Pressenhärtung Für Prepreg-Material dienen Pressen vor allem zum Aushärten ebener Platten. Dabei können sehr enge Dickentoleranzen eingehalten werden. Sie werden aber auch für wenig gekrümmte Bauteile verwendet, die in hoher Stückzahl benötigt werden. So werden zum Beispiel GFK-Sandwich-Bauteile aus Prepreg mit dieser Technologie gehärtet. Speziell abgestimmte Prepregs ohne Klebrigkeit (Tack 0) werden in äußerst kurzen Zyklenzeiten, die rund 10–15 Minuten betragen, verwendet. Oft wird dabei die Honigwabe absichtlich zerdrückt. Dieses Verfahren wird CrushCore-Technologie genannt und funktioniert nur in Pressen. Es ist dabei speziell auf die flüchtigen Bestandteile zu achten, die zum Beispiel bei Verwendung von Phenol-Harzen auftreten. Ihnen wird durch leichtes Öffnen der Formhälften während der Aushärtung ermöglicht zu entweichen. Oft werden auch die Formhälften beim RTM-Prozess direkt in Pressen eingebaut. Typisch für die Anwendung dieser Technologie ist das Ziel, hohe Stückzahlen zu fertigen. Dies wurde auch für andere Werkstoffe bereits beschrieben, bei denen kurze Zyklenzeiten angestrebt werden.

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4.1.4.4 Andere Härteverfahren Spezielle Härteverfahren wurden entwickelt, um auf Besonderheiten der Bauteile Acht geben zu können. Zum Beispiel werden für große Teile, wie Rotorblätter, die Heizungselemente direkt in die Form eingebaut, in der die Infusion der Blatthälften erfolgt. Eine besondere Entwicklung stellt auch das Härten im heißen Wasser dar, mit dem in geschlossenen Kavitäten auch Druck aufgebaut werden kann. So wird z. B. in [9] von einer beinahe Halbierung der Zyklenzeit gegenüber dem Autoklavprozess berichtet. Sowohl die mechanischen Werte als auch die Aushärtegrade und die Glasübergangstemperatur waren gleich oder besser. Das verwendete Verfahren ist unter dem Namen QickStep bekannt. Es wird dabei der erhöhte Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und dem Laminat genutzt. Zusätzlich werden sogar exotherme Reaktionen teilweise verhindert, da auch die Wärme durch den erhöhten Wärmeübergang leichter abgeleitet werden kann. Es gibt auch Verfahren für kleinere Bauteile, die unter Druck stehende heiße Gase zum Aushärten nutzen. 4.1.5 Qualitätskontrolle

Nach dem Härten oder Formen werden üblicherweise Qualitätsschritte durchgeführt. Im Rahmen der Serienprüfung werden zerstörungsfreie Prüfmethoden angewendet und/oder Prüfkörper aus den Rändern herausgeschnitten, die zerstörend geprüft werden. 4.1.5.1 Zerstörungsfreie Prüfmethoden Typisch ist zum Beispiel die Ultraschalluntersuchung von strukturellen Komponenten. Mit der C-Scan-Methode wird im Durchschall-Verfahren das Bauteil auf Porosität und Delaminationen untersucht. Dieser Schritt wird mit automatisierten Anlagen durchgeführt. In Abb. 4.1.7 ist eine derartige Anlage gezeigt, die zwei lineare Achsen im Portal und eine Rotationsachse beim Werkstückträger besitzt. Mit dieser Anlage werden rotationssymmetrische Bauteile geprüft. Es gibt natürlich auch verfahrbare Portale, sodass drei lineare Achsen für eher flache Bauteile zur Verfügung stehen, die auch sehr groß sein können. Mit dieser Methode können die Fehlergröße (> 1 mm) und der Fehlerort bestimmt werden. Für Detailuntersuchungen wird die A-Scan-Methode angewendet, die mit Normalprüfköpfen durchgeführt wird, die sowohl Sender als auch Empfänger integriert haben. Mit dieser Methode können nicht nur die oben genannten Fehlerparameter gefunden werden, sondern auch die Fehlertiefe, die für die Wahl der Reparaturmethode von besonderer Bedeutung ist. Auch die radiografische Röntgenprüfung wird zur Prüfung von Verklebungen von Honeycombs eingesetzt. Es kann deutlich ein Verformen oder lokales Eindrücken der Wabe erkannt werden. Delaminationen sind allerdings nicht sichtbar, da es durch einen nicht klaffenden Riss oder Delamination keinen Dichteunterschied zu erkennen gibt. 3D-Bauteile können mittels Röntgen-ComputerTomografie auf Poren, Einschlüsse und Faseranordnung geprüft werden (J. Kastner, Wels, 2008).


Abb. 4.1.7 C-Scan-Ultraschallanlage für 3D-Bauteil auf Drehtisch.

4.1.5.2 Zerstörende Werkstoffprüfungen Prüfung an Begleitproben Bei Composite-Bauteilen ist es auch üblich, zusätzlich Proben im Randbereich der Bauteile einzubauen, mit denen die erfolgreiche Durchführung der Prozesse nachgewiesen werden kann. Für komplexe Bauteile wird oft auch der Aushärtegrad bestimmt. Hier ist anzumerken, dass diese Analyse mit der DSC (differentielle Mikrokalorimetrie)-Methode relativ aufwändig ist. Vor allem bei Bauteilen, die in größeren Serien gefertigt werden, können hier nicht zu vernachlässigende Kosten auftreten. Um wirtschaftlich sein zu können, ist die Prüfung von Stichproben notwendig, die in Abhängigkeit von Fehlern häufiger oder weniger oft durchgeführt werden müssen. Früher wurde die Aushärtung indirekt durch die Aushärtezeit nachgewiesen. Dies war sicher ungenau, aber sehr kosteneffektiv, da die Kontrolle nur wenige Minuten pro Bauteil in Anspruch nahm. Neue Methoden versuchen in situ den Aushärtegrad zu bestimmen, um die Härtezeit minimieren zu können. Die Sensoren sind aber derzeit noch zu wenig ausgereift, um gesicherte Aussagen treffen zu können. Zu den aus den Rändern entnommenen Proben zählen auch die Short-BeamShear-Tests, mit denen die interlaminare Scherfestigkeit geprüft wird. Natürlich werden nicht nur während des Produktionsprozesses Prüfungen durchgeführt, sondern auch bei der Wareneingangsprüfung im Composite-Werk. Als einziges Beispiel sollen hier die Climbin-Drum-Peel-Proben genannt werden, mit denen die Abziehfestigkeit von Deckschichten auf Honigwaben ermittelt werden kann und somit der Kleber geprüft wird.

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Prüfungen zur Bauteilqualifikation Im Rahmen der Bauteilqualifikation wird ein umfangreiches Prüfprogramm durchgeführt. An allen kritischen Stellen werden die Faservolumengehalte bestimmt. Zusätzlich wird das gesamte Bauteil in Streifen geschnitten und optisch geprüft. Die Bauteilfestigkeit muss nicht nur in Berechnungen, sondern auch in statischen und Lebensdauerversuchen nachgewiesen werden. Diese Versuche dauern einige Monate, da die Testteile für die StatikTests üblicherweise konditioniert werden. Dabei muss die Sättigung des Laminats nachgewiesen werden. Die Lebensdauertests können ebenfalls einige Monate dauern, da ein komplettes Flugzeugleben simuliert wird. Dabei sind in den Test-Bauteilen Fehler wie Delaminationen eingebaut, die durch die Beanspruchung nicht wachsen dürfen. Danach werden mögliche Reparaturen am Bauteil eingebracht; eine weitere Simulation eines Flugzeuglebens an der Dauertestvorrichtung soll die Festigkeit der Reparaturmethode nachweisen. Prüfungen zur Materialqualifikation Um eine komplette Materialqualifikation durchzuführen, sind Hunderte Tests notwendig, um einerseits die notwendigen Festigkeitsmerkmale zu bestimmen, die zur Analyse der Bauteile benötigt werden, und andererseits den negativen Einfluss durch äußere Einflüsse ausschließen zu können. Zu nennen sind hier der Einfluss durch Feuchte in Kombination mit verschiedenen Temperaturen oder der Einfluss durch Chemikalien, wie Treibstoffe, Hydrauliköle oder Putz- und Lebensmittel. Es werden verschiedene Produktionslose der Fasern und der Harze verwendet, um auch hier Streuungen ausschließen zu können. Details für diese Qualifikationsaktivitäten sind in [4] zu finden. 4.1.6 Zusammenbau

Nachdem die Kontur auf das Endmaß gebracht wurde, kann der Zusammenbau der Composite-Bauteile erfolgen. Oft werden Metallbeschläge, Dichtungen, Anbauteile oder gesamte Systeme an den Bauteilen befestigt. Der Montageaufwand ist als relativ hoch zu bezeichnen, da die Bauteile nicht nur mit einer Form-, sondern auch mit einer Dickenungenauigkeit behaftet sind. Anbauteile und Beschläge müssen daher mit einer Ausgleichsschicht versehen werden, die aus Harz besteht und eventuell auch mit Verstärkungslagen aus Glas versehen werden kann. Diese Montage wird auf speziellen Vorrichtungen durchgeführt. Auch das Bohren für Befestigungsschrauben kann sich für Composite-Bauteile als sehr schwierig herausstellen, da oft Composite- und Metallbauteile gleichzeitig verbohrt werden müssen. Ein Metallspan kann aber im Composite-Bereich tiefe Kratzer verursachen. Besonderes Augenmerk ist auch auf die Korrosion zu legen. Aluminium korrodiert in elektrischer Verbindung (Feuchtigkeit) mit Carbonfasern. So werden in Bereichen, wo Al-Beschläge vorgesehen sind, beim Zusammenbau GFK-Lagen eingebaut, um eine Isolation herzustellen. In der Luftfahrt werden zusätzlich das Al-Teil und das CFK-Bauteil lokal lackiert, sodass in der Summe drei Schutzschichten vorhanden sind. Zur Befestigung kommen entweder korrosionsbeständige Stahl- oder Titan-Schrauben zum Einsatz. Bauteil-Beispiele sind in Abschnitt 6.4 zu finden.


Beim Zusammenbau verschiedener Materialien mit Composite-Bauteilen ist auch die Wärmeausdehnung zu beachten. CFK-Bauteile dehnen sich in Faserrichtung praktisch nicht unter Temperatureinfluss. Dies kann in Verbindung mit AlBeschlägen einen erheblichen Teil der Schraubenlasten verursachen. So wurde zum Beispiel an einem ca. 600 mm großen Beschlag errechnet, dass 1/4 der Last an den äußeren Schrauben durch die Temperaturunterschiede im Bereich von 60 °C verursacht wird. 4.1.6.1 Weiterverarbeitung von thermoplastischen Composites Bei den thermoplastischen Matrix-Materialien ergeben sich für die Weiterverarbeitung besondere Möglichkeiten, die typischerweise das Schmelzen und Erstarren ausnutzen. Zu nennen sind die Schweißverfahren wie Wärmeschweißverfahren, Reibschweißen, elektrische Schweißverfahren und Ultraschallschweißen [10]. Wärmeschweißverfahren Das Wärmeschweißverfahren wird entweder mit Heizplatten, die oft mit PTFE beschichtet sind oder mit Infrarotgeräten durchgeführt. Es ist dabei zu beachten, dass die Feuchtigkeit beim Erwärmen entweichen kann und somit Porosität vermieden wird. Für größere Bauteile kann das Warmluftschweißen verwendet werden, bei dem auch Zusatzmaterial in Form eines Schweißstabes zugeführt werden kann. Reibungsschweißen Beim Reibungsschweißen werden die Bauteile relativ zueinander bewegt, sodass Reibwärme entsteht, die wiederum zum Zusammenfügen der Bauteile genutzt wird. Es werden Frequenzen von 100 bis 400 Hz bei einer Amplitude von 0,5 bis 2,5 mm verwendet. Die konstruktive Gestaltung der Schweißnaht muss natürlich diese Bewegung ermöglichen. Oft werden die Fügeflächen flanschförmig ausgeführt, auf denen eine Schweißrippe sitzt. Ultraschallschweißen Beim Ultraschallschweißen wird das Bauteil mit 20–40 kHz Schwingungen mit Amplituden von 25 bis 40 µm beaufschlagt. Die dadurch erwärmte Kontaktzone wird meist linienförmig realisiert. Die Bewegung in Längsrichtung muss dabei frei möglich sein. Die Schweißdauer liegt zwischen 0,1 und 1 s. Ein dreieckiger Querschnitt ermöglicht die elastische Verformung und somit das Erwärmen der zu fügenden Teile. Eine zweite Möglichkeit bildet die Ausführung als Scherfläche. Elektrische Schweißverfahren Wir unterscheiden das elektromagnetische Induktionsschweißen und das Widerstandsschweißen. Beim Induktionsschweißen wird Hilfsmaterial verwendet, in das metallische Partikel gefüllt sind. Durch eine Spule wird zuerst das Hilfsmaterial geschmolzen, das zusätzlich das umgebende Material schmilzt. Beim Widerstandsschweißen wird die Wärme durch dünne Drähte erzeugt, die sich durch Stromdurchfluss erwärmen und das umgebende Material schmelzen. Die Drähte verbleiben anschließend im Werkstück.

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4.1.7 Zusammenfassung und Ausblick

Faserverstärkte Kunststoffbauteile erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Nicht nur aus Gründen der Festigkeit und Steifigkeit, sondern vor allem der Energieeffizienz wegen werden immer leichtere Werkstoffe eingesetzt. Der verstärkte Einsatz dieser Bauteilgruppe macht sich auch in der signifikanten Erhöhung der Carbonfaserproduktion bemerkbar. So steigt die PAN (Polyacrylnitril)-Kohlefaserproduktion von ca. 39 000 Tonnen im Jahr 2007 auf ca. 68 000 Tonnen im Jahr 2010 [11]. Die größeren Verarbeitungsmengen, aber auch immer größere Bauteile, wie an den Windrädern gezeigt, verlangen stetige Weiterentwicklungen an den Produktionsverfahren. Vor allem im Bereich der Automatisierung der teils aufwändigen Produktionsverfahren wird in den nächsten Jahren noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten sein. Auch der Sektor der Rezyklierbarkeit wird in absehbarer Zukunft an Gewicht zunehmen.

Literaturnachweis 1 Degischer, H.P. (2003) Verbundwerkstoffe, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim. 2 Bower, M.V. (2000) Composite Materials. Skript zur Vorlesung, University of Alabama, Huntsville. 3 Mlekusch, B. (2006) Verbundwerkstoffe I + II, Skript zur Vorlesung, FH Wels. 4 MIL-HDBK-17-1E, Polymer Matrix Composites, Vol. 1: Guidelines for characterization of structural materials, Department of Defense, 1997. 5 Steger, Sieghart, Glauninger (1993) Technische Mechanik, Bd. 3, Teubner Verlag, Stuttgart. 6 Bernhofer, P. (2007) Entwicklung und Optimierung von Produktionsverfahren unter Verwendung metallischer, ausschmelzbarer Kerne in der Faserverbundtechnologie. Diplomarbeit, FH Wels. 7 Leach, D. (2003) Thermoplastic Composite Materials – Coming of Age!, Cytec

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Engineered Materials, Thermoform Net Meeting. Loos, A.C., Batra, R.C. (2000) Thermoplastic Composite Sheet Forming, Department of Engineering Science and Mechanics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA. Kaiser, M., Garschke, C., Fox, B., Weimer, C., Drechsler, K. (2007) Out of Autoclave Manufacture of Structural Aerospace Composite Materials, Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart, Eurocopter Deutschland GmbH, School of Engineering and Technology, Deakin University, Victoria, Australia. Kunststoff-Verbindungen, Leitfaden, GE Plastics, 2001. Reux, F. (2008) Carbon Fibre: Sustained Increase in Production Capacities. JEC Composites Magazine, 41, 18–19.

4.2 Mischbauweisen und Multimaterialkomponenten

4.2 Mischbauweisen und Multimaterialkomponenten Ulf Noster Kurzfassung

Durch die Verwendung von verschiedenen Werkstoffen in einem Bauteil können örtlich unterschiedliche Anforderungen abgedeckt werden. Vorgestellt werden Beispiele zur Herstellung von Multimaterialkomponenten ohne Anwendung einer zusätzlichen Fügeoperation. Das Verbinden der Werkstoffe erfolgt neben der Herstellung eines Halbzeugs direkt im Ur- bzw. Umformprozess. Angegeben sind Schritte der Auslegung und die Herstellung von Werkstoffverbunden. 4.2.1 Einleitung

Wie in Abschnitt 2 angegeben steht für den Leichtbau eine breite Auswahl von Werkstoffen mit den verschiedensten Eigenschaften zur Verfügung. Genannt seien hier z. B. Festigkeit, Steifigkeit, Korrosionswiderstand und Verschleißfestigkeit. Entsprechend den Anforderungen, die an das Bauteil gestellt werden und unter Einbeziehung der möglichen Fertigungstechnologien und Kosten wird der geeignete Werkstoff im Konstruktionsprozess gewählt. Oftmals sind die Anforderungen an ein Bauteil jedoch nicht an jeder Stelle gleich, sondern unterscheiden sich. Dies ist schematisch in Abb. 4.2.1 dargestellt. Im oberen Bereich sei als Eigenschaft ein hohes A, im unteren Bereich ein hohes B gefordert. Können die geforderten Eigenschaften nicht mit einem Werkstoff abgedeckt werden bzw. müssen hierzu nicht gewollte Kompromisse wie z. B. höheres Gewicht oder höhere Kosten in Kauf ge-

Abb. 4.2.1 Schematische Darstellung örtlich unterschiedlicher Anforderungen an einem Bauteil.

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nommen werden, bietet sich die Verwendung mehrerer Werkstoffe in einem Bauteil an. Diese Misch- oder Multimaterialbauweise setzt dann eine funktionierende Verbindung zwischen den verschiedenen Werkstoffen voraus. In diesem Kapitel werden spezielle Techniken zur Verbindung verschiedener Werkstoffe während der Bauteilherstellung durch Ur- und Umformprozesse dargestellt, die keine separate Fügeoperation erfordern. 4.2.2 Einsatzbeispiele und Anforderungen

Strangpressen [1] ist ein verbreiteter umformtechnischer Prozess zur Herstellung von Profilen aus Leichtmetallen (Langprodukt mit über die ganze Länge gleichbleibender Querschnittsform). Ein hier als Beispiel gewähltes Einsatzgebiet stellt die Anwendung im Rumpf von Flugzeugen als Stringerprofil dar. Die Stringer sollen hierbei die Steifigkeit erhöhen und das Ausbeulen des Rumpfs verhindern. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Steifigkeit dieser Strangpressprofile (ohne Geometrieänderungen) liegt in der Verwendung von teilchenverstärkten Aluminiumlegierungen (Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe) anstelle von unverstärkten Aluminiumlegierungen [2]. Besteht eine Anforderung in der Fügbarkeit durch Schweißen, so ist dies jedoch für teilchenverstärkte Verbundwerkstoffe nicht mit ausreichender Ermüdungsbeständigkeit möglich. Im zitierten Beispiel wurden deshalb Stringerprofile (Abb. 4.2.2) hergestellt, bestehend aus dem unverstärkten Stringerfuß (Bereich der Schweißung) in der Aluminiumlegierung AA6060 und dem teilchenverstärkten Steg aus AA6061 mit 22% Al2 O3 mit gesteigerter Werkstoffsteifigkeit. Hergestellt wurden die Stringerprofile durch Koextrusion, einer Sonderform des Strangpressens [3]. Hierbei besteht der Pressbolzen, der durch das Strangpresswerkzeug gedrückt wird, nicht aus einem Werkstoff, sondern aus ver-

Abb. 4.2.2 Koextrudiertes Stringerprofil (graue Stege sind teilchenverstärkt, helle Füße sind aus unverstärktem, schweißbarem AA6060).


schiedenen Werkstoffen. Bezogen auf die Geometrie des Presswerkzeugs muss die Anordnung der Werkstoffe abgestimmt werden, um das in Abb. 4.2.2 gezeigte Ergebnis zu erhalten. Koextrusionen mit teilchenverstärkten Al-Legierungen können je nach eingestellten Gefügen auch höhere Dauerfestigkeiten und höhere Verschleißbeständigkeit aufweisen als der verwendete Grundwerkstoff [4]. Werkstoffverbunde von teilchenverstärkten mit unverstärkten Al-Legierungen können auch im Verbundguss hergestellt werden. In [5] sind einige Beispiele angeführt, darunter die im Sandguss hergestellte Bremsscheibe des ICE und die Kurbelgehäuse mit teilchenverstärkter Zylinderlaufbüchse. In Aluminiumkurbelgehäuse eingegossene Zylinderlaufbüchsen aus Gusseisen zählen zum Stand der Technik für die Großserienproduktion [6]. Im Motorbau ist die erforderliche Eigenschaftsvielfalt mit verschiedenen Werkstoffen realisierbar: kurzfaserverstärkte Kolben [5], mit Mg umgossene Al-Kurbelgehäuse [7]. Ein Beispiel von Multimaterial-Bauteilen, die im Urformprozess hergestellt werden: Ein Halbzeug (Stahlrohr, Aluminium- oder Magnesiumstrangpressprofil) wird in die Gießform eingelegt und durch Umgießen mit Aluminium- oder Magnesiumschmelze wird sowohl das Gussbauteil hergestellt als auch mit dem Halbzeug verbunden. Ein zusätzlicher Fügeschritt wie Schweißen, Kleben oder Nieten ist nicht notwendig [8]. Während das Gussteil alle Freiheiten in der geometrischen Gestaltung aufweist, eignet sich das Rohr oder Profil zur Darstellung längerer Laststrecken. Mögliche Einsatzbereiche liegen in automotiven Spaceframe-Strukturen sowie in Hang-On-Bauteilen (z. B. PKW-Tür), die aus Gussbereichen und Profilen bestehen [9]. Die Abb. 4.2.3 zeigt ein Beispiel eines Mg-Gussteils, in das zwei AlRechteckprofile eingebettet sind. Mittels Simulation des Gießprozesses (Formfüllung und Erstarrung) kann die Bauteilgeometrie in Kombination mit den Gießparametern hinsichtlich der Neigung zur Bildung von Schrumpfungslunkern bewertet werden. Dies ist von großer Relevanz, da durch die im Vergleich zur Schmelze kalten Einlegeteile örtlich Wärme entzogen wird. Die in [10] verwendeten, rechteckigen Einlegeteile hatten die

Abb. 4.2.3 Prototyp eines Gussknotens aus Magnesium AZ 91 mit zwei Einlegeteilen aus Aluminium AA6060 Rechteckprofilen; der weiße Bereich in der Mitte stellt einen verlorenen Kern vor der Herausarbeitung dar [10].

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Abb. 4.2.4 Angabe der zu erwartenden Schrumpfungslunker (lila) als Ergebnis einer Formfüllungs- und Erstarrungssimulation: (a) erste Variante, (b) zweite Variante, (c) zur Herstellung des Prototypen verwendete Geometrie [10].

Abmessungen 25 mm ~ 25 mm bei einer Wanddicke von 4 mm. Die Überlapplänge zwischen Profil und Guss betrug 15 mm sowie 30 mm. In Abb. 4.2.4 sind Ergebnisse entsprechender Erstarrungssimulationen angegeben. Bei allen Varianten deutet der lilafarbene Bereich im unteren Bereich des Angusses auf ein Lun-


kerrisiko hin. Dieser Bereich liegt jedoch außerhalb des eigentlichen Bauteils und wird nicht weiter berücksichtigt. Variante (a) zeigt jedoch auch im tragenden Bereich zwischen den beiden Einlegeteilen einen Lunkerindikator. In Variante (b) wurde deshalb durch Einbringung eines Auges der negativen Materialanhäufung entgegengewirkt. In der dargestellten Variante (c) wurden nochmals Anpassungen zur Einstellung möglichst gleicher Wandstärken durchgeführt. Variante (c) wurde dann zu dem in Abb. 4.2.3 angegebenen Prototyp umgesetzt [10]. Variiert wurde die Wanddicke des Gusses im Bereich der Überdeckung. Die Einlegeteile wiesen keine Hinterschneidungen auf, sodass der Verbund nur durch den Kraftschluss aufgrund des aufgeschrumpften Gusswerkstoffs nach dessen Erstarrung zusammengehalten wird. Auszugversuche ergaben Kräfte je nach Geometrie zwischen 15 kN und fast 40 kN. Die Auswirkungen von Hinterschneidungen zur zusätzlichen Einstellung eines Formschlusses wurden in [11, 12] untersucht. Entwickelt wurde ein Prototyp zur Darstellung eines Knotens für z. B. ein Spaceframe, bei dem zwei Stahleinsätze durch ein Aluminiumgussbauteil verbunden werden. Die rohrförmigen Einlegeteile wurden durch einen Platzhalter nach innen gegen die Schmelze abgedichtet. Für die Prototypen wurde mittels spanendem Verfahren ein Absatz als Hinterschnitt gegen Auszug in Längsrichtung und ein Polygon-Profil als Hinterschnitt gegen Torsion vorgesehen (bei einer möglichen Serie könnte Innenhochdruckumformen (siehe Abschnitt 3.3) eingesetzt werden). In Abb. 4.2.5 ist der Prototyp schematisch dargestellt. Der hergestellte Prototyp sowie ein Längsschnitt sind in Abb. 4.2.6 dargestellt. Für den Lastfall-Auszug in Längsrichtung decken sich die in [11] angegebenen Simulationsergebnisse gut mit den Versuchen. In [12] sind die Schritte zur Aus-

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Abb. 4.2.5 Prototyp eines Gussknotens zur Verbindung von zwei Stahlrohren mit Hinterschnitten in Auszug- und Verdrehrichtung [12].

Abb. 4.2.6 Hergestellter Prototyp eines Gussknotens zur Verbindung von zwei Stahlrohren: (a) Einlegeteile und unbearbeiteter Gussknoten, (b) Längsschnitt [11].

legung des Werkstoffverbunds mithilfe der Finite-Elemente-Methode im Detail angegeben. Am Beispiel einer PKW-Tür [9] wurde eine bestehende Lösung in eine Verbundlösung substituiert. In der Serie wurde hier ein Strangpressprofil (oberer Fensterrahmen) durch Schweißen mit dem gegossenen Türrahmen verbunden. Für die Untersuchungen wurde ein Teil der Tür (Fensterdreieck) in einem Prototypenwerkzeug durch das Einlegen und Umgießen eines Profilstücks hergestellt, das mindestens die gleiche Festigkeit wie die verschweißten Bauteilbereiche der Serientür aufweist. Die Verbindungsfestigkeit ist stark vom Design der umgossenen Überlappung abhängig. Erreicht wurden Festigkeiten, je nach Konfiguration


Abb. 4.2.7 Teil einer PKW-Tür (Fensterdreieck) mit Gussbereich (waagerechter Bereich) und eingegossenem Profil (senkrechter Bereich) [9].

auch höher als die der Schweißverbindung. In Abb. 4.2.7 ist das Verbundteil – Ausschnitt aus der Tür (Fensterdreieck) – dargestellt. 4.2.3 Zusammenfassung

Dargestellt wurden drei Beispiele zur Herstellung und zu den speziellen Eigenschaften von Multimaterialkomponenten ohne Anwendung zusätzlichen Fügeoperationen. Das Verbinden der Werkstoffe erfolgte hier einerseits durch Umformen im Koextrusionsverfahren, andererseits mittels Einlegetechnik im Gießprozess. Neben den gezeigten Beispielen werden einige Werkstoffverbunde ohne Einsatz von extra Fügeschritten in verschiedenen Anwendungsbereichen angeführt, wobei auf viele weitere Varianten zu verweisen ist.

Literaturnachweis 1 Lehnert, W. (1999) Aluminium-Taschenbuch (Hrsg. C. Kammer), Bd. 2, Aluminium-Verlag, Düsseldorf. 2 Kammer, C. (2002) Aluminium-Taschenbuch (Hrsg. C. Kammer), Bd. 1, Aluminium-Verlag, Düsseldorf. 3 Degischer, H.P., Kilian, H. (1997) Koextrusion zur Herstellung von Verbundprofilen verschiedener Al-Werkstoffe. In: Strangpressen (Hrsg. G. Fischer), DGM-Verlag, Oberursel, S. 141–150. 4 Starzer, B., Jeglitsch, F., Leitner, H., Degischer, H.P. (1996) Ermüdung und Schadensanalyse teilchenverstärkter Aluminium-Hybridwerkstoffe. Proc. „Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde“ (Hrsg. G. Ziegler), DGM Verlag, Oberursel, S. 201–204.

5 Kainer, K.U. (2006) Metal Matrix Composites, Wiley-VCH Verlag, Weinheim. 6 Arndt, R., Rusebach, K., Roesch, R., Stenzel, M. (1997) Das Aluminium-Kurbelgehäuse der Audi-Vierzylindermotoren mit 1,6 und 1,8 l Hubraum. MTZ, 58, 600–606. 7 Segaud, J.M. (2004) Entwicklung von Aluminium/Magnesium-Verbundkurbelgehäusen für PKW-Motoren, in Vom Werkstoff zum Bauteilsystem (Hrsg. H. Kaufmann, P.J. Uggowitzer), LKR-Verlag, Ranshofen, S. 252–262. 8 Noster, U., Bitsche, R.D. (2008) Fügepartner schlüssig zu Leichtbaukomponenten verbinden? Lightweight Design, Vieweg+Teubner, S. 30–34.

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4 Bauteilfertigung 9 Nissle, S., Dassler, S., Noster, U., Mundl, A. (2008) Verbundguss, Neue Auslegungsmöglichkeiten für Gussteile durch Funktionsintegration oder lokale Verstärkung. Tagungsband der 5. Ranshofener Leichtmetalltage. LKR-Verlag, Ranshofen, S. 35–44. 10 Peterlechner, C. (2006) Machbarkeit von Aluminium Magnesium Gusshybriden in Automotiven Rahmenstrukturen. Diplomarbeit, FH Mittweida.

11 Bitsche, R.D., Noster, U., Peterlechner, C., Rammerstorfer, F.G. (2006) Simulation von kraft- und formschlüssigen Hybridguss-Verbindungen als Designgrundlage. Tagungsband der 4. Ranshofener Leichtmetalltage. LKRVerlag, Ranshofen, S. 275–286. 12 Bitsche, R.D. (2008) Dissertation, Technische Universität Wien.

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5 Rezyklierbarkeit 5.1 Rezyklieren metallischer Werkstoffe Michael Kettner und Hans Peter Degischer Kurzfassung

Grundsätzlich sind die metallischen Elemente der Legierungen, die nur der Korrosion und dem Verschleiß während des Gebrauchs und dem Abbrand bei der Schmelzmetallurgie unterworfen sind, zu über 90% rezyklierbar. Nach der Primärherstellung der Basismetalle beginnt der Werkstoffkreislauf bei der Legierungsherstellung durch Wieder- und Weiterverwendung von Produktionsabfällen und Altstoffen nach deren Gebrauch. Gesamtbetrachtungen der Produktlebenszyklen (total life cycle analysis) berücksichtigen die Umweltschäden bei der Produktherstellung und im Gebrauch, wo sie dem Nutzen gegenübergestellt werden. Die Primärherstellung und das Rezyklieren von Mg-, Al-, Ti- und Fe-Basislegierungen werden verglichen. Die etablierten Kreisläufe für Al-Legierungen – Umschmelzund Sekundärlegierungen – werden dargestellt. Mögliche Mg-Legierungskreisläufe werden diskutiert, die bei weiterem Marktwachstum umgesetzt werden können. Nahezu geschlossene Legierungskreisläufe werden erst möglich, wenn eine Marktsättigung über den Gebrauchszeitrum hinaus eingetreten ist. 5.1.1 Einleitung

Die industrielle Entwicklung des vergangenen Jahrhunderts führte zu einer rasanten Steigerung der Werkstoffproduktion, sodass die Sorge um die Endlichkeit der natürlichen Rohstoffquellen [1] politische Sensibilität erzeugte. In Analogie zu den Abläufen in der Natur wird Kreislaufwirtschaft propagiert. Materie geht nicht verloren (ausgenommen bei Kernreaktionen), deshalb kann die Umgestaltung der technischen Werkstoffe von der Herstellung über die Verwendung bis zum Abfall zeitlich verfolgt werden. Legierungen gehen höchstens durch chemische Reaktionen wie Korrosion verloren, die zwar die Metalle wieder in Verbindungen überführt, die den in der Natur vorkommenden Rohstoffverbindungen ähneln, aber Leichtbau. Herausgegeben von Hans Peter Degischer und Sigrid Lüftl Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32372-2

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5 Rezyklierbarkeit

nicht als Vorstoff wieder verwertbar sind. Korrosion und Verschleiß verursachen die wesentlichsten Materialverluste im Produktlebenszyklus, die auf ca. 1 Gew.% des Einsatzes metallischer Werkstoffe geschätzt werden. Wie können die Abfallstoffe aus dem Fertigungsprozess und nach der Nutzung technischer Produkte verwertet, sprich rezykliert werden? Edelmetalle wurden immer schon rezykliert. Das Rezyklieren der meisten Eisenbasislegierungen ist seit einem Jahrhundert etabliert. Leichtmetalle rezyklieren ist nicht nur von ökologischem, sondern auch von hohem wirtschaftlichen Interesse, da ihr Wert wegen des hohen Energieverbrauchs bei der Primärherstellung relativ hoch ist. Bei den Al-Legierungen werden Primärmetalle, Umschmelzlegierungen und Sekundärlegierungen unterschieden, während für die anderen Leichtmetalle Mg und Ti die Rentabilität des Rezyklierwegs von der verfügbaren Altstoffmenge abhängt. Rezyklieren der Metalle ist hauptsächlich eine logistische Herausforderung hinsichtlich einer sortenreinen Rückführung des Materials in den Produktionsprozess. Dieser Herausforderung hat sich auch der Konstrukteur zu stellen, um Mischbauweisen auch rezyklierfähig zu gestalten. Dieser Beitrag soll die Hintergrundinformation für den Werkstoffkreislauf liefern. 5.1.2 Produktlebenszyklus

Die ökologische Beeinflussung der Natur besteht aber nicht nur aus der Umwandlung eines Rohstoffs in einen Werkstoff für ein Produkt und nach dessen Gebrauch in Altstoffe, sondern auch aus den Umwelteinflüssen der Produktionsprozesse, des Einsatzes der Produkte und deren Abfallverwertung. Erst eine Gesamtbetrachtung der ökologischen Wirkungen technischer Produkte erlaubt es, deren Nutzen für die Menschen im Vergleich zum Einfluss auf die Natur zu bewerten. Die Werkstoff- bzw. Produktlebenszyklusanalyse identifiziert sowohl die Stoff- und Energieströme mittels Ökobilanzen (total life cycle assessment – TLA) [2, 3], die in die Fertigungsschritte, in die Verwendung bis zur Abfallverwertung hineingesteckt werden als auch die dabei frei werdenden Emissionen. Die grundsätzlichen Input und Output bezogenen Umweltschädigungskategorien sind in Tabelle 5.1.1 mit ihren Quantifizierungsmöglichkeiten in Anlehnung an [3] angeführt. Bei der Verwendung von Leichtmetallen ist der ökologische Schaden der Input-Größen bei der Primärherstellung zwar relativ hoch, aber mittels Leichtbaufahrzeugen kann der Output beim Einsatz vermindert werden. Derartige Ökobilanzen sind nach wie vor schwierig objektiv zu erstellen und daher umstritten. Die ökologische Bewertung und Umsetzung von Produkt- und Produktionsentwicklungen sollte sich in der Wechselwirkung mit den Marktmechanismen und den politischen Einflüssen auf den gesamten Produktlebenszyklus beziehen, insbesondere auf das Verhältnis des gesellschaftlichen Nutzens im Einsatz zum erforderlichen Gesamtaufwand an Finanzmitteln und Umwelteinflüssen. Die marktwirtschaftliche Regelung erfolgt über Preise, die den Handelswert der Produkte in den verschiedenen Abschnitten des Lebenszyklus darstellen. Das Rezyklieren nach dem Gebrauch erfordert die Kooperation der Produzenten und der Konsumenten mit den logistischen Strukturen der Wieder- und Weiterverwertung, die in profi-

5.1 Rezyklieren metallischer Werkstoffe Tab. 5.1.1 Beispiele der ökologischen Einflussgrößen im Produktlebenszyklus (total life cycle impact assessment) [3]. TLA-Kategorien

Einflussgröße

Messgröße der Wirkung

Input bezogen

Mineralische Ressourcen, Energie-Einsatz (Verarbeitung, Transport etc.)

Relativer Ressourcenverbrauch Nettowert [MJ/Menge]

Output bezogen bei Produktion und im Einsatz

Klimaveränderung, Ozonzunahme Photochemische Oxidation (NOx ) Toxizität für Menschen Genveränderungen

CO2 -Äquivalent, Erderwärmungspotenzial Oxidationspotenzial Toxizitätsfaktor/Luft- bzw. Wassermenge (Grenzwerte) Ectox Potenzial

tabler Weise arbeiten wollen. Die Wertschöpfung bei der Aufbereitung der Abfälle steht im Wettbewerb zur primären Werkstofferzeugung. In diesem Beitrag sei die Betrachtung der Produktlebenszyklen auf die Materialkreisläufe beschränkt, wie in Abb. 5.1.1 dargestellt. Die primäre Metallgewinnung beginnt bei den in der Erdkruste vorkommenden Rohstoffquellen, aus denen die Basismetalle extrahiert werden, die zu technisch nutzbaren Werkstoffen legiert werden. Diese Legierungen werden weiterverarbeitet und in diversen Produkten genutzt. Die Abfallstoffe aus der Fertigung der Produkte (Produktionsreststoffe) und nach deren Gebrauch (Altstoffe) werden dem Werkstoffkreislauf auf verschiedenen Rezyklierwegen zugeführt. Altstoffe werden überall dort von der Industrie mit hoher Effizienz rezykliert, wo ein wirtschaftlicher Anreiz gegeben ist. Ökologische Gesichtspunkte werden vom politischen Umfeld vertreten und je nach wirtschaftspolitischer Situation durch die nationale Gesetzgebung [4, 5] oder internationale Verträge [6, 7] eingebracht. Im Sinne der TLA greift der Gesetzgeber auch in das Design der Produkte ein, indem er definiert, wie und zu welchem Ausmaß sie am Ende ihres Gebrauchs zu verwerten sind [8]. Tabelle 5.1.2 gibt ein Beispiel aus der Altfahrzeugverwertung [4], in der die Rezyklierquoten für die Fabrikationsjahre 2006 und 2015 vorgeschrieben werden: Staber et al. [4] kommen zum Schluss, dass die nach dem Gebrauch geforderten Verwertungsquoten für die gesamte Palette der Werkstoffe der 2006 hergestellten Fahrzeuge nicht erreichbar sein werden, die Erfüllung der Quoten für 2015 vergleichsweise schwieriger wird und unter Berücksichtigung des aktuellen Stands der Technik als nicht realisierbar eingestuft werden muss. Wenn eine durchschnittliche Fahrzeugverwendungsdauer von 15 Jahren angenommen wird, so kann der Nachweis erst in den Jahren nach 2021 bzw. nach 2030 erbracht werden [9]. Die nachfolgenden Erläuterungen sind auf das Rezyklieren metallischer Werkstoffe beschränkt, insbesondere der Leichtmetalle, deren primäre Herstellung mit relativ hohem Aufwand verbunden ist, weshalb der Werkstoffkreislauf sowohl ökologisch als auch ökonomisch attraktiv ist.

281

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5 Rezyklierbarkeit

Abb. 5.1.1 Kreislauf metallischer Werkstoffe (mit Beispielen der Aluminiumverarbeitung): primäre Gewinnung des Basismetalls aus den natürlichen Ressourcen bis zur Wieder- und Weiterverwertung im Werkstoff- und Sekundärkreislauf (Pfeilstriche) mit teilweiser Abfallentsorgung.

Tab. 5.1.2 Vorgeschriebene Verwertungsquoten aller Werkstoffe der Altfahrzeuge [4]. Fertigungszeitpunkt

Verwertungsquote [Gew. %]

Beseitigung a

[Jahr]

stofflich

[Gew. %]

2006

mind. 80

5

max. 15

2015

mind. 85

10

max. 5

a

thermisch

Deponie und Verbrennung ohne Energienutzung

5.1 Rezyklieren metallischer Werkstoffe

5.1.3 Primärmetalle und Sekundärlegierungen

Die Gewinnung von Primärmetallen beginnt bei den in der Natur vorkommenden Rohstoffquellen, im Allgemeinen komplexe Gemenge chemischer Verbindungen, aus denen chemisch reine Rohstoffe aufbereitet werden, aus denen wiederum das gewünschte metallische Element in einem wirtschaftlichen Prozess in ausreichender Reinheit extrahiert werden kann. In diesen primären Prozessschritten stecken die bedeutendsten Input- und Output-Umweltbeeinträchtigungen (Tabelle 5.1.1) des Materialkreislaufs in Form von ökologischen Einflüssen aus dem Bergbau, dem Energieverbrauch und den Emissionen. Im Materialkreislauf in Abb. 5.1.1 werden auch einzelne Beispiele für den Lebenszyklus von Aluminium und seine Legierungen dargestellt [11]. In der Hüttengießerei wird die Legierung in ihrer chemischen Zusammensetzung mittels Aufschmelzen des Basismetalls, Legieren (Zugabe weiterer eigenschaftsverändernder Elemente zum Basismetall) und Abgießen (bzw. Pulversprühen für die Pulvermetallurgie, siehe Abschnitt 3.3) hergestellt und als Blockguss, Walzbarren, Strangpressbolzen oder Gussmasseln der formgebenden Weiterverarbeitung zugeführt. Bei der Legierungsherstellung mündet die primäre Metallgewinnung in den eigentlichen Werkstoffkreislauf, da in diesen Fertigungsschritt auch Vorstoffe aus Abfällen rückgeführt werden können (Abb. 5.1.1). Es wird zwischen dem werterhaltenden Wieder- und Weiterverwerten im Werkstoffkreislauf und den Sekundärlegierungen unterschieden, deren Weiterverwendung auf bestimmte Produkte beschränkt ist. Die wesentlichen Unterschiede im Aufwand für die Legierungsherstellung aus Primärmetall im Vergleich zum Rezyklieren werden im Folgenden beispielhaft dargestellt. Die Al-Gewinnung [11] beginnt mit dem Bauxitabbau und der chemischen Aufbereitung zum reinen Aluminiumoxid mit einer Ausbeute von 50 Gew.%, wobei ca. 25% der Bauxitmenge als Prozessabfall des eisenhaltigen Rotschlamms deponiert werden müssen. Die Reduktion des Al2 O3 zu technisch reinem Al (99,5– 99,8%) mit etwa 25% Ausbeute der eingebrachten Bauxitmenge ist besonders energieintensiv. Die Abb. 5.1.2a zeigt, dass mehr als 80% des Energieverbrauchs bei der primären Al-Gewinnung auf die elektrolytische Reduktion fallen. Bergbau und Transport der Rohstoffe verbrauchen nur 5% der Energie. Der Energieaufwand für die primäre Al-Herstellung beträgt mehr als 210 GJ/t Rein-Al. Die erzielte Reinheit genügt als Basis für die Herstellung von Konstruktionswerkstoffen aus Primär-Aluminium [12]. Sortenreine Altstoffe ohne wesentliche Verunreinigungen werden vorteilhaft umgeschmolzen und in der gleichen Legierung wiederverwertet [11, 13]. Für das Sortieren, Aufschmelzen und die Schmelzereinigung sind etwa 10 GJ/t Legierung aufzuwenden, also weniger als 5% der Energie für die Primärgewinnung von Al (Abb. 5.1.2b). Ohne Abwertung gegenüber Primärlegierungen können sortenreine Reststoffe aus dem Produktionsprozess durch In-house-Rezyklieren (Bolzenreste, Angüsse, Ausschussteile etc.), aber auch sortenreine Altstoffe von Produkten, die nur aus bekannten Legierungen hergestellt werden (Al-Felgen, Strukturprofile), durch Umschmelzen für die entsprechende Legierung wiederver-

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5 Rezyklierbarkeit

Abb. 5.1.2 Vergleich des Energiebedarfs für (a) primäre und (b) sekundäre Al-Legierungen [10].

wertet werden. Beim Aufschmelzen von Al-Werkstoffen geht etwa 1 Gew.% durch Abbrand (Oxidation) verloren. Erst nach etwa 70 Kreisläufen wird nur mehr die Hälfte der Ausgangsmaterialmenge verfügbar sein. Die ursprüngliche Einwaage von 1 t Al für diese 70 Werkstoffkreisläufe erfordert für die Wiederverwertung insgesamt etwa 500 GJ. Für den Einsatz von Primär-Aluminium in diesen 70 Kreisläufen wären 50 t erforderlich, für die mehr als die 20-fache Energie des Kreislaufmaterials aufgewendet werden müsste. Die natürlichen Ressourcen für Primärmagnesium [14] sind Carbonate (Dolomit, Magnesit) mit 20–25 Gew.% Ausbeute oder das Chlorid im Meerwasser (400 t Meerwasser/t Mg). Der Energiebedarf für Mg-Extraktion beträgt für beide Verfahren ca. 130 GJ/t Mg. Der in China verbreitete Pidgeon-Prozess [14] ist sowohl von höheren Input- (> 20 t Rohstoffe/t Mg) als auch Output-Umweltbeeinträchtigungen begleitet. Die Rezyklierung von sortenreinen Abfallstoffen erfordert zum Umschmelzen der Mg-Legierung noch einen Raffinierungsprozess, da die Korrosionsbeständigkeit stark von metallischen Verunreinigungen abhängt. Der Energieaufwand für die Herstellung von Sekundärmagnesium ist etwa gleich hoch wie für Kreislauf-Al und beträgt somit etwa 8% des für Primärmagnesium erforderlichen [15]. Der Abbrand beim Aufschmelzen von Mg ist höher als bei Al, sodass schon nach weniger als 15 Kreisläufen nur mehr die Hälfte des Ausgangsmaterials verfügbar ist. Bezüglich Fe, Ni und Cu hochreine Mg-Legierungen können nur pri-


mär wirtschaftlich hergestellt werden. Bezüglich der hochreinen Legierungssorten bedeutet daher Sekundärmagnesium immer eine Abwertung (down cycling). Titan wird aus den Mineralien Ilmenit und Rutil gewonnen, wobei größtenteils Ti-Oxid als Farbpigment erzeugt wird [16]. Nur etwa 4 Gew.% des Rohstoffs werden als Titanschwamm der Legierungsherstellung zugeführt. Die Weltproduktion an Titanschwamm betrug 2007 etwa 150 000 t. Über Vakuum-ElektrodenUmschmelzung wird das Metall verflüssigt (> 1700 °C) und gereinigt [17]. Etwa 25% kommen als Reintitan unterschiedlicher Reinheitsgrade auf den Markt, während über 50% zu TiAl6V4 legiert werden (etwa 20% werden als Legierungselement eingesetzt). Der Energieaufwand für die Primärherstellung 1 t Ti beträgt mehr als das 1,5-Fache von Al (das 20-Fache von Stahl). Produktionsreststoffe und Abfälle der gebräuchlichsten Legierungen werden dem Vakuum-Umschmelzprozess rückgeführt und wiederverwertet. Titan kann im Gegensatz zu Al und Mg kleine Elemente wie B, C, O, N interstitiell lösen [16]. Daraus folgt, dass die Elastizitätsgrenze für Rein-Ti umso niedriger ist, desto höher der Reinheitsgrad. Beim einfachen Umschmelzen von Reintitanabfällen kann auch Sekundärtitan mit höheren Verunreinigungsgraden gewonnen werden. Wegen des hohen Metallwerts kann angenommen werden, dass die Rezyklierquote an die 70% beträgt (Ti, das als Legierungselement anderer Metalle eingesetzt wird, ist nicht rezyklierbar). Zur Gewinnung von 1 t Primär-Roheisen werden im Hochofen ca. 1,6 t Eisenerz, ca. 0,5 t Koks und Kohle eingesetzt, was etwa 15 GJ/t Energie erfordert [18], das sind ca. 7% des Energieaufwands für 1 t Primär-Aluminium. Bei der Stahlerzeugung kann auch Alteisenschrott rezykliert werden. Verunreinigungen durch Al-Legierungen stören nicht, da Al zur Desoxidation des Roheisens eingesetzt werden kann. Hochlegierte Stähle werden im Allgemeinen durch Elektrobogen-Umschmelzung vollkommen aus Stahl-Schrotten mit etwa 5 GJ/t hergestellt [19], was etwa einem Drittel des Umschmelzaufwands für Al entspricht. Der Energieeinsatz für die Wiederverwertung von Stahl [20] ist mit etwa 30% der Energie für die Primärgewinnung wesentlich weniger lukrativ als die Sekundärmetallurgie von Leichtmetallen. Trotzdem ist die ökologische und wirtschaftliche Bedeutung wegen der jährlichen Produktionsmenge von 1300 t im Jahr 2007 (das ca. 40-Fache der AlProduktion) enorm groß. Die wirtschaftlichen Vorteile der Sekundär- gegenüber der Primärroute sind die wesentliche Triebfeder des Rezyklierens. 5.1.4 Verwertung von metallischen Rest- und Altstoffen

Der Verein Deutscher Ingenieure e. V. (VDI) versteht unter Rezyklieren (Recycling) die erneute Nutzung, Verwendung oder Verwertung von Produkten oder Teilen von Produkten in Form von Kreisläufen [8, 21]. Die Abb. 5.1.3 zeigt die einzelnen Rezyklierwege für Produkte und Materialien sowie die energetische Umsetzung von Stoffen in Wärme. Letztere kann nur insofern als Rezyklieren verstanden werden als ein Teil der Energie, die für die Produktherstellung aufgewendet werden musste, wieder gewonnen werden kann, was der hauptsächliche Rezyklierweg für Kunststoffe ist (siehe Abschnitt 5.2).

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5 Rezyklierbarkeit

Abb. 5.1.3 Rezyklierwege nach [3, 8, 11]: Produkt- bzw. Materialwieder- und Materialweiterverwertung alternativ zur energetischen Verwertung.

5.1.4.1 Produkte rezyklieren Produkte für den ursprünglichen Zweck wiederzuverwerten, nutzt die vollständige Produktionskette für eine weitere Nutzungsperiode [21]. Zum Beispiel werden Passagierflugzeuge von Liniengesellschaften an Chartergesellschaften weiterverkauft. Ein Beispiel der Weiterwendung ist die Umrüstung auf Frachtflugzeuge. Dafür muss die grundsätzliche Verwendbarkeit überprüft werden. Oftmals ist ein Service- oder Reparaturaufwand (refurbishing) erforderlich. Die Weiterverwendung eines Flugzeugs als stationäres Restaurant erfordert nur die Strukturstabilität und keine Flugtauglichkeit. Die Altautoverwertung durch Demontage funktionstüchtiger Teile und deren Wiederverwendung war in Europa in der Mitte des 20. Jahrhunderts technisch gut möglich und wirtschaftlich. Die Wirtschaftlichkeit von Wieder- und Weiterverwendbarkeit von Produkten hängt vom Aufwand für die Wiederinbetriebnahme im Verhältnis zum Nutzwert ab. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Werkstoffe, aus denen die Produkte bestehen, im Wesentlichen unbeschädigt sind. Kritisch könnte die Ermüdungsbeständigkeit der Werkstoffe sein, da die verbrauchte Materiallebensdauer bzw. die Restlebensdauer nicht erkennbar ist (siehe Abschnitte 1.3 und 2.1). 5.1.4.2 Materialwieder- und -weiterverwertung Metallische Konstruktionswerkstoffe sind Legierungen, die im Allgemeinen aufgeschmolzen und wieder als solche vergossen oder als Pulver gesprüht im Werkstoffkreislauf (Abb. 5.1.1) beliebig oft verwendet werden können. Die Terminologie für die Material- und Werkstoffzustände im Werkstoffkreislauf wird sehr unterschiedlich verwendet. In Tabelle 5.1.3 werden die hier verwendeten Begriffe definiert. Für die Bewertung des Verhältnisses zwischen Kreislaufmaterial und Primärmetallgewinnung wird die Rezyklierrate definiert, die das Verhältnis von rezykliertem Metall zur Gesamtproduktion des Metalls in einem Produktionsjahr bildet. Die Abb. 5.1.4 stellt dies für die Verwendung von Al im Automobilmarkt dar. Bei steigendem Marktvolumen betrug die Rezyklierrate im Jahr 2000 nur 60%, da zu diesem Zeitpunkt wegen des inzwischen eingetretenen Marktwachstums wesentlich weniger Al-Altstoffe verfügbar waren als Al-Werkstoffe gebraucht wurden. Bei einer durchschnittlichen Verwendungsdauer eines PKW von 15 Jahren betrug je-

5.1 Rezyklieren metallischer Werkstoffe Tab. 5.1.3 Materialzustandsbezeichnungen im Werkstoffkreislauf der Metalle. Materialzustand

Materialherkunft

Beschreibung

Rohstoffe Primärmetall

Natur aus dem Rohstoff extrahiert

Erze, Meerwasser für Mg erstmalig hergestelltes Basismetall

Vormaterial

aufbereitet im vorhergehenden Prozessschritt

Einsatzstoff für einen Fertigungsschritt

Vorstoff

Metalle verschiedener Quellen

Reststoffe

Produktionsabfälle (Kreislaufschrott)

Einsatz für die Legierungsherstellung Werkstoffe vor dem Gebrauch

Altstoffe

Werkstoffabfälle nach Gebrauch

sortenreiner oder unsortierter Schrott

Sekundärlegierung

nicht sortenreine oder verunreinigte Rest- bzw. Altstoffe

Umschmelzlegierung

sortenreine Rest- bzw. Altstoffe

Weiterverwertung von Schrotten des gleichen Basismetalls (mit Abwertung) wie Primärlegierungen wieder verwertbar

Abb. 5.1.4 Wachstum des Al-Verbrauchs im Automobilbau und um die Einsatzdauer versetzte Verfügbarkeit von Al-Altstoffen für das Rezyklieren; Definition der Rezyklierquote im Unterschied zur Rezyklierrate.

doch die Al-Produktion in seinem Fabrikationsjahr nur etwa 10% mehr als rezyklierbare Al-Legierungen bei seiner Verschrottung verfügbar waren. Die Rezyklierquote stellt die rezyklierte Legierungsmenge zum Zeitpunkt der Verschrottung der produzierten Menge zum Zeitpunkt der Fabrikation gegenüber. Im Automobil-

287

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5 Rezyklierbarkeit

sektor betrug die Rezyklierquote ca. 90% im Jahr 2000. Sobald der Al-Verbrauch im Automobil eine Sättigung erreichen würde, könnte nach etwa 15 Jahren die Rezyklierrate so hoch wie die Rezyklierquote werden. Ein gewisser Metallverlust entsteht durch Korrosion während des Einsatzes und durch Oxidation beim Aufschmelzen: ca. 1 Gew.% bei Al-Legierungen [11], ca. 5 Gew.% bei Mg-Legierungen [22], nahezu 10 Gew.% bei Titan [16]. Die Schmelzen können legiert werden, um die gewünschte Legierungszusammensetzung wiederherzustellen. Prinzipiell kann aus jedem metallischen Bauteil, das nur aus einer Legierung besteht, die gleiche Legierung für die gleiche Verwendung wiederhergestellt werden. Für die Werkstoffwiederverwertung genügt es jedoch, wenn aus einer Altstoff- oder Reststofflegierung als Vorstoff wieder die gleiche Legierung mit den gleichen Spezifikationen für eine beliebige Weiterverarbeitung umgeschmolzen werden kann. Dies gilt vor allem für das legierungsspezifische Rezyklieren von Produktionsabfällen in einer Firma (In-house-Recycling), was für alle Legierungen anwendbar ist. In diesem sortenreinen Werkstoffzyklus ist physikalisch und chemisch keine Unterscheidung zwischen Primär- und Umschmelzmaterial möglich. Der Werkstoffkreislauf fließt in die Primärmetallproduktion ohne Abwertung der Legierung ein (Abb. 5.1.1). Liefervorschriften, die den Sekundärmaterialanteil beschränken [23], sind nur über die Materiallaufzertifikate, aber nicht über analytische Methoden zu verifizieren. Die Sinnhaftigkeit derartiger Vorschriften ist fragwürdig. Werkstoffweiterverwertung bedeutet, dass Produkt- und Produktionsabfälle aufbereitet werden, um sie in andere Legierungen oder eigentliche Sekundärlegierungen umzuschmelzen. Ersteres erfolgt in Umschmelzwerken, die Legierungen herstellen, die in ihren Spezifikationen von wiederverwerteten Legierungen nicht zu unterscheiden sind. Auch dieser Rezyklierweg mündet in den Werkstoffkreislauf gemäß Abb. 5.1.1. Bestimmte Legierungssorten können gemeinsam aufgeschmolzen werden und bedürfen nur der Korrektur der chemischen Zusammensetzung, um eine dieser Legierungssorten herzustellen. Beispielsweise können Bleche und Strangpressprofile der meisten Al-Mg-Si-Knetlegierungen zu einer AA6xxx-Legierung umgeschmolzen werden, ohne dass diese Legierung gegenüber primär erschmolzenen abgewertet wird [11]. Hochlegierte Stähle werden im Allgemeinen im Elektrolichtbogenofen aus Schrotten erschmolzen und auflegiert [19], sodass hier von einer Aufwertung der Vorstoffe gesprochen werden kann. Für Mg-Legierungen wird der Umschmelzzyklus mit zunehmendem Markt aus wirtschaftlichen Gründen immer attraktiver [15]. Bei Ti-Legierungen gibt es für technisch reines Ti und Ti6Al4V bereits einen Umschmelzmarkt [16]. Ist eine Trennung von Bauteilen nach Legierungen nicht möglich, so sind Teile meist nach dem Grundmetall der Legierung separierbar. Daraus sind Sekundärlegierungen herstellbar, deren breite Spezifikation geringe Anforderungen an die Sortenreinheit der Vorstoffe stellt. Die Qualität der im Sekundärkreislauf (siehe Pfeilstriche in Abb. 5.1.1) hergestellten Produkte hängt von der Sortenreinheit der Legierungstypen und den Verunreinigungen durch Verbunde ab sowie von der Teilegröße der Altstoffe. Eigene Sekundärhütten gibt es für Kupfer und Al-Legie-


rungen. Die Schrottaufbereitung besteht in der Sortierung von Bauteilen nach Basismetallen (Al-Teile, Cu-Legierungen, Elektronikschrott, Kunststoffe). Die Aufbereitung von gemischtem Schrott ist durch die Altautoverwertung weit entwickelt. Sie besteht in der Demontage von Bauteilen, die entweder wegen ihres Werts einer eigenen Weiterverwertung zugeführt werden (z. B. Kupferteile) oder wegen ihrer Beeinträchtigung der Vorstoffqualität entfernt werden (z. B. Gummi). Mischschrott wird gepresst und im Schredder zerkleinert. Von den Feststoffteilen werden über zentrifugale Sortierer Metallfraktionen von der kunststoffreichen Leichtfraktion getrennt. Mittels magnetischer Trennung und Wirbelstromseparatoren können die Eisenmetalle (ca. 60%) von den Leichtmetallen effizient (i. Allg. ab 5%) separiert werden, was bei modernen Anlagen eine Ausbringung bis zu 5 t Al/Tag erlaubt. Mit Röntgensortierern nach dem Prinzip der Röntgenstrahlabsorption können auch innerhalb der Leichtmetalle, Magnesium- und Aluminiumlegierungen separiert werden. Röntgensortieranlagen können auch mit Spektralanalysen gekoppelt werden, um Teilchen nach den Hauptlegierungselementen (z. B. Al + Si) zu trennen. Die eisenhaltige Fraktion wird der Eisenverarbeitung zugeführt, wo Verunreinigungen durch Leichtmetalle dienlich sind. Al-haltiger Elektronikschrott und gemischte Späne werden zu Desoxidationsstoffen weiterverarbeitet [11]. Sekundärlegierungen sind wegen des zulässigen Fe-Gehalts für Al-Druckgusslegierungen besonders geeignet. Die beiden Leichtmetalle Aluminium und Magnesium zeigen über weite Bereiche jedoch so ähnliche Eigenschaften, dass eine Trennung bis dato noch nicht industriell umgesetzt wurde. Der Ansatz der Dichtetrennung [24, 25] in wasserhaltigen Medien wird dadurch erschwert, dass insbesondere Magnesium oxidiert. Prinzipiell ist für jeden Werkstoffverbund individuell zu untersuchen, ob eine Trennung sinnvoll ist und welche Rezyklierroute am effizientesten ist. Organische Reststoffe können von den Leichtlegierungen umweltschonend pyrolytisch entfernt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass zum Erreichen der Verwertungsquoten für Altautos der Produktion seit 2006 insbesondere die Aufbereitung und Verwertung der Schredderleichtfraktion zu erhöhen ist [4]. 5.1.4.3 Thermische Verwertung Ist stoffliches Rezyklieren aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht möglich, kann Aluminium thermisch verwertet werden. Dies betrifft z. B. im Hausmüll enthaltene Aluminiumfraktionen wie Folien oder Verbundfolien. Die exotherme Oxidation setzt Energie frei. Das entstehende Aluminiumoxid bildet Teil der Asche [11]. Der Anteil von Magnesium im Hausmüll ist derzeit aufgrund des geringen Anfalls nicht bewertbar. Kleine Mengen an Mg-haltigen Reststoffen im Hausmüll können weitaus energiereicher als Aluminium thermisch verwertet werden. MgSpäne oder größere Mengen an Mg-Teilen eignen sich nicht für die Verbrennung.

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290

5 Rezyklierbarkeit

5.1.5 Aluminium und Magnesium spezifische Situation

Beispielhaft wird hier auf die wichtigsten Leichtmetalle detailliert eingegangen. Bezüglich Aluminium ist die Wieder- und Weiterverwertbarkeit weitgehend etabliert, wobei spezielle Sekundärlegierungen eingeführt wurden. Für Magnesium ist einerseits die Umlaufmenge um Größenordnungen kleiner, andererseits der Rezyklieraufwand wesentlich größer als bei Al-Legierungen, wobei die Entwicklung der Verfahren noch im Gange ist. 5.1.5.1 Aluminiumwerkstoffe Der weltweite Aluminium-Bedarf betrug 2007 ca. 30 Mio. t. Knapp 10 Mio. t wurden im gleichen Jahr rezykliert, was eine Rezyklierrate von 33% ergibt [10]. Die Jahresproduktion betrug 1990 ca. 18 Mio. t, was für eine mittlere Einsatzdauer von 17 Jahren einer Rezyklierquote von 55% entspricht. So rechnet man, dass Aluminium aus dem Bauwesen und der Luftfahrt nach 30 Jahren, aus der Automobilindustrie nach 15 Jahren und aus der Verpackung bereits nach wenigen Monaten wieder in den Kreislauf einfließt. Der Kreislauf metallischer Werkstoffe in Abb. 5.1.1 ist für Al-Werkstoffe in [11, 13] ausführlich beschrieben und in Abb. 5.1.5 schematisch dargestellt: Die Primär-Aluminiumherstellung mündet in der Hüttengießerei in den Werkstoffkreislauf, wo nicht nur legiert wird, sondern auch sortenreine Restund Altstoffe mit umgeschmolzen werden. Zum Unterschied dazu werden im Umschmelzwerk ausschließlich sortenreine Rest- und Altstoffe zu spezifizierten Legierungen umgeschmolzen und bei Bedarf auflegiert. Produkte der Hüttengießereien und Umschmelzwerke werden im Allgemeinen als „Primärlegierungen“ bezeichnet zum Unterschied zu den sekundären Gusslegierungen mit breiteren Spezifikationen in der chemischen Zusammensetzung.

Man unterscheidet grundsätzlich [10]: • Primär-Aluminium: unmittelbar durch Elektrolyse gewonnenes unlegiertes Aluminiummetall mit einem Reinheitsgrad von üblicherweise 99.7%. • Kreislaufschrott, der bei der Produktion oder Verarbeitung von Aluminiumlegierungen anfallende Schrott, der im Allgemeinen nach Legierungen sortiert anfällt. • Sortenreiner Altschrott aus bekannten Legierungen aus gebrauchten Produkten. • Sekundär-Aluminium, das überwiegend unter Verwendung sekundärer Vorstoffe (Schredderfraktionen, Leichtlegierungsgemengen, Krätze) weiterverwertet wird. Kreislaufschrott und sortenreiner Altschrott aus definierten Guss- und Knetlegierungen können sowohl in der Hüttengießerei als auch in Umschmelzwerken wiederverwertet werden. Aus Sicht der werkstofflichen Wiederverwendung ist das getrennte Sammeln der spezifischen Legierungen ideal. Während der Ur- bzw. der Massivumformung erfolgt üblicherweise eine sehr exakte legierungsspezifische


Abb. 5.1.5 Primär-Aluminiumherstellung und Legierungswiederverwertung – gemeinsam mit Primär-Aluminium oder getrennt über Umschmelzwerke; Legierungsweiterverwertung (inkl. Krätze und gemischter Fraktionen von Abfällen) über Sekundärhütten (rechte Seite).

Trennung der Produktionsabfälle. Relativ hoch ist der Anteil an Produktionsreststoffen bei Formgießereien in Form von Speisern und Überläufen. Selbst bei zahlreichen Endprodukten aus Al ist die Legierung spezifiziert, sodass diese auch als Altstoffe sortenrein umgeschmolzen werden können. Die Gesamtmenge an Aluminiumschrott stammt zu zwei Dritteln aus Knet- und zu einem Drittel aus Gusslegierungen. Hüttengießerei und Umschmelzwerk liefern hauptsächlich Strangpressbolzen und Walzbarren (Letztere in geringen Mengen aus Umschmelzwerken) aus Knetlegierungen. Diese haben relativ enge Höchstgrenzen für Fe und andere metallische Verunreinigungen [12]. Im Halbzeugwerk werden die Knetlegierungen aus beiden Quellen zu Blechen oder Strangpressprofilen weiterverarbeitet. Schopf und Fuß der Barren, Blechendstücke bzw. Bolzenreste können der Wiederverwertung über Aufschmelzen zugeführt werden. Jeder Aufschmelzprozess erfordert auch eine Schmelzereinigung durch Gasspülung und/oder Salzzugaben. Dadurch wird von jeder Schmelze „Krätze“ abgeschöpft, die relativ reich an Al ist und in der Sekundärhütte weiterverwertet wird. Jeder spanabhebende Bearbeitungsschritt erzeugt Reststoffe, die je nach Sortenreinheit der Wieder- oder Weiterverwertung zugeführt werden können. Bestimmte Legierungsgruppen können in Umschmelzwerken auch so weiterverwertet werden, dass mit Primärmaterial gleichwertige Umschmelzlegierungen erzeugt werden. Sortierte Legierungen, die aus Elementen bestehen, die für

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5 Rezyklierbarkeit Tab. 5.1.4 Mischbare Vorstoffe für die Legierungsweiterverwertung durch Umschmelzen (Legierungsbezeichnungen siehe Abschnitt 2.1 bzw. [12]). Alt- bzw. bestimmte ReststoffAA2xx:AlCu x Gusslegierungen als Vorstoffe

AA5xx:AlMg x

AA4xx:AlSi7, AlSi12 AA3xx:AlSi7Mg AA5xx:AlMg x

AA5xx:AlMg x AA7xx:AlZnxMg

Alt- bzw. ReststoffKnetlegierung als Vorstoffe

AA1xxx:Rein-Al AA2xxx:AlCu x

AA1xxx:Rein-Al AA5xxx:AlMg x

AA1xxx:Rein-Al AA6xxx:AlMgSi AA5xxx:AlMg x

AA1xxx:Rein-Al AA7xxx:AlZnMg AA5xxx:AlMg x

Ausgewählte UmschmelzGusslegierungssorten

AA2xx

AA5xx

AA3xx

AA7xx

Knetlegierungssorten

AA2xxx

AA5xxx

AA6xxx

AA7xxx a

a

nur für wenige Produktgruppen

ein Legierungssystem mischbar sind, können umgeschmolzen und nachlegiert werden, um deren chemische Zusammensetzung zu korrigieren. Beispielsweise sind Gusslegierungen des Al-Si-Systems (ACA3xx, ACA4xx) mit Knetlegierungen der Al-Mg-Si (AWA6xxx) und Al-Mg-Systeme (AWA5xxx) für die Herstellung von ACA3xx Gusslegierungen und AWA6xxx Knetlegierungen einsetzbar. Die Großserienautomobilherstellung beschränkt sich auf diese wiederverwertbaren Legierungen [26]. Beispielsweise sind demontierbare Bauteile von Fahrzeugen aus diesen Legierungen ohne Abwertung rezyklierfähig. Tabelle 5.1.4 gibt die Mischbarkeit von Rest- und Altstoffen als Vorstoffe für die Legierungsweiterverwertung an. Um unerwünschtes Aufkonzentrieren einzelner Elemente in der Schmelze zu verhindern, werden mitunter Primär-Aluminium oder geringer legierte Schrotte zugegeben [11]. Weniger als 10% der Energie für die Primärmetallgewinnung sind für das Rezyklieren von unsortierten Al-Altstoffen erforderlich, um Sekundärlegierungen mit ausreichender Reinheit für Druckgussteile zu erzeugen. Eine typische sekundäre Druckgusslegierung ist ACA226 (AlSi9Cu3) mit 8–11% Si, < 1,3% Fe, 2–4% Cu und weiteren zulässigen Legierungselementen [12]. Zwei Drittel der Al-Gusslegierungen stammen aus dem Sekundärkreislauf. Die Weiterverwertung von Bearbeitungsspänen ist vor allem innerhalb der Produktionsfirma (In-houseRecycling) attraktiv, wenn die täglich anfallende Menge > 3 t beträgt. Die Leichtmetallfraktion von geschredderten Produkten kann zu sekundären Gusslegierungen weiterverwertet werden, in denen erhöhte Fe-Gehalte (> 0,5 Gew.%) – z. B. für das Druckgießen – erwünscht sind. Die Produktionsmengen dieser Gusslegierungen sind nach wie vor größer als die Verfügbarkeit von Al-Altstoffen [11]. Der in


Abb. 5.1.1 mit Pfeilstrichen markierte Werkstoffkreislauf über die Sekundärhütte ist deshalb kein geschlossener Kreislauf. Sekundär-Aluminium mit Verunreinigungen, die über die Legierungsspezifikationen hinausgehen, können als Desoxidationmittel in der Stahlindustrie eingesetzt werden. Al mit ca. 95% Reinheit kann für die Al-Pulverherstellung für Beschichtungen oder für die chemische Industrie weiterverwertet werden. Obwohl der Bedarf an Granulaten und Pulvern aus Al mäßiger Reinheit groß ist und sich daher nur relativ geringe Preisunterschiede ergeben, stellen diese Sekundärprodukte eine technologische Wertminderung gegenüber der ursprünglichen Legierung des Altstoffs dar, was als „down cycling“ bezeichnet wird. Trotz des wesentlich niedrigeren Produktionsaufwands für Aluminiumlegierungen aus rezykliertem Material ist der Preis der Sekundärlegierungen wegen der großen Nachfrage nur geringfügig niedriger als der des Primärmaterials. Solange die AlNachfrage steigt und der Bedarf durch Primär-Aluminium ergänzt werden muss, ist auch der Preis des Sekundärmaterials an dessen Kurswert gekoppelt und hat nichts mit den Rezyklierkosten zu tun. Für relativ neue Al-basierte Werkstoffe, wie zellulare Aluminiumstrukturen [27] und Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe [28] wurden spezielle Modifikationen des Rezyklierverfahrens vorgeschlagen. Zum Beispiel ist teilchenverstärktes Al gut als Vorstoff für zellulare Strukturen geeignet [28]. Eine Reststoffverwertung ist wegen des hohen Preises dieser Materialien für die Wirtschaftlichkeit einer Serienproduktion entscheidend. 5.1.5.2 Magnesium Der Bedarf an Magnesiumanwendungen hat in den letzten Jahren vor allem für Druckgussteile für den Fahrzeugmarkt stark zugenommen [29]. Von ca. 500 000 Jahrestonnen Mg-Weltproduktion wird etwa ein Drittel als Legierungselemente für Al-Legierungen gebraucht und nur ein Drittel für Mg-Basislegierungen. Der europäische Beitrag zu Weltproduktion beschränkt sich auf weniger als 10%, während sich die Primärproduktion nach China verlagert, von wo 2007 bereits ca. 2/3 der Mg-Legierungen stammen. Der Anteil an Knetwerkstoffen beträgt bei Magnesium lediglich ca. 1–2% [14, 30] und ist daher bezüglich der Rezyklierbarkeit nicht relevant. Das Verhältnis von Primär- zu Sekundärmagnesium im Druckgussbereich lag in den letzten Jahren konstant bei 5 : 1, wobei der Großteil als Kreislaufschrott in der Produktion wiederverwertet wird [22]. Der Anteil des Kreislaufmaterials und anderer magnesiumhaltiger Reststoffe beträgt beim Druckgießen ca. 50% des eingesetzten Blockmaterials, wie Tabelle 5.1.5 veranschaulicht, wobei sich der Begriff „Dross“ auf salzfreie Krätze, also ein Gemenge aus Metall und Metalloxid bezieht. Von den Produktionsreststoffen sind noch ca. 85% als Vorstoffe weiterverwertbar. Daraus ergibt sich, dass nach etwa 15 Produktionszyklen nur mehr 50% des ursprünglich eingesetzten Mg als Vorstoff verfügbar sind. Da ein Anstieg des Magnesiumdruckgussbedarfs und der damit verbundenen Produktionsreststoffe prognostiziert wird, aber die Rezyklierverfahren noch in Entwicklung sind, sei hier etwas detaillierter auf die Mg-spezifsche Situation eingegangen. Die Abb. 5.1.6 zeigt akkumulierend die Mg-Produktionsreststoffe [29] für die

293

294

5 Rezyklierbarkeit Tab. 5.1.5 Magnesiumverluste beim Druckgießen [31]. Verfahrensschritt

Wirkungsgrad in [%]

Reststoff

Menge in [kg]

Metallischer Einsatz Schmelzen

– 95,0

– Dross, Schlacke

100 5,0

Gießen

94,0

Kreislauf

5,0

Putzen Bearbeiten

60,0 95,0

Kreislauf Späne

36 2,5

Strahlen

99,5

Staub, Schlamm

0,25

Beschichten

99,5

Ausschussteile

0,25

Einbaufertiger Teil

–

–

50

Abb. 5.1.6 Reststofffraktionen aus der Fertigung von Druckgussteilen; akkumulierende Darstellung nach [29].

derzeitige Produktion und veranschaulicht die wirtschaftliche Bedeutung des Rezyklierens für Angüsse und Ausschussteile, während die übrigen Produktionsreste etwa 10% des Gesamtschrottes ausmachen. Die Hauptlegierungselemente für Mg-Legierungen sind Al, Zn, Mn, Si. Chemische Verunreinigungen unterliegen sehr engen Grenzen und es wurden hochreine Legierungsqualitäten, also High-Purity-Qualitäten (hp) eingeführt (z. B. AZ91D), in denen die Gehalte an Eisen, Kupfer und Nickel auf ppm limitiert sind [14], um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Deshalb und wegen der hohen Oxidationsrate unterliegt die Wieder- und Weiterverwertung besonderen Verfahrens-

5.1 Rezyklieren metallischer Werkstoffe Tab. 5.1.6 Klassifizierung der Mg-Schrotte und Mg-Produktionsreststoffe [15, 30]. Klasse

Altstoffbeschreibung

Rezyklierfähigkeit

Kommentar

1A 1B

sortenrein, sauber, massiv mit relativ großer Oberfläche (Grate)

wieder- und weiterverwertbar

in-house praktiziert

2

sortenrein, sauber, massiv, mit Stahleinsätzen lackiert, massiv mit Fe und/oder Al

Raffinierung erforderlich

nicht wirtschaftlich wegen relativ geringer Mengen

3 4 5A 5B

kontaminiert, massiv, mit Al und/oder Cu saubere Späne kontaminierte Späne (Öl)

ökologisch sinnvoll weiterverwertbar aufwändige Entfettung, Trocknung

6A

salzfreier Tiegelschlamm, Dross

verwertbar bei > 20% Mg-Anteil

6B

salzhältige Krätze

Reststoffdeponie

Ausbringung 20–80% je nach Kontaminationsgrad und Rezyklierprozess weiterverwertbar für zellulares Mg [32] nicht wirtschaftlich Gefahrengut

schritten. Tabelle 5.1.6 verdeutlicht die Komplexität der Klassifizierung der Produktionsreststoffe und sortierter Mg-Altstoffe gemäß dem europäischen Mg-Hersteller MEL [30] und nach Ditze [15]. Mg-Bauteile enthalten oft Stahleinsätze für Verschraubungen (Klasse 2) bzw. sind zum Korrosionsschutz lackiert (Klasse 3) oder beschichtet (Klasse 4). Trockene Späne (Klasse 5A) fallen bei der Trockenbearbeitung unter Schutzgas an und das Wiedereinschmelzen vermeidet die Behandlung der Späne als Gefahrengut wegen der Explosionsneigung [14]. Kohlenstoffhaltige Verunreinigungen (Klasse 5B) können als Treibmittel zur Herstellung von zellularem Mg eingesetzt werden [31]. Altstoffe der Klassen 2–4 sowie 6 werden aus wirtschaftlichen Gründen vielfach deponiert oder in den Schmelzen der sekundären Al-Druckgusslegierungen weiterverwertet. Eine durchschnittliche Zusammensetzung von Mg-Schrott könnte sich bei 4– 13% Al, 0,1–0,3% Zn, < 0,4% Cu und < 1,5% Si bewegen, was der Zusammensetzung einer üblichen Gusslegierung entspricht. Knetlegierungen enthalten bis 10% Al, bis 2% Mn, bis 1,5% Zn, Si < 0,1%. Cu und Ni, die auch durch Oberflächenschutzbehandlung des Mg (Plattieren von Computerkomponenten) eingebracht werden [30], sind wie Fe wegen der Korrosionsanfälligkeit unerwünscht. Sonderlegierungen enthalten auch wertvolle Legierungselemente wie Seltene Erden, die extrahiert werden können. Die Bestrebungen eine sekundäre Mg-Legierung zu etablieren, wurden bisher nicht industriell umgesetzt. Die Abb. 5.1.7 [15] zeigt die Komplexität der Mg-Wieder- und Weiterverwertung. Neben sekundären Mg-Produkten können auch Vorstoffe für die Li-Elektrolyse und Seltene Erden ge-

295

296

5 Rezyklierbarkeit

Abb. 5.1.7 Mögliche Wieder- und Weiterverwertung von Abfällen der Mg-Verarbeitung [15].

wonnen werden. Etwa 1–2% der Reststoffe verbleiben für die Deponie [15]. Den Rezyklierbestrebungen wirkt entgegen, dass der Bedarf von Mg für Aluminiumwerkstoffe, Gusseisen und Stahl größer ist als der Bedarf an Mg-Legierungen, daher ist die Weiterverwertung von Magnesiumschrotten in der Aluminium-, Eisenund Stahlindustrie derzeit aus ökonomischer und ökologischer Sicht am sinnvollsten, obwohl es sich dabei um eine Abwertung (down cycling) einer Mg-Legierung handelt. 5.1.6 Kreislaufwirtschaft

Alle metallischen Werkstoffe beginnen ihren Lebenszyklus mit der primären Herstellung des Basismetalls aus den natürlichen Ressourcen. Bei der Roheisengewinnung beginnt der Werkstoffkreislauf schon beim Hochofen, dem Schrott beige-


mengt wird [18]. Sowohl bei der Stahlherstellung als auch beim Legieren von Aluminium können die Vorstoffe aus der Wieder- und Weiterverwertung von Werkstoffen kommen, womit der Werkstoffkreislauf beginnt. Für die Mg-Legierungen ist nur der Produktionskreislauf in Gießereien etabliert. Der Verlust an rezyklierbarem Metall besteht nur durch Oxidation beim Aufschmelzen und durch Korrosion und Verschleiß im Gebrauch. Die Rezyklierquote kann für Metalle mehr als 90% erreichen. Weitere Steigerung ist wegen logistischer Probleme der Altstoffsammlung schwierig. Die Leichtmetalle weisen den Nachteil auf, dass ihre Primärgewinnung sehr energieintensiv ist, was sie aber auch für das Rezyklieren wertvoll macht. Das Wiederaufschmelzen von Al- und Mg-Schrotten erfordert nur 5–10% der Energie für die Primärmetallgewinnung. Unter Berücksichtigung der Schlackeverluste verbleiben 50% des Primärmetalls nach etwa 70 Al-Werkstoffkreisläufen, jedoch schon nach etwa 15 Mg-Kreisläufen. Die Gewinnung von Primär-Aluminium erfolgt im Allgemeinen dort, wo elektrische Energie kostengünstig verfügbar ist, was vor allem für erneuerbare Wasserkraft zutrifft (Kanada, Norwegen, Venezuela u. a.). Die Verwendung in Transportmitteln erfolgt überwiegend in Bereichen mit hohen Energiekosten. Die Einsparung an fossilen Brennstoffen durch Leichtbau von Kraftfahrzeugen durch vermehrten Al-Einsatz (100 kg Gewichtseinsparung bei einem PKW bringt 0,5 l Treibstoffeinsparung, das entsprach 2008 in der EU 0,7 €/100 Fahr-km) ermöglicht die Nutzung eines akkumulatorähnlichen Effekts. Die Abb. 5.1.8 stellt ein Beispiel dar, wo billige Stromkosten in Venezuela

Abb. 5.1.8 Primär-Al als Energiespeicher: Kosten für die Gewinnung 1 t Al mit billiger Energie (z. B. Wasserkraft des Orinoco), Leichtbau-Nutzung im PKW (ca. 30% Gewichtseinsparung) mit einer Betriebsperiode von 150 000 km zur Einsparung teurer Energie (z. B. 0,5 l fossiler Treibstoff pro 100 kg über 100 km in Europa, Wert 2008).

297

298

5 Rezyklierbarkeit

zur Gewinnung von Primär-Aluminium eingesetzt werden, das für Kraftfahrzeuge in Europa verwendet wird, wo die Energiekosten das Dreifache betragen. In diesem Beispiel entspricht dies auch dem Verhältnis der Treibstoffpreise in beiden Regionen. Mit 1 t Aluminiumeinsatz in einem KFZ kann durch die 30%-ige Gewichtseinsparung (ca. 300 kg/PKW) in Europa eine Energieeinsparung im Wert von mehr als 3000 € pro mittlerer Lebensdauer von 150 000 km eines KFZ erreicht werden. Die Energiekosten für die Primärgewinnung von 1 t Al betragen in Venezuela aber nur etwa 1000 €/t. Dort bringt die Gewichts- und Energieeinsparung für KFZ auch entsprechend wenig. Selbst der Primär-Aluminiumeinsatz lohnt sich sowohl finanziell als auch ökologisch, wenn die Gewinnung mit billiger Wasserkraft und der Einsatz die Einsparung teurer, fossiler Energie ermöglicht. Mit dem Einsatz von Kreislauf-Aluminium verbessert sich diese Bilanz noch wesentlich. Primärmetall muss dem Werkstoffkreislauf zugeführt werden, um die Aufschmelz-, Korrosions- und Verschleißverluste wettzumachen und vor allem um dem Marktwachstum gerecht zu werden. Die Diskrepanz zwischen Rezyklierrate und Rezyklierquote ist hauptsächlich auf den Verbrauchszuwachs zurückzuführen. Im Jahr 1991 wurde ein Szenario für eine nahezu geschlossene Kreislaufwirtschaft für Al-Gussprodukte erstellt, wie in Abb. 5.1.9 dargestellt. Nach mehr als 10 Jahren stabiler Marktsituation mit nur etwa 2% Wachstum wurde angenommen, dass die gesamte hergestellte Al-Menge für die Rezyklierung verfügbar ist. Der Abbrand und der Verbrauchsschwund sind durch weniger als 5% Primär-Aluminium abzudecken sowie etwa 2% Verbrauchswachstum. Dieses Szenario kann auf den europäischen Markt angewandt werden, aber das Verbrauchswachstum in den asiatischen Märkten lässt keine Sättigung am Weltmarkt abschätzen. Trotz dieser enormen Kosteneinsparung durch über 90% Rezyklierrate würde das Preisniveau aber nach wie vor durch die Primärkosten vorgegeben werden.

Abb. 5.1.9 Prognose aus 1991 einer nahezu vollständigen Sekundärwirtschaft für Al-Gussprodukte bei gesättigtem Markt über den Zeitraum der Einsatzdauer hinaus.


5.1.7 Schlussfolgerungen

Die Extraktion von Metallen aus den natürlichen Ressourcen ist energieaufwändig: ca. 15 GJ/t Baustahl, 210 GJ/t Al, 130 GJ/t Mg, 300 GJ/t Ti. Weniger als 10% dieser Energie ist für das Wiederaufschmelzen von Altstoffen der Legierungen dieser Basismetalle erforderlich. Die metallischen Elemente verändern sich nicht durch das Rezyklieren, sind daher ohne Abwertung theoretisch unendlich oft aufschmelzbar. Als Schwund ist die Schlackenbildung bei der Schmelzebehandlung zu bezeichnen, die bei Al < 1%, bei Mg ca. 5% beträgt. Während des Einsatzes der Produkte treten Materialverluste durch Korrosion und Verschleiß auf, die jedoch im Allgemeinen < 1 Gew.% ausmachen. Die Werkstoffzyklenzahl, bis das Einsatzmetall auf die Hälfte reduziert ist, beträgt bei Al 70, bei Mg aber nur 15 Zyklen. Metallische Werkstoffe sind im Allgemeinen Legierungen, deren Wiederverwertbarkeit von der Sortenreinheit der Alt- und Reststoffe abhängt. Die Zusammensetzung kann durch Nachlegieren korrigiert werden. Es ist weder ein physikalischer noch ein chemischer Unterschied zwischen Primärlegierung und Umschmelzlegierung. Das Rezyklieren ist nach logistischen Systemen hinsichtlich der Sortenreinheit der Produktionsreststoffe und der Altstoffe zu differenzieren. Die Wiederverwertung der Legierungen aus Abfällen setzt nur deren Identifizierbarkeit und eine gewisse Sauberkeit voraus. Eventuelle Beschichtungen und Verbunde stellen Verunreinigungen dar, die entfernbar sind. Eine rentable Wiederverwertung setzt eine ausreichend verfügbare Altstoffmenge voraus, was bei Mg-Knetlegierungen, zellularen Metallen und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen nicht der Fall ist. Bestimmte Produkte werden nur aus einer definierten Legierung gefertigt (z. B. Fensterprofile aus AA6060) und können deshalb auch als Altstoffe einfach sortiert werden. Wiederverwertete Knetlegierungen werden vor allem zu Strangpressprodukten verarbeitet. Ein relativ hoher Anteil an Kreislaufschrott wird in Al- und Mg-Formgießereien weiterverwertet. Al-Legierungen aus sortiertem Kreislaufmaterial und aus identifizierten Altstoffen können ohne Abwertung in den jeweiligen Legierungsgruppen (siehe Tabelle 5.1.4) weiterverwertet werden. Ti6Al4V und Rein-Ti verschiedener Gradation werden wiederverwertet durch Umschmelzen. Sowohl bei speziellen Ti- als auch bei Mg-Legierungen müssen erst überkritische Altstoffmengen verfügbar sein, damit die relativ aufwändigen Raffinationsprozesse rentabel werden. Die Weiterverwertung von Stählen ist sowohl in der Roheisenproduktion als auch in der Edelstahlschmelzung etabliert und es wird nicht zwischen Primär- und Umschmelzlegierungen unterschieden. Für die Wiederverwertung und das Umschmelzen von Altstoffen ist die legierungsspezifische Rückführung erforderlich. „Design for Recycling“ gewinnt damit an Bedeutung, indem entweder bestimmte Produkte nur aus definierten Legierungen gefertigt werden, die somit leicht in den Werkstoffkreislauf rückführbar sind, oder dass Produkte aus Bauteilen definierter Legierungstypen bestehen, die entweder einfach demontierbar oder aus dem Schredderschrott nach Legierungstypen sortiert weiterverwertet werden können. Zum Beispiel sind Alt-PKW,

299

300

5 Rezyklierbarkeit

die Cu-freie Knetlegierungsreihen AA6xxx und AA5xxx und Cu-freie Al-Si-(Mg)Gusslegierungen enthalten, soweit sortenkompatibel, dass diese Bauteile oder der nach Basismetallen sortierte Schrott sowohl als 6xxx-Knetlegierungen als auch als Al-Si-Mg Gusslegierungen rezykliert werden können. Eigene Sekundärlegierungen sind derzeit für Al-Gusslegierungen spezifiziert. Hierfür kann Schrott eingesetzt werden, der nur nach dem Basismetall aussortiert ist. Aber auch hierfür ist die Nachfrage größer als die verfügbare Altstoffmenge. Dies gilt sogar für die abgewerteten Al-Rezyklate für Beschichtungspulver und Granulate geringer Reinheit. So manche ökologisch überspitzte Forderung nach ausschließlichem Einsatz von Sekundärmaterial ist daher wegen der geringen Verfügbarkeit unrealistisch. Solange bei allen metallischen Werkstoffen ein Wachstum zu verzeichnen ist, solange ist ein geschlossener Werkstoffkreislauf mit geringer Ergänzung der Gebrauchs- und Umschmelzverluste durch Primärmetall global nicht absehbar. Wegen Verwendungszeiträumen von 10 bis 30 Jahren für Konstruktionswerkstoffe ist eine Stagnation des Verbrauchs über diese Zeiträume hinweg erforderlich, um nahezu geschlossene Werkstoffkreisläufe zu erreichen.

Literaturnachweis 1 Meadows, D.H et al. (1972) The Limits to Growth: A Report for the Club of Rome’s Project on the Predicament of Mankind, Universe Books, New York. 2 Guinée, J. (ed.) (2002) Operational Guide to the ISO Standards. In: Handbook of Life Cycle Assessment, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. 3 ISO 14040 (2006) Environmental management: Life cycle assessment – Principles and framework. Internat. Org. for Standardisation (ISO), Geneve. 4 Hummel, R., Staber, W. (2003) Altfahrzeugverwertung und -entsorgung in Österreich (Ö.Altfahrzeugeverordnung BGBl. 407/Nov. 2002). Recyclingquoten im Hinblick auf die Jahre 2005 und 2015. Diplomarbeit, Institut für nachhaltige Abfallwirtschaft und Entsorgungstechnik, Montanuniversität Leoben. 5 Deutsche Verordnung über die Überlassung, Rücknahme und umweltverträgliche Entsorgung von Altfahrzeugen, 01.07.2002; Altfahrzeug-Gesetz über die Entsorgung von Altfahrzeugen, 21.06.2002. Bgbl.2002/I/41, Dt.MbUNR. 6 Oberthür, S., Ott, H.E. (1999) The Kyoto Protocol: International Climate Policy for the 21st Century, Springer-Verlag, Berlin.

7 ELV-Directive: Richtlinie 2000/53/EG d. Eur. Parlaments u. d. Rates v. 18.09.2000 über Altfahrzeuge. 8 VDI-Richtlinie 2243; Konstruieren recyclinggerechter technischer Produkte. Beuth Verlag, Berlin, 1993. 9 EAA Comments on the thematic strategy: prevention and recycling of waste com (2003), p. 301, G. Barrasso; www.eaa.net. 10 www.aluminium-recycling.com. 11 Krone, K. (2000) Aluminium-recycling, VDS, Düsseldorf. 12 Kammer, C. et al. (ed.) (1998) Aluminium Taschenbuch, 15. Aufl., Aluminium Verlag, Düsseldorf. 13 Schlesinger, M.E. (2006) Aluminum recycling, CRC Press, Boca Raton. 14 Kammer, C. (2000) Magnesium Taschenbuch, 1. Aufl., AluminiumVerlag, Düsseldorf. 15 Ditze, A., Scharf, C. (2003) Recycling of Magnesium, in Magnesium Alloys and Technologies (ed. K.U. Kainer), Wiley-VCH Verlag, Weinheim, S. 254. 16 Seagle, S.R. (2006) Fundamentals of Titanium, Int. Titanium Ass., San Diego. 17 Lütjering, G., Williams, J.C. (2003) Titanium, Springer-Verlag, Heidelberg.

5.2 Rezyklieren von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen 18 Oeters, F. (1989) Metallurgie der Stahlherstellung, Verlag Stahleisen, Düsseldorf. 19 Heinen, K.H. (Hrsg.) (1997) Elektrostahlerzeugung, 4. Aufl., Verlag Stahleisen, Düsseldorf. 20 Stolte, G. (2002) Secondary Metallurgy, Verlag Stahleisen, Düsseldorf. 21 The Recycling of Metals. Proc. 4th ASM Int. Conf., Vienna, 1999. 22 Ditze, A., Scharf, C. (2005) Study of Mass Flow Balances for the Recycling of Magnesium Scrap Alloys and Waste. Erzmetall, Heft 1, S. 3–8. 23 AECMA (Eur. Ass. of Aerospace Ind.), Spec 2000M, www.aecma.org. 24 Hanko, G., Macher, G. (2003) Technologies for efficient Mg-scrap recycling. Proc. Magnesium Technology, TMS 2003, pp. 29–32. 25 Schöftner, R., Klammer, G., Riss, B., Haring, J. (2006) Patent EP 1 695 765 A1, Trennverfahren und Vorrichtung hierfür. 26 Rink, C. (1994) Aluminium, Automobil und Recycling, Al-Zentrale, Düsseldorf.

27 Degischer, H.P. (2002) Recycling cellular metals, in Handbook of Cellular Metals, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, S. 28–33. 28 Gergely, V., Degischer, H.P., Clyne, T.W. (2000) Recycling of MMC and Production of metallic Foams, in Compr. Comp. Materials (ed. T.W. Clyne) Vol. 3, Elsevier, London, pp. 797–820. 29 Ditze, A., Scharf, C. (2006) Magnesium recycling — the amount of scrap is rising: What is to be done with it? Proc. 14th Magnesium Automotive and User Seminar, Aalen, September 2006. 30 Agnew, S.R. (2004) JOM, May 2004, pp. 20–21. 31 Wardlow, G.D., Thistlethwaite, S., King, J.F. (1999) Recycling must be carefully controlled. Foundry Tade Journal, 2/99. 32 Renger, K., Kretz, R. (2004) Vom MgSchrott zum Mg-Schaum. Tagungsband 3, Ranshofener Leichtmetalltage. LKRVerlag, Ranshofen, S. 298–308.

5.2 Rezyklieren von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen Vasiliki-Maria Archodoulaki Kurzfassung

Laut aktuellsten Zahlen werden weltweit rund 245 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert, davon entfallen ca. 8% auf den Automobilsektor. Aufgrund verschärfter gesetzlicher Rahmenbedingungen werden Kunststoffproduzenten und -verarbeiter verstärkt angehalten, entsprechende Recyclingkonzepte in ihrem Betrieb bzw. ihren Produkten umzusetzen. Die werkstofflichen, rohstofflichen und energetischen Rezykliermöglichkeiten für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe werden aufgezeigt. Die thermische Verwertung der Kunststoffabfälle überwiegt, aber einige ausbaufähigen Möglichkeiten der Weiterverwertung werden beschrieben. Insbesondere im Bereich der Faserverbundkunststoffe ist die Durchführbarkeit von mechanischem und chemischem Rezyklieren sowohl in Pilotanlagen als auch im industriellen Maßstab erwiesen, aber zum jetzigen Zeitpunkt sind derartige Unternehmungen aufgrund der limitierten Einsatzfähigkeit der Rezyklate noch unwirtschaftlich.

301

302

5 Rezyklierbarkeit

5.2.1 Stoffströme, gesetzliche Rahmenbedingungen

Die Kunststoffproduktion von 25 Mitgliedern der Europäischen Union inklusive Norwegen und der Schweiz (EU 25 + N/CH) von 60 Millionen Tonnen/Jahr (Angaben für das Jahr 2006 [1]) entspricht ca. 25% der weltweit produzierten 245 Millionen Tonnen. Die jährlichen Zuwachsraten liegen durchschnittlich bei 3,5% und der Verbrauch wird für EU 25 + N/CH für das Jahr 2006 mit 49,5 Millionen Tonnen beziffert. Mit 37% stellen Verpackungen den wichtigsten Anwendungsbereich für Kunststoffe dar, gefolgt vom Bauwesen mit 21%, dem Automobilsektor mit 8% sowie Elektro- und Elektroniksektor mit 6%. Rund 40% entfallen auf Kurzzeitanwendungen und 60% auf Anwendungen mit einer Lebensdauer von mehr als 10 Jahren. Von diesen 49,5 Millionen Tonnen Kunststoffen gelangen nun nach Gebrauch jährlich ca. 23 Millionen Tonnen in den Abfall, wo rund 50% rezykliert werden, der Rest wird deponiert. Dieses Volumen von 11,5 Millionen Tonnen an weiterverwertbaren Kunststoffen kann aufgeschlüsselt werden in 4,5 Millionen Tonnen Rezyklat und in 7 Millionen Tonnen, die einer energetischen Verwertung zugeführt werden [1]. Per 16.07.1999 wurde vom Rat der Umweltminister der Europäischen Union eine Deponierichtlinie [2] in Kraft gesetzt mit dem Ziel, die Umweltstandards der Mitgliedstaaten der EU zu verbessern. Ausgehend von dieser „Directive on Landfill of Waste“ [2] müssen die Mitgliedstaaten diese in nationales Recht umsetzen. Einer der Kernpunkte dieser Richtlinie ist, dass Abfälle in möglichst reaktionsarmer Form zu deponieren sind, um den biologisch abbaubaren Anteil an organisch gebundenem Kohlenstoff und somit die dabei entstehenden Treibhausgase zu reduzieren. In einigen Mitgliedstaaten wird dies durch einen Grenzwert für den TOC (Total Organic Carbon) von 5 Massenprozent ausgedrückt. Somit ist die Deponierung von Kunststoffabfällen in den meisten EU-Mitgliedstaaten stark eingeschränkt. Im Automobilbereich wurde die End-of-Life Vehicles Directive [3] eingeführt, hier sollen mit 01.01.2015 mindestens 95 Masse% eines Autos wiederverwendet oder wiederverwertet werden, wobei 85% davon rezykliert werden sollen. Das bedeutet, dass nur 5% der Gesamtmasse eines Autos deponiert werden können (siehe auch Abschnitt 5.1.1). Die allgemeine Situation im Automobilsektor unter den EU-25 zeigt, dass derzeit bereits ca. 75% der Fahrzeugmasse rezykliert werden (hauptsächlich der Metallanteil) während die Leichtfraktion aus der Abfallaufbereitung im sogenannten Schredder, ein Gemisch aus Polymerwerkstoffen, Textilien, Holz etc. von 25 Masse% noch nicht vollständig der Richtlinie entsprechend weiterverwertet wird [4]. Weitere EU-Direktiven, die direkt/indirekt die Kunststoffe betreffen, sind die WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment) [5] sowie die RoHS-Richtlinie (Restriction of certain Hazardous Substances) [6].

5.2 Rezyklieren von unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen

5.2.2 Verwertung von Kunststoffabfällen

Die Verwertung von Kunststoffabfällen wird bei [7] entsprechend dem Schema in Abb. 5.2.1 definiert, wobei in der Europäischen Union unterschiedliche Szenarien bei der Beseitigung von Kunststoffabfällen verfolgt werden. Das werkstoffliche Rezyklieren und die thermische Verwertung sind neben der Deponierung die gängigen Behandlungsmethoden in der EU, wobei man nach 3 Gruppen differenzieren kann [8]: 1. Länder mit energetischer Verwertung >25% (zu diesen gehören Länder wie Dänemark, Schweden). 2. Länder mit werkstofflicher Verwertung >25% (zu diesen gehören Länder wie Österreich und Deutschland). 3. Länder mit energetischer Verwertung und werkstofflicher Verwertung 200 km/h

Fahreigenschaften

straffe Federdämpfung, Wankwinkel < 2◦ ,

steife Sicherheitszelle max. Querbeschleunigung > 1,0 g

Abmessungen

Länge/Radstand: < 4 m/2,6 m

Breite/Höhe: < 1,8 m/ < 1,2 m

Abb. 6.1.1 Randbedingungen für das Fahrzeugkonzept.

6.1.2 Vision

Ein innovatives Fahrzeugkonzept [3, 4] soll mittels virtueller Entwicklung erstellt werden, wobei Design, Dynamik und ein ökologischer Antrieb miteinander verbunden werden (Abb. 6.1.1). CNG bietet die ideale Plattform für ein zukunftsorientiertes sportliches Fahrvergnügen. Die emotionale Devise dafür lautet: „Sport – Spaß – Gas“. Ein flexibles Conceptsharing-System soll in einer flexiblen Serienproduktion realisierbar sein: Ein- oder Zweisitzer, Basis- oder Hochmotorisierung, Benzin- oder CNG-Antrieb zur individuellen Kombination.

6.1 Sportwagenprototyp „Concept MILA“

6.1.3 Virtuelle Evolution

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Gefüge am Kraftfahrzeugmarkt grundlegend geändert. Waren früher von jedem Fahrzeug nur wenige Varianten wie Limousine, Kombi und Coupé am Markt, sind heute von ein und demselben Fahrzeug eine Vielzahl von Varianten verfügbar. Die Derivate werden ausgehend von einem Basisfahrzeug entwickelt (Abb. 6.1.2). Derzeit wächst der Fahrzeugmarkt insgesamt nur gering, was zur Folge hat, dass von jeder Variante eine kleinere Stückzahl absetzbar ist. Für die Entwickler heißt das, in kürzeren Zeitenräumen mehr Fahrzeuge zu entwickeln. Mit den bisherigen Prozessen, in denen zeitaufwändige Hardwareversuche notwendig waren, konnten diese kurzen Entwicklungszeiten nicht erreicht werden. Vor allem in einer frühen Phase der Entwicklung (Projektdefinitionsprozess) ist es notwendig, Entscheidungen zu treffen, die einen großen Einfluss auf die Qualität, die Entwicklungszeit und nicht zuletzt auf die Kosten haben (Abb. 6.1.3). In dieser Phase wird das Fahrzeugkonzept festgelegt und die Grundlagen für die anschließende Serienentwicklung geschaffen [5, 6]. Themen wie zum Beispiel: Styling, Absicherung der Fahrzeugfunktionen (Crash, Betriebsfestigkeit etc.) oder Package werden parallel abgearbeitet (Abb. 6.1.4).

Abb. 6.1.2 Entwicklung der Fahrzeugvarianten im Automobilbau.

319

320

6 Bauteilbeispiele aus dem Transport

Abb. 6.1.3 Entscheidungen in der frühen Entwicklungsphase.

Abb. 6.1.4 Festlegung von Styling und Fahrzeugfunktionen.


Abb. 6.1.5 Optimierungsprozess der Bauteile.

Neben der schnelleren Abarbeitung ergeben sich durch diese Vorgehensweise weitere Vorteile: • Mehr relevante Informationen sind in der frühen Projektphase verfügbar. • Entscheidungen fallen früher und mit einer höheren Genauigkeit. • Die Prozesse haben eine höhere Qualität. • Versuchseinrichtungen für Hardwareversuche werden minimiert und die vorhandenen Einrichtungen effizienter genutzt. • Die Kosteneffizienz steigt, da Fehler, die in einer sehr frühen Phase erkannt werden, mit geringeren Kosten korrigiert werden können, da noch keine Prototypteile, die ein starker Kostentreiber in der Entwicklung sind, hergestellt wurden. • Steigerung der Produktqualität, da die Anforderungen an die Bauteile sehr früh definiert sind und die Teile dadurch entsprechend angepasst werden (Abb. 6.1.5). 6.1.4 Antriebskonzept

Um der Sportlichkeit des Fahrzeugs Rechnung zu tragen und aus Package-Gründen wurde die Heck-Mittelmotorvariante ausgewählt. Da es aufgrund der geplanten Stückzahl des Fahrzeugs nicht wirtschaftlich ist, einen eigenen Motor zu entwickeln, wurde der Motor eines OEMs gewählt und für den Betrieb mit Erdgas adaptiert [3]. Im Gegensatz zu bivalentem Betrieb des Motors (Erdgas u. Benzin), kann bei monovalentem Betrieb (in diesem Fall Erdgas) der Motor für diesen Treibstoff optimiert werden. Das bedeutet in diesem Fall eine höhere Leistung des Motors, da bei reinem Erdgasbetrieb die Verdichtung des Motors angehoben werden kann [7–10]. Beim Motor selbst handelt es sich um einen, mittels Kompressor aufgeladenen, Motor mit 1600 cm3 und 4-Zylindern und einem angeflanschten 6-GangGetriebe (Abb. 6.1.6). Der Gastank fasst 13 kg Gas (76 l), das entspricht einer Reichweite von ca. 200 km. Die erzielbare Höchstgeschwindigkeit mit diesem Antrieb liegt über 200 km/h. Die Beschleunigung auf 100 km/h liegt unter 7 s (Abb. 6.1.7).

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Abb. 6.1.6 Package der Antriebseinheit mit 110 kW Leistung, 190 Nm Drehmoment bei 5,6 kg CNG-Verbrauch (8 l Benzinäquivalent).

Abb. 6.1.7 Leistung der Antriebseinheit.

6.1.5 Modularer Spaceframe

Die Bauweise einer Rohbaustruktur hat auf mehrere Faktoren Rücksicht zu nehmen: • Kundenanforderungen an das Fahrzeug, • funktionale Anforderungen, • Qualität, • Umsetzbarkeit in der vorhandenen Fertigung, • Wirtschaftlichkeit.


Abb. 6.1.8 Modulares Spaceframe: (a) einsitzige und (b) zweisitzige Variante.

Aus den Punkten Wirtschaftlichkeit und dazugehöriger Stückzahl ergab sich die Bauweise. Als Erstes stand aufgrund der Stückzahl fest, dass es ein SpaceframeKonzept sein muss. Dem Nachteil der längeren Fertigungszeit (geringer Automatisierungsgrad) stehen die Vorteile geringer Werkzeuginvestitionen (keine teuren Tiefziehwerkzeuge zur Herstellung großflächiger Blechbauteile notwendig) und die einfachere Umsetzbarkeit des Modulsystems gegenüber. Die Anforderung, dass das Konzept modular aufgebaut sein muss, ergab sich ebenfalls aus wirtschaftlichen Überlegungen, da der Markt für ein einsitziges Fahrzeug derzeit sehr überschaubar ist und nur mit geringen Stückzahlen gerechnet werden kann. Daher wurde von Anfang an eine zweisitzige Variante mitbetrachtet (Abb. 6.1.8). Ausgehend vom Konzept für das einsitzige Fahrzeug mit einem Vierzylindermotor wurde parallel an den weiteren Konzepten bis hin zur zweisitzigen Variante mit Sechszylindermotor gearbeitet (Tabelle 6.1.2). In der Tabelle 6.1.2 ist nicht dargestellt, dass zu dieser Zeit alle Varianten nicht nur in der Konfiguration mit dem Erdgasantriebskonzept, sondern auch mit einem herkömmlichen Benzintank ausgearbeitet wurden. Es stand von Anfang an fest, dass das Tanksystem in das Fahrzeug eingebunden sein muss. Daraus ergaben sich hohe Anforderungen an die Integration des Tanksystems, die entsprechend zu berücksichtigen waren. Um die Baugruppen zu minimieren, ist es unabdingbar in der frühen Projektphase viele Faktoren abzusichern. Das wäre ohne die Werkzeuge der virtuellen Entwicklung nahezu unmöglich. Alleine die Absicherung hinsichtlich der vielfältigen Crashanforderungen wie Unterschiede Einsitzer zu Zweisitzer, würde den Rahmen einer konventionellen Entwicklung sprengen. Virtuell abgesichert wurden: Steifigkeit, Crashverhalten, Betriebsfestigkeit, NVH (Noise, Vibration, Harshness), Aerodynamik, Umströmung u. Durchströmung, und Fahrdynamik.

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6 Bauteilbeispiele aus dem Transport Tab. 6.1.2 Matrix der Baugruppe für verschiedene Fahrzeugvarianten (A, B und C stehen für Baugruppenausführungen). Modulbauweise Spaceframe MILA

4 Fahrzeug-Varianten

(funktions- und gewichtsoptimiert)

Einsitzer F1

Baugruppen

F1-4 Zyl

Aufprallquerträger (Montageteil) ZB Frontmodul ZB Längsträger vorn

Zweisitzer F2 a

F1-6 Zyl

F2-4 Zyl

A

A

A

A

A A

A A

B A

B A

Schweller seitlich

A

A

A

A

Tankmodul (Montageteil) ZB Motorträger hinten

A A

A A

A B

A C

ZB Heckquerträger

A

A

B

B

a

F2-6 Zyl

Für F2 zusätzlich: geänderte A-Säule wegen Türanbindung links, rechts; zusätzliche Struktur in der Mitte über der Fahrgastzelle; zusätzliche Tunnelstruktur notwendig.

6.1.6 Werkstoffauswahl und Einsatz

Um den Gewichtsnachteil des Gastanksystems gegenüber einem herkömmlichen Benzintanksystem wieder auszugleichen, ist es vor allem im Hinblick auf die geforderten Fahrleistungen notwendig, eine Leichtbaustruktur einzusetzen. Aus diesem Grund wurde einem Aluminium-Spaceframe (Abb. 6.1.9) der Vorzug gegeben.

Abb. 6.1.9 Aluminium-Spaceframe.


Der Werkstoff Aluminium bietet folgende Vorteile: • hohe spezifische Biegesteifigkeit bei ausreichend hoher Festigkeit bezogen auf das geringe spezifische Gewicht, • herausragende Korrosionseigenschaften, • sehr gute Crasheigenschaften, • Legierungsvielfalt, auswählbar für die verschiedenen, geforderten Bauteileigenschaften, • Verfügbarkeit von Profilen und Blechen. Der Einsatz von Gussbauteilen wurde aufgrund der relativ hohen Werkzeugkosten beim Einsatz in kleinen Serien bei der Ausarbeitung des Konzepts ausgeschlossen. 6.1.7 Basisstruktur des Konzepts

Aus Gründen der Festigkeit, der Verfügbarkeit und der Rezyklierbarkeit wurde eine sortenreine Struktur aus Legierungen der 6000er Gruppe ausgewählt: AA6060-T6 (AlMgSi0,5) Profile, AA6082-T6 (AlMgSi1) Bleche. Profile und Bleche der angegebenen Legierungen sind in vielfältiger Form am Markt als Standardprodukte erhältlich. Bei der Entwicklung der Außenhautteile wurde der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen mit einer duroplastischen Matrix jenem von metallischen Werkstoffen vorgezogen. Vorteile der Faserverbundwerkstoffe gegenüber metallischen Werkstoffen sind: • Aufgrund der Herstellverfahren für Kunststoffbauteile und der Kunststoffe selbst, ergeben sich größere Freiheiten im Fahrzeugdesign. • Gegenüber der Blechschalenbauweise entstehen niedrigere Werkzeuginvestitionen. • Die Bauteileigenschaften lassen sich durch den Lagenaufbau bedarfsgerecht beeinflussen. • Variabilität, das heißt für die Basisvariante einen billigeren Faserwerkstoff (Glasfasern) und für die Highend-Variante Hochleistungsfasern (Carbonfasern) einzusetzen, um das Gewicht zu minimieren. Die Nachteile der Faserverbundbauweise liegen in folgenden Punkten: • Aufwändigere Herstellung, um die im Automobilbau zumeist geforderten Class-A-Oberflächen für Sichtflächen zu erhalten. • Die Grundwerkstoffe selbst, der Matrixwerkstoff – zumeist Epoxidharz – und die Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlefasern, sind sehr teuer. • Die Herstellprozesse, wie das RTM-Verfahren oder das Autoklav-Verfahren, sind relativ langsam, was die Stückzahlen begrenzt. Zudem ist das Autoklav-Verfahren, bei dem die Bauteile unter Hitze und Druck in einer entsprechend großen Druckkammer ausgehärtet werden, sehr kostenintensiv.

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• Weltweit ist wenig Erfahrung in der Simulation der Bauteile, im Speziellen auf dem Gebiet der Crashsimulation vorhanden. Das heißt, dass es derzeit sehr schwierig ist Faserverbundbauteile rein virtuell auszulegen. Deshalb werden bei den meisten aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Fahrzeugen die Crashzonen aus metallischen Werkstoffen, zumeist Aluminium, hergestellt und die Fahrgastzelle selbst wird so ausgelegt, dass keine Intrusionen im Crashfall auftreten können. In unserem Fall war dies nicht notwendig, da die tragende Struktur aus einem sehr gut simulierbaren Aluminium-Spaceframe besteht und nur die Außenhautteile aus Faserverbundwerkstoffen. 6.1.8 Ausblick

Zukünftig werden nicht nur Zweckfahrzeuge, sondern auch Sportwagen und andere Nischenfahrzeuge an ihrer Umweltverträglichkeit gemessen werden. Es wird bereits an einem kleinen Geländewagen (Abb. 6.1.10) gearbeitet [11], der mit CNG, Hybridantrieb oder einem kleinen Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Es ist daher mit einer Vielzahl von Konzepten, die auf einer monovalenten CNGAntriebsphilosophie basieren, zu rechnen, da CNG unbestreitbare Vorteile in der CO2 -Bilanz gegenüber den herkömmlichen Treibstoffen bietet [12]. Am Tanksystem gilt es weiterzuarbeiten, um durch einen höheren Fülldruck die Reichweite der Fahrzeuge zu verbessern. Die virtuelle Entwicklung, die einen entscheidenden Anteil an der Entstehung des MILA hat, wird ihren Siegeszug fortsetzen. Wer kann sich heute noch vorstellen ein Fahrzeug am Zeichentisch zu konstruieren? Genauso werden Realversuche an Komponenten und Fahrzeugen in den Hintergrund rücken, da sie sukzessive von Simulationen ersetzt werden. Dadurch ist es möglich, Fahrzeuge vom ersten Strich an kostengünstig und schnell in Serie zu bringen.

Abb. 6.1.10 Weiterentwicklung des Konzepts für Geländefahrzeug „MILA Alpin“.

6.2 Prototypfahrzeug „CLEVER“

Danksagung

Besonderer Dank gilt dem ehemaligen Vorstand der Magna Steyr Fahrzeugtechnik, Herrn Werner Wilhelm, den Herren DI Klaus Koppitsch, Dr. Uwe Thien und DI Peter Kröpfl, die dieses Projekt haben wahr werden lassen, sowie allen Kollegen, die an der Umsetzung beteiligt waren.

Literaturnachweis 1 Zacharias, F. (2001) Gasmotoren, Vogel Verlag. ISBA: 3-8023-1796-3. 2 Koppitsch, K. (2006) Concept MILA, Umsetzung eines innovativen Konzeptes. Magna Steyr Fahrzeugtechnik Graz, Präsentation 2006. 3 Thien, U., Schaerfl, A. (2006) Mila and innovative automobiles powered by natural gas, IQPC Congress Natural Gas Vehicle, Berlin. 4 Kröpfl, P. (2006) Gesamtfahrzeugintegration, Magna Steyr Fahrzeugtechnik Graz, Präsentation 2006. 5 Thien, U. (2006) Fahrwerk und Motorintegration für Erdgasantriebe. Magna Steyr Fahrzeugtechnik Graz, Präsentation, 2006. 6 Wilhelm, W. (2006) Vom Konzept zur Serienreife, gesteigerte Qualitätsanforderungen trotz des sich verkürzenden Produktentstehungsprozesses. 7. Grazer Allradkongress, 02/2006. 7 Thien, U., Schaerfl, A., Handke, P. (2006) Optimal Storage of CNG Tanks, IQPC Congress Natural Gas Vehicle, Berlin.

8 Pucher, E. et al. (2006) Monovalent Natural Gas Vehicle Concept at 600 km Range by New Lightweight Construction Tanks, F2006P128. FISITA, World Automotive Congress, Yokohama. 9 Thien, U., Schaffer, K., Eichelseder, H. (2006) 1,6 l Supercharged Engine for CNG Motorization of a Sportive Vehicle. Fortschritt-Ber. VDI, Reihe 12, Nr. 622, 27th Internat. Motor Symp., Wien. 10 Hausberger, S. (2003) Simulation of Real World Vehicle Exhaust Emissions. VKMTHD Mitteilungen, Vol. 82. Technische Universität, Graz, ISBN 3-901351-74-4. 11 Zachnegger, H. (2008) Mila Alpin. Magna Steyr Fahrzeugtechnik Graz, Präsentation, 2008. 12 Zallinger, M., Le Anh, T., Hausberger, S. (2005) Improving an instantaneous emission model for passenger cars, Transport&Air Pollution Conf., Graz, ISBN 3-902465-16-6.

6.2 Prototypfahrzeug „CLEVER“ Richard Kretz Kurzfassung

Im 5. EU-Rahmenprogramm „Competitive and Sustainable Growth“ (GROWTH) wurde durch ein Konsortium von neun Partnern und mehreren Subauftragnehmern ein kompaktes Fahrzeug für den Stadtbereich entwickelt, das sich nicht nur durch geringes Gewicht und niedrigen Kraftstoffverbrauch auszeichnet, sondern trotz des Sparens auch Fahrspaß bietet. Die geschichtliche Entwicklung von Leicht-

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metall-Fahrzeugen wird aufgezeigt. Auf der Basis einer Relevanztabelle wird eine Rahmenbauweise aus Aluminiumprofilen mit Knoten ausgewählt. Aus den Eckdaten der Fahrzeuganforderungen wird eine Kabine, in der zwei Passagiere Platz finden, abgeleitet. Aufgrund des schmalen Radstands wird die Kabine in den Kurven hydraulisch nach innen geneigt. So entsteht ein dem Motorrad ähnliches Fahrgefühl, bei dem keine Seitenkräfte auf Fahrer und Beifahrer wirken. Trotz der geringen Abmessungen bietet das CLEVER Fahrzeug seinen Insassen durch energieabsorbierende Elemente im Rahmen, durch einen 2-stufigen Airbag und durch Sicherheitsgurte mit Gurtstraffern und Gurtkraftbegrenzern eine hohe passive Sicherheit, die in Tests belegt wird. Das Fahrzeug wird von einem Einzylinder-Viertaktmotor mit Erdgas angetrieben, wodurch hohe Standards der Umweltfreundlichkeit erfüllt werden. Innerhalb von dreieinhalb Jahren entwickelte das Konsortium die Antriebstechnik, die Spaceframe-Karosserie, den Antrieb inklusive Neigeeinrichtung und Reifen sowie das Gas-Betankungssystem. Von den fünf hergestellten Prototyp-Fahrzeugen ist eines als Demonstrationsobjekt mit lackierter Karosserie, Innenausstattung und Beleuchtung versehen. 6.2.1 Einleitung

Der Bau von kleinen, leichten und erschwinglichen Fahrzeugen wurde in den Jahren nach dem zweiten Weltkrieg zu einem wichtigen Wirtschaftszweig. Die Menschen wollten mobil sein, aber waren nicht in der wirtschaftlichen Lage, sich „vollwertige“ Autos zu kaufen. Dennoch sollten die Fahrzeuge mehr bieten als Motorräder. Sie mussten zumindest 2 Personen Platz bieten und zum Schutz gegen Wind und Wetter Scheiben und ein Dach besitzen. In Deutschland entwickelten sich zahlreiche kleinere Unternehmen, die diesem Bedürfnis der Menschen nachkamen und kleinste Fahrzeuge mit drei oder vier Rädern bauten. Manchen Fahrzeugen war es schon äußerlich anzusehen, dass ihre Väter aus der ehemaligen Flugzeugindustrie kamen. Messerschmidt und Heinkel bauten drei- bzw. vierrädrige „Kabinenroller“, die nicht nur äußerliche Ähnlich-

Abb. 6.2.1 Dreirad-Kraftfahrzeug mit Fronttür BMW „Isetta“ [1], gebaut 1955–1962.


keiten mit Fluggeräten aufwiesen, sondern auch so manches Konstruktionsdetail von dort mitnahmen. Andere Bespiele für die Klasse „Kleinstautos“ sind der Lloyd LP 300/400, das Goggomobil des bayrischen Landmaschinenherstellers Glas, der Zündapp Janus und die Isetta von BMW, die in der Abb. 6.2.1 zu sehen ist. Während diese Fahrzeuge der Nachkriegszeit ein Eigengewicht von 250–350 kg auf die Waage brachten, wiegen „Kleinfahrzeuge“ der heutigen Generation zumindest 1000 kg. Das meistverkaufte Kompaktfahrzeug, der VW Golf, Jahrgang 2008, wiegt in der einfachsten Ausführung 1280 kg. Die Ansprüche der Autofahrer sind heute wesentlich höher. Vor allem die Sicherheitsanforderungen, aber auch der Wunsch nach Komfort und einem großzügigen Raumangebot treiben die Fahrzeuggewichte immer weiter in die Höhe. Die Diskussion um den Klimawandel, seine Ursachen und notwendige Gegenmaßnahmen wird in naher Zukunft zu Einschnitten beim Individualverkehr führen. In zahlreichen Ländern und in Gemeinschaften wie USA und EU wird an Plänen gearbeitet, das Fahren mit großen und viel Treibstoff verbrauchenden Privatfahrzeugen einzuschränken. Dafür sollen kleine, leichte und energiesparende Fahrzeuge – möglichst mit neuen Antriebstechniken – gefördert werden. Die Idee zur Entwicklung eines kompakten Stadtfahrzeugs wurde als F&EProjekt im 5. EU-Rahmenprogramm “Competitive and Sustainable Growth“ (GROWTH) unter dem Titel: “Compact Low Emission Vehicle for Urban Transport (CLEVER)“ eingereicht [2]. Ziele des Projekts waren, ein Fahrzeug mit folgenden Merkmalen zu entwickeln: umweltfreundlicher Antrieb, Platz für 2 Personen, hohe passive Sicherheit, gefälliges Design, Fahrspaß. Das in Tabelle 6.2.1 beschriebene Konsortium bildete das Projektteam, in dem jeder Partner für elementare Fahrzeugkomponenten verantwortlich war. 6.2.2 Historische Entwicklung und Stand der Technik

Im Vergleich zu Eisen- und Kupferbasiswerkstoffen ist Aluminium ein sehr „junges“ Metall. Es wird erst seit ca. 1900 industriell hergestellt und als techni-

Abb. 6.2.2 NSU 8-24 mit Aluminiumkarosserie, 1913.

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6 Bauteilbeispiele aus dem Transport Tab. 6.2.1 Clever Projektpartner und ihre Aufgaben. Partner

Aufgabe im Projekt

TU Berlin

Koordination, Berechnung und Simulation, Crashtests, Fertigung der Kunststoffkarosserie Fahrzeugkonzept, Package, Konstruktion und Berechnung

BMW-München Ingenieurbüro PSW LKR Leichtmetall Kompetenzzentrum Ranshofen

Aluminium-Spaceframe, Abstimmung der Geometrie, Fertigung der Rahmenelemente und Zusammenbau der Rahmen für 5 Fahrzeuge

IFP Institute Francais du Pétrole TAKATA Petri, Berlin

Auswahl des Motors, Anpassung der Motorsteuerung und Umrüstung des Motors auf Erdgasbetrieb Sicherheitstechnik, Gurtsystem, Airbags

University of Bath

Fahrwerk, Konstruktion und Fertigung von Radaufhängungen und Neigesystem

BOKU: Universität für Bodenkultur Wien Weh GmbH

Rahmenbedingungen, Bestimmungen für Zulassungen in der EU, Einflüsse auf die Umweltbelastung, Umfragen Betankungssystem für Erdgas

Cooper Avon

Räder (Felgen und Reifen)

scher Werkstoff eingesetzt. Wegen seiner geringen Dichte und der dennoch guten mechanischen Eigenschaften wurde Aluminium dann recht rasch ein wichtiger Leichtbauwerkstoff für die aufstrebende Automobil- und Flugzeugindustrie. Das erste Fahrzeug mit einer Aluminiumkarosserie war der in der Abb. 6.2.2 gezeigte NSU 8-24 von 1913. Dieses Fahrzeug hatte noch einen Stahlrahmen, auf den die Leichtmetallkarosserie aufgesetzt wurde. Aluminiumbleche entwickelten sich bald zu einem Standardmaterial für Karosserieteile und für Aufbauten von Geländewagen bzw. Nutzfahrzeugen. Als Beispiel dafür sei der bekannte Land Rover genannt. Wegen der Sichtbarkeit von Fügestellen (Nieten) an den Oberflächen der Karosserien war diese Technik jedoch nicht für anspruchvolle Fahrzeuge geeignet. Nach der Erfindung des Automobils dauerte es nicht lange, bis Wertungsfahrten, Rallyes und Straßenrennen ausgetragen wurden. Leichte und starke Gefährte waren gefragt und damit ging auch die Entwicklung weg von der traditionellen Bauweise, die letztendlich noch aus dem Kutschenbau des 19. Jahrhunderts abstammte. Die Automobilkonstrukteure begannen Rennfahrzeuge zu bauen, bei denen große, starke Motoren auf Rahmen aufgesetzt wurden und die neben dem Motor nur noch Platz für den Tank, einige Aggregate und den Fahrer boten. Raum für Passagiere und Gepäck war nicht vorgesehen und so entstanden reine Rennfahrzeuge. Anfangs hatten diese Fahrzeuge auch noch massive Leiterrahmen, auf welche die Karosserien aufgesetzt wurden. Später entwickelte sich für Sportwagen die Bauweise mit Gitterrohrrahmen, die heute durchaus als Vorgängerin der Spaceframe-Technik bezeichnet werden kann. Die Abb. 6.2.3 zeigt den Gitterrohrrahmen samt Antriebseinheit des legendären Mercedes 300 SL Sportwagens.


Abb. 6.2.3 Gitterrohrrahmen des Mercedes 300 SL [3], gebaut 1954–1957.

Abb. 6.2.4 Panhard Dyna mit selbsttragender Aluminiumkarosserie, 1954 [4].

Die Entwicklung von selbsttragenden Karosserien in den 1930er Jahren stellte einen Meilenstein im Automobilbau dar. Gepresste Bleche wurden direkt zusammengeschweißt und schwere, steife Rahmen waren nicht mehr notwendig. Neben der Gewichtsreduktion konnte auch die passive Sicherheit der Fahrzeuge deutlich verbessert werden und die Produktionskosten waren geringer. Die Firma Panhard in Frankreich war eine der ältesten Automobilfabriken und stieg nach dem zweiten Weltkrieg auch in die Produktion wirtschaftlicher Kleinwagen ein, bevor sie 1955 von Citroen übernommen wurde. Sie brachte 1954 den Panhard Dyna 54 heraus, der als erstes Fahrzeug in der Automobilgeschichte eine selbsttragende Aluminiumkarosserie besaß (Abb. 6.2.4) [4]. Die hohen Produktionskosten und der relativ geringe Gewichtsvorteil von selbsttragenden Aluminiumkarosserien führten wohl dazu, dass diese Technik nach dem Auslaufen der Panhard-Modelle von keinem großen Automobilhersteller weiterverfolgt wurde. Aluminium wurde sodann in der Großserientechnik für einzelne Karosserieteile wie Motorhauben, Deckel, Dächer usw. eingesetzt aber nicht für ganze Karosserien. Doch die Autos wurden immer schwerer. Neue Modelle waren immer erheblich schwerer als ihre Vorgänger. Um dieselben Fahrleistungen zu bieten, mussten die

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neuen Modelle mit immer stärkeren Motoren ausgerüstet werden. Zwar konnte der Treibstoffverbrauch durch die Weiterentwicklung der Motortechnik gleichgehalten oder sogar leicht reduziert werden, aber die Gewichts- und Leistungsspirale drehte sich stetig nach oben. Die Autohersteller erkannten diese Tendenz natürlich und erklärten die Gewichtsreduktion zu einem wichtigen Ziel. Die Werkstoffe Aluminium und Magnesium rückten zu Mitte der 1990er Jahre wieder in den Mittelpunkt der Autobauer. Im Jahr 1994 stellte die Fa. Audi den großen Audi A8 in Aluminiumbauweise vor. Die Audi Spaceframe-Technologie besteht aus einem tragenden Aluminiumrahmen, an dem die äußeren Karosserieteile wie Kotflügel, Schweller, Dach und Türen befestigt wurden. Der Rahmen selbst wurde aus Profilen und Blechen zusammengesetzt, die durch gegossene „Knoten“ miteinander verbunden waren. In den folgenden Jahren entwickelten mehrere namhafte Automobilhersteller Fahrzeuge mit Aluminiumkarosserien. Die Konzepte unterschieden sich dabei in vielen Details. Die Hersteller verfolgten nicht nur das Ziel der Gewichtsreduktion, sondern man musste auch unbedingt die Fertigungskosten im Auge behalten. Die jeweils geplanten Stückzahlen hatten natürlich einen großen Einfluss auf die zur Auswahl stehenden Fertigungsverfahren. So konnte Audi mit den angestrebten Verkaufszahlen für den A8 Gussknoten aus Vacural-Druckguss einsetzen, während Hersteller, die mit geringen Stückzahlen kalkulierten, keine teuren Druckgussformen für die Gussknoten einplanen konnten. Für die Planung des CLEVER Fahrzeugs waren nicht nur die neuen Rahmenbauweisen bei Automobilen von Interesse, auch die in der Motorradtechnik eingesetzten Rahmenkonstruktionen wurden in Betracht gezogen. Die Motorradproduzenten müssen zwar keine Komfortelemente wie Fensterheber oder Klimaanlagen in ihre Produkte einbauen, dennoch muss auch hier – aus Image-Gründen und zum Erreichen guter Fahrleistungen – an allen Komponenten Gewicht eingespart werden. Motorradrahmen werden oftmals auch noch heute aus gebogenen Stahlrohren zusammengeschweißt. Auch diese Bauart führt – mit hochfesten Stählen – zu recht leichten Rahmenkonstruktionen. Dennoch setzen die Motorradbauer immer mehr auf neue Systeme, die denen der Autos im Aufbau recht ähnlich sind. Aus den Entwicklungen der letzten Jahre kann der Stand der Technik bei den Bauweisen von Aluminiumkarosserien und Motorradrahmen in mehrere grundlegende Bauprinzipien eingeteilt werden. Diese Bauweisen und Beispiele dafür sind in der Tabelle 6.2.2 angeführt und in Abb. 6.2.5 dargestellt. 6.2.3 Auswahl der Bauweise für CLEVER

Für die Auswahl der Rahmenbauweise für CLEVER wurden die Bauarten einzeln betrachtet. Die Vor- und Nachteile jeder Bauweise wurden in einer „Relevanztabelle“ (Tabelle 6.2.3) zusammengefasst, die als Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen diente. Die Entscheidung fiel auf den Aluminium-Spaceframe mit gefrästen Knoten, weil insgesamt nur fünf Fahrzeuge gebaut werden sollten. Bei dieser Stückzahl


Abb. 6.2.5 Leichtmetall-Rahmenbauweisen nach Tabelle 6.2.2: (a) Audi A2, (b) Suzuki SV 1000, (c) Ducati Monster, (d) BMW Z8, (e) Lotus Elise, (f) Suzuki GSX 750, (g) Honda NSX 2000, (h) VW 1-Liter Prototyp. Tab. 6.2.2 Bauweisen für Auto- und Motorradrahmen aus Leichtmetall. Prinzip

Beispiele

Abb. 6.2.5

Spaceframe bzw. Gitterrohrrahmen-Prinzip mit Knoten (Gusskoten, geformte Knoten oder mechanisch bearbeitete Knoten)

Audi A8 (1994) Audi A2 (1999) Suzuki SV 1000 (2002)

(a) (b)

Spaceframe bzw. Rohrrahmen aus Aluminiumprofilen ohne Knoten Aluminium Großprofile und Bleche

Ducati Monster (2002)

(c)

BMW Z8 (2000) Lotus Elise (2000) Suzuki GSX 750 (2002)

(d) (e) (f) (g)

Magnesium-Spaceframe

Honda NSX (2000) Jaguar XJ (2002) VW 1-Liter Prototyp (2002)

Mischbauweisen

BMW 5er (Al-Vorderwagen)

Selbsttragende Karosserie

(h)

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6 Bauteilbeispiele aus dem Transport Tab. 6.2.3 Relevanztabelle für die CLEVER Bauweise. Konzept

Vorteile

Nachteile

Relevanz

Ranking

selbsttragende Stahlkarosserie

bewährte Technologie, bei hohen Stückzahlen geringe Kosten

sehr hohe Werkzeugkosten

––

selbsttragende Aluminiumkarosserie

geringes Gewicht

–

Aluminium-Profile mit Knoten (Guss, Schmiedteile oder gefräst)

geringes Gewicht, multifunktionale Knoten möglich

komplexe Konstruktion, Fügetechnik, Werkzeugkosten Gussknoten: hohe Werkzeugkosten

++

(1)

Aluminium-Profile ohne Knoten

geringes Gewicht, geringe Teileanzahl, passive Sicherheit

aufwändige Konstruktion, hoher Assemblingaufwand

+–

(2)

AluminiumGroßprofile und Aluminiumbleche

Package, geringe Teileanzahl, geringe Kosten

+–

MagnesiumSpaceframe

geringes Gewicht, geringe Teileanzahl

neues Gesamtkonzept notwendig, Steifigkeit, passive Sicherheit Verfügbarkeit von Mg-Profilen, Kosten, Fügetechnik

Mischbauweise

geringe Teileanzahl

hohes Potenzial für Gewichtsreduktion

+

+–

(3)

sind die Kosten für die Gussformen der Knoten oder die Kosten für Assemblingvorrichtungen beim Einsatz von Großprofilen und Blechen viel zu hoch. Bei einer Serienfertigung würde selbstverständlich die gesamte Fertigungstechnik dahingehend adaptiert, dass das Fahrzeug einerseits den Anforderungen an die Fahreigenschaften und die Sicherheit entspricht und andererseits wirtschaftlich produziert werden kann. Bei hohen Stückzahlen rechnen sich auch hohe Form- bzw. Werkzeugkosten, weil die Teilekosten bei den hohen Stückzahlen entsprechend sinken und der Zusammenbau rationalisiert werden kann. Nachdem entschieden wurde, den Rahmen aus Standardprofilen herzustellen, war praktisch auch die Werkstoffauswahl getroffen. Die Knetlegierung AlMgSi (6060) ist ein Standardwerkstoff im Fahrzeug- und Maschinenbau. Sie besitzt gute mechanische Eigenschaften und lässt sich gut verarbeiten. Sowohl die mechanische Bearbeitung als auch Fügetechniken wie Nieten, Schrauben, Schweißen oder Kleben sind gleichermaßen möglich.


Abb. 6.2.6 Konstruktive Eckdaten „CLEVER-Package“.

6.2.4 Package und Design

Der erste Schritt in der Fahrzeugentwicklung ist immer die Festlegung des „Package“, also die Bestimmung von konstruktiven Eckdaten und Hauptabmessungen. Dazu gehören u. a. das Antriebskonzept mit der Anordnung des Motors und Festlegung der angetriebenen Räder, die Zahl der Räder, Radstand, Spurweite sowie Anzahl und Anordnung der Sitze mit den Sitzpositionen von Fahrer und Passagier. Die Abb. 6.2.6 zeigt das Package von CLEVER. Die Partner kamen überein, ein Fahrzeug mit folgenden Eckdaten zu entwickeln: • Dreirad mit weniger als 1000 mm Spurweite, als „Kurvenneiger“ ausgeführt, • Platz für 2 Personen (hintereinander), • Antrieb durch einen 1-Zylinder Viertaktmotor im Heck, • Treibstoff: Erdgas, • Höchstgeschwindigkeit ca. 100 km/h, Reichweite ca. 200 km. Aus einem Designerwettbewerb ging der Entwurf des Designers Peter Naumann (Abb. 6.2.7) als Sieger hervor. 6.2.5 Bearbeitung der Profile und Zusammenbau der Spaceframes

Nach der Festlegung von Package und Design wurde das CLEVER Fahrzeug beim Ingenieurbüro PSW in München konstruiert. Die für den Rahmen einzusetzen-

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Abb. 6.2.7 Entwürfe von Peter Naumann.

Abb. 6.2.8 Haupt- und Heckrahmen.

den Aluminiumprofile wurden während der Konstruktionsphase in Abstimmung mit den Konstrukteuren ausgewählt. Nach der Fertigstellung der Konstruktion (Abb. 6.2.8) wurden die Profile beschafft und auf der Arkus Biegemaschine des LKR [5] nach den Werkstückzeichnungen des Konstrukteurs PSW gebogen. Im nächsten Arbeitsschritt wurden die gebogenen und an den Enden mechanisch bearbeiteten Profile zu den Rahmen zusammengebaut. Dabei bewährten sich die Schweißtische und die dazugehörenden Montagewerkzeuge [6]. Mit dieser Ausrüstung war der Zusammenbau von Hauptrahmen, hinterem Motorrahmen und Türen ohne spezielle Montagevorrichtungen möglich. In der Abb. 6.2.9 sind Rahmenteile zu sehen, die mittels Montagewinkeln und Spannwerkzeugen auf den Schweißtischen aufgespannt sind. Neben den Hauptrahmen wurden in derselben Arbeitsweise auch die Heckrahmen (Motorrahmen) und die Türrahmen gefertigt und geschweißt. Die fertigen Rahmen wurden an PSW geliefert, wo die Fahrzeuge für Crashtests, Fahrversuche und das Ausstellungsstück (Abb. 6.2.10) zusammengebaut wurden.


Abb. 6.2.9 Zusammenbau der Hauptrahmen auf Schweißtischen (Demmeler).

Abb. 6.2.10 Clever Demonstrationsfahrzeug [7].

6.2.6 Weitere Arbeiten der Partner

Am Institut für Kraftfahrzeuge der TU Berlin wurden die Festigkeit der Karosserie sowie die Crashelemente zur Energieabsorption bei Kollisionen berechnet. Mit Hilfe der Crash-Simulation wurde das Verhalten des CLEVER Fahrzeugs bei Unfällen abgeschätzt. Nach dem Zusammenbau von drei Fahrzeugen erfolgten die Crashtests am Crash-Prüfstand der TU Berlin. Die Auswertung von Frontalcrash gegen eine feste Wand, Seitenaufpralltest und Kompatibilitätstest (Clever fährt in die Seite eines PKW) ergaben recht gute Werte für diese Fahrzeugkategorie und für diesen Aufbau. An der University of Bath, GB (Department of Mechanical Engineering) wurden das Fahrwerk und die Neigeeinrichtung für Clever entwickelt, gebaut und getestet. Das Antriebssystem und die Radaufhängungen sowie Lenkung und Bremssystem wurden gemeinsam mit den Konstrukteuren von BMW/PSW ausgelegt und am Institut angefertigt. Besonderes Augenmerk galt dem Neigemechanismus, der das Fahrzeug in Kurven so weit nach innen neigen muss, dass es nicht zum Kurven-Außenrand hin umkippt. Die Neigung wird durch Hydraulikzylinder bewirkt,

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die über eine Hydraulikpumpe, einen Druckspeicher und ein Regelsystem angesteuert werden. Nach einigen Tests und Fahrversuchen wurde die optimale Abstimmung der Steuerung gefunden. Das IFP (Institute Francais du Pétrole) in Lyon bzw. Paris war für die Anpassung des Motors für CLEVER verantwortlich. Als Basis für das mit Erdgas zu betreibende Aggregat diente der moderne Einzylinder-Viertaktmotor vom BMW C1 Motorroller. Der Hubraum des Motors wurde von ursprünglich 176 cm3 durch Vergrößern der Bohrung auf 213 cm3 angehoben. Die Gaszufuhr, die Nockenwelle und der Auspuff wurden ebenfalls modifiziert. Durch die Anpassung der Motorsteuerung blieben Leistung und Drehmoment im Vergleich mit der benzingetriebenen Serienausführung unverändert. Die Schadstoffemissionen konnten hingegen beim Gasmotor wesentlich reduziert werden: THC: –24%, CO: –12%, NOx : –37%, CO2 : – 24%. Takata Petri in Berlin ist Hersteller von Rückhaltesystemen und Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge. Das für CLEVER entwickelte Rückhaltesystem besteht aus Dreipunkt-Sicherheitsgurten und Gurtstraffern mit 2-stufigem Gurtkraftbegrenzer. Im Lenkrad wurde ein zweistufig auslösender Airbag mit 60 Liter Volumen eingebaut. Diese Ausrüstung war mitverantwortlich für die guten Crashtestergebnisse. Die Fa. WEH GmbH in Illertissen entwarf das Betankungssystem für Erdgas. Die auswechselbaren Tanks basierten auf Atemluftflaschen, wie sie bei Feuerwehren zum Einsatz kommen. Wechseltanks ermöglichen ein rasches Tauschen von leeren Tanks in einem möglichen Pfandsystem an Tankstellen, ähnlich wie das beim Flüssiggasvertrieb schon seit Längerem gehandhabt wird. Die Ventilkonfiguration erlaubt aber auch ein direktes Betanken der Tanks einzeln bzw. gemeinsam an den bestehenden Erdgastankstellen. Bei der Entwicklung des Betankungssystems wurde großer Wert auf die Sicherheit beim Umgang mit den Betankungseinrichtungen gelegt. Der Partner Cooper Avon Tires aus England steuerte Räder und Reifen zum CLEVER Projekt bei. Die Räder aus der Magnesiumlegierung AZ91 wurden im Sandgussverfahren hergestellt und lackiert. Die Dimensionen der Räder ist vorne 3,5 ~ 17 und hinten 5 ~ 18. Wegen des unsymmetrischen Designs mussten drei Gießereimodelle angefertigt werden. Die Reifen sind Spezialanfertigungen. Das Institut für Verkehrswesen an der Universität für Bodenkultur in Wien untersuchte die Rahmenbedingungen, unter denen ein Fahrzeug wie CLEVER in europäischen Ländern am Verkehrsgeschehen teilhaben könnte. In den EU-Ländern bestehen sehr unterschiedliche gesetzliche Bestimmungen bei der Homologierung und bei den geforderten Führerscheinen, um solche Fahrzeuge lenken zu dürfen. CLEVER würde in allen Ländern eine Zulassung erhalten. 6.2.7 Technische Daten des CLEVER Fahrzeugs

In dreieinhalb Jahren hatte das Konsortium, das in dieser Konstellation erstmals kooperierte ein neues Fahrzeug entwickelt, fünf Prototypen gebaut und drei Crashtests durchgeführt [8]. Am 10. April 2006 wurden am Flughafen Berlin Tegel

6.2 Prototypfahrzeug „CLEVER“ Tab. 6.2.4 Technische Daten von CLEVER. Bauweise:

3-Rad Kurvenneiger mit Tandem-Sitzanordnung für 2 Personen

Aufbau: Länge:

Aluminium-Spaceframe mit Kunststoffkarosserie 3066 mm

Breite:

998 mm

Höhe: Leergewicht:

1390 mm ca. 395 kg

Antrieb:

Einzylinder 4-Takt Motor, 213 cm3

Treibstoff: Leistung:

Erdgas (CNG) 213 cm3 12,5 kW bei 8600 U/min

Drehmoment: Vmax:

16 Nm bei 6300 U/min 100 km/h

Beschleunigung

0–60 km/h: < 7 s

Reichweite

ca. 200 km

der Öffentlichkeit zwei fahrtaugliche Fahrzeuge präsentiert (Tabelle 6.2.4) [9–11]. Eines der beiden Fahrzeuge wurde mit lackierter Karosserie, Innenausstattung und Beleuchtung als Präsentationsfahrzeug ausgerüstet.

Danksagung

Dieses Projekt wurde im Rahmen des 5. Rahmenprogramms „Competitive and Sustainable Growth“ (GROWTH) von der Europäischen Kommission gefördert. Das Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen dankt allen Projektpartnern für die gute Zusammenarbeit, im Speziellen der TU Berlin für die Koordination des Gesamtprojekts. Ein herzliches Dankeschön an die Firma Fronius in Wels, die uns beim Zusammenbau der Rahmen mit ihren Schweißtechnikern zur Seite stand. Danke an die Firma Rath in Korneuburg, die die Demmeler-Schweißtische samt Spannwerkzeugen zur Verfügung stellte.

Literaturnachweis 1 BMW, Historisches Archiv. 2 GROWTH Project GRD2-2001-50079 “CLEVER“, 2001. 3 Mercedes-Benz Archivbild. 4 Zink, G. (Hrsg) (2001) Oldtimer Katalog, Heel Verlag, Königswinter, S. 297–298, ISBN 3-89365-900-5. 5 http://www.indumasch.com/index.php? id=212; http://www.lkr.at/images/PDF/ LKR_DEUTSCH_PROSPEKT_2003.pdf.

6 http://www.demmeler.com/pdf/ PROFILINE$%$20D28-German-5-0.pdf. 7 BMW Pressefoto P0024635. 8 CLEVER Final Technical Report G3RDCT-2002-00815. 9 Auto, Motor und Sport, Nr. 10, 26. April 2006. 10 Auto Touring, Nr. 6, 2006. 11 e-media 09-2006.

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6.3 Das „R2R“ Motorrad Andreas Bilek Kurzfassung

Der Ready to Race (R2R) Ansatz ist Tradition und Verpflichtung für einen Hersteller von Spitzensportmaschinen für den globalen Markt. Die Geländemotorsportarten sind Motocross, Enduro und Rallye sowie in Amerika Supercross. Renneinsätze in diesen Veranstaltungen sind somit eines der wichtigsten Marketinginstrumente. Dementsprechend müssen die Motorräder für den vorgesehenen Einsatz optimiert werden, wobei Handling und Fahrbarkeit über Sieg oder Niederlage entscheiden. Diese beiden Faktoren werden zu einem überwiegenden Teil vom Fahrzeuggewicht beeinflusst. In derartigen Motorrädern muss somit der Kompromiss zwischen Gewicht und Haltbarkeit ständig an ein Optimum herangeführt werden. Hierzu müssen die Möglichkeiten der Konstruktion, der Werkstoff- und Fertigungswahl interaktiv ausgeschöpft werden. CrMo-Stahlrohrrahmen werden strukturoptimiert. Der Motor wird als rotierende Masse in seiner Lage im Rahmen möglichst in den Schwerpunkt gelegt und sein Massenträgheitsmoment minimiert. Durch den Einsatz von Werkstoffen, die bezogen auf ihr Gewicht hochfest und steif sind, wird an allen Anbau- und Funktionsteilen Gewicht gespart. Um einige Beispiele zu nennen: Es werden dünnwandige Aluminiumrohre am Federbein, Aluminium-Umformrohre am Lenker, Aluminium-Schmiedeteile als Gabelbrücke, eine Aluminium-Druckgussschwinge und dergleichen eingesetzt. 6.3.1 Einleitung

Das Wachstum der Fa. KTM [1] wurde bis über die Jahrtausendwende durch „OffRoad“ geprägt. Aus dieser Tradition heraus hat der Sporteinsatz als Marketinginstrument mehr und mehr an Bedeutung gewonnen, frei nach dem in den USA geprägten Ausspruch: „Win on Sunday, sell on Monday!“ Der Kunde kauft mit dem Motorrad Siegpotenzial und bezahlt dieses auch für die verschiedensten Einsätze. Die Rennerfolge sind direkt mit den Absatzzahlen verbunden, so würde ein schlechtes Abschneiden in einer Rennsaison mit Sicherheit Absatzrückgänge im Folgemodelljahr zeigen. Da sich in diesem Wettbewerbsfeld alle in Richtung Optimum bewegen, gilt es durch intensive Entwicklungsarbeit für die Vorbereitung eines Produkts, durch vermehrtes „Front Loading“, im Innovationszyklus immer schneller zu werden. Aus dieser Tatsache heraus ist der Aufwand, der von der Fa. KTM für ein R2R (ready to race) Motorrad getrieben wird, verständlich und hat auch seinen Preis. In diesem Kapitel wird anhand einer Motocross-Maschine (450 SX-F) die Herangehensweise bei der Konstruktion, Werkstoff- und Fertigungsauswahl sowie das

6.3 Das „R2R“ Motorrad

Abb. 6.3.1 Beispiel hoher dynamischer Belastung einer Motocross-Maschine (Max Nagl, Höchstädt 2007; Foto: R. Archer).

Entwicklungsergebnis einiger ausgeführter Bauteile erörtert, die Leichtbauanforderungen bei Extremen erfüllen. 6.3.2 Anforderungen und Produkte 6.3.2.1 Motocross Die Motocross Weltmeisterschaft (WM) wird in drei Klassen MX1, MX2 und MX3 gefahren [2]. MX1 mit 2-Takt-Motoren zwischen 175 und 250 cm3 oder 4-TaktMotoren zwischen 290 und 450 cm3 , MX2 mit 2-Takt-Motoren zwischen 100 und 125 cm3 oder 4-Takt-Motoren zwischen 175 und 250 cm3 und MX3 mit 290 bis 500 cm3 2-Takt-Motoren oder 475 bis 650 cm3 4-Takt-Motoren. Die Strecken sind im Freien angelegt und daher der Witterung ausgesetzt. Somit ist mit unterschiedlichen Bedingungen zu rechnen – von staubig bis matschig – was die Einstellungen am Motorrad entscheidend beeinflusst. Die Strecken sind auf einer Länge von 1000–4000 m mit engen Kurven und Sprunghügeln ausgesteckt. Die Abb. 6.3.1 zeigt einen Fahrer bei einem ca. 10 m weiten Sprung. 6.3.2.2 Supercross In den USA wird auf künstlichen Bahnen in Hallen oder Sportstadien Supercross gefahren, das sich hoher Popularität erfreut. Der Ausdruck Supercross wurde 1972

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geboren, nach dem ersten finanziellen Erfolg eines Motocross Rennens in einem Sportstadium in den USA [3]. Es gibt 2 Rennserien, AMA Supercross-East und -West, die unter der American Motorcyclist Association (AMA) [4] abgehalten werden. Die Strecken sind kürzer als im Motocross, jedoch von den Sprüngen her spektakulärer. 6.3.2.3 Enduro und Rallye Die Enduro WM wird ebenfalls in 3 Klassen E1, E2 und E3 gefahren [5]. Dabei geht es in 2-tägigen Rennveranstaltungen um die Dauerhaltbarkeit der Motorräder und um die Ausdauer der Fahrer. Gefahren wird in weitläufigem Gelände mit hohem Schwierigkeitsgrad durch natürliche Hindernisse wie Felsen, Waldstücke, Bäche und so weiter. Enduro und Rallye unterscheiden sich durch die Länge der Strecke und den Austragungsort. So sind die meisten Rallyes im Wüstengebiet, wie zum Beispiel die ehemalige Paris-Dakar [6] oder das weniger bekannte Finke Race [7] zwischen Alice Springs und Finke (230 km) in Australien. 6.3.3 Wichtige Kenngrößen

Die oben beschriebenen unterschiedlichen Einsatzbedingungen ergeben die Anforderungen an das Motorrad. Es ist leicht einzusehen, dass das Fahrzeuggewicht einen entscheidenden Einfluss auf das sogenannte Handling des Motorrads hat. Je leichter, desto besser und zusammen mit der Schwerpunktslage ergibt sich der gesamte Fahreindruck. 6.3.3.1 Motor-Drehmomentkurve und Ansprechverhalten Je nach Einsatz sind Motorcharakteristika zu entwickeln. Im Motocross soll der Motor explosionsartig hochschnellen, hingegen im Enduro ist eine gefühlvolle Gasannahme erforderlich. Dies wird durch die Motorabstimmung und zu einem großen Teil über die Auslegung der Schwungmasse an der Kurbelwelle bewerkstelligt. Dabei ist speziell auf die Minimierung der oszillierenden Massen, Kolben mit Ringen, Bolzen und das obere Drittel der Pleuelstange zu achten. Auch die Drehfreudigkeit mit genügend Abstand zum Drehzahlbegrenzer ist wichtig, da im Renneinsatz gerne voll ausgedreht wird. Der Drehzahlbegrenzer arbeitet mit Abschaltung der Zündung und schützt den Motor „überdreht“ zu werden. Üblicherweise werden 1000 min–1 Motorumdrehungen zum max. Leistungspunkt hinzugegeben. Leistet der Motor beispielsweise 50 PS bei 11 000 min–1 , so sollte der Drehzahlbegrenzer erst bei 12 000 min–1 einsetzen. 6.3.3.2 Lärmbestimmungen Vor den einzelnen Motorsportveranstaltungen wird der Lärm in der Nähe des Auspuffs mit einem definierten, vorgeschalteten Filter (A) gemessen [8]. Der Maßstab hierfür ist der Schall(druck)pegel Dezibel (dB). So besteht zum Beispiel eine


Abb. 6.3.2 Entwicklungsergebnis einer „Upside Down, Closed Cartridge“ Gabel (Foto: H. Mitterbauer).

Lärmgrenze bei Motocrossveranstaltungen von 94 dB(A), die im Stand bei einer Drehzahl von 4500 min–1 Motorumdrehungen (für 250–500 cm3 ) gemessen wird. Zukünftig wir diese Grenze um 2 dB(A) reduziert und bei einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von 14 m/s (aus Drehzahl und Hub berechnet) gemessen. 6.3.3.3 Kupplungsauslegung und Getriebeabstufung Da die Rennfahrer mit sehr hohem Kupplungseinsatz fahren, muss diese so ausgelegt werden, dass zumindest ein professioneller Renneinsatz bestritten werden kann. Das klingt für einen „normalen“ Kunden sehr kurzlebig, entspricht jedoch einem Wartungsintervall von 50 Stunden Hobby-Einsatz. Die Kupplung soll unter diesen Umständen so kompakt, leicht und mit möglichst wenig Massenträgheitsmoment (Optimierung der Schwungmasse) ausgeführt sein. 6.3.3.4 Ungefederte Massen, Fahrwerksdämpfung, Zug- und Druckstufe Unter den ungefederten Massen versteht man das Gewicht der Teile des Rads, die vom Stoßdämpfer abgefedert werden müssen. Es ist leicht einsehbar, dass es diese zu minimieren gilt. Diese Überlegung ist der Hauptbeweggrund für die Einführung der „Upside Down“ Gabel (Abb. 6.3.2), bei der die Gabelfaust, an der die Vorderradlagerung befestigt ist, am Dämpferkolben ansetzt und nicht wie früher am Dämpferzylinder. 6.3.4 Entwicklungsziele

Aus den beschriebenen Einsatzbedingungen heraus und den unterschiedlichen Fahreransprüchen werden die Entwicklungsziele formuliert. Die Streckenbedingungen, die Umweltfaktoren, die Streckenlänge und der Fahrstil des Rennfahrers beeinflussen diese Ziele entscheidend. Ein Beispiel eines schwer befahrbaren Ge-

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Abb. 6.3.3 Beispiel extremer mehrachsiger Belastungen eines Motorrades beim „Erzberg Rodeo“, 2008.

ländes ist in Abb. 6.3.3 dargestellt. Hier ist immer unter dem Aspekt der Haltbarkeit ein Kompromiss zwischen Leistungsgewicht, Ansprechverhalten, Fahrbarkeit, Fahrwerksauslegung, dem sogenannten „Flex“ des Rahmens und der Dämpfung zu finden. 6.3.4.1 Motor-Getriebe Das Lastenheft des Motors nimmt auf die globalen Ziele im Detail Rücksicht. Darin werden Hubraum mit Hub und Bohrung, Motordrehzahl, Zylinderkopf und Ventiltriebskonzept, Leistungsziel und dergleichen definiert. Hier geht man von der Erfahrung aus vergangenen Modellen und der Beobachtung des Marktes aus. Als grundsätzliches Ziel kann immer ein niedriges Motorgewicht genannt werden. Um dies zu erreichen, müssen die oszillierenden Massen möglichst klein gehalten werden. Die oszillierenden Massen setzen sich aus dem Kolben mit Ringen, Kolbenbolzen und Sicherung sowie dem oszillierenden Anteil der Pleuelstange zusammen. Der oszillierende Anteil der Pleuelstange ist das Gewicht, das am kleinen Pleuelauge ruht, der rotierende Anteil das am großen Auge. Üblicherweise werden 100% der rotierenden und 50% der oszillierenden Massen an der Kurbelwelle ausgeglichen. Über eine Massenausgleichswelle erster Ordnung mit Kurbelwellendrehzahl, aber gegenläufig, werden 30% der oszillierenden Massen ausgeglichen. Somit stellt jede Reduktion der oszillierenden Massen einen Mehrfachnutzen für Motorgewicht und Bauraum dar. In diesem Bereich wird ein sehr hoher Entwicklungsaufwand getrieben und auch die Bereitschaft, hier in die Motorkosten zu investieren ist größer. Als Stand der Technik kann man den Aluminium-Schmiedekolben, Stahlband-Kolbenringe und hochfeste Stahl-Kolbenbolzen nennen. Um die geforderten Leistungsziele zu erreichen, muss die Motordrehzahl immer so hoch wie möglich sein. Ein Grenzwert für die Drehzahl ist die mittlere Kolbengeschwindigkeit und ein weiterer die Ventiltriebsbeschleunigungen. Die hier exakt erreichten Werte mit zugehöriger Lebensdauer sind streng gehütete Geheimnisse. Üblicherweise liegt der Grenzwert der mittleren Kolbengeschwindigkeit im Niveau der Formel 1 bei über 25 m/s und die maximalen Ventiltriebsbeschleunigungen bei über 2000 m/s2 .


Das Getriebe wird in seinen Gangabstufungen am Computer ausgelegt, um anschließend in der Fahrerprobung optimiert zu werden. Um auch hier Bauraum und Gewicht zu sparen, werden marktübliche, hochfeste Getriebestähle verwendet. Das Erfolgsgeheimnis liegt dabei in der Wärmebehandlung, da die Einhärtungstiefe der Parameter ist, der zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißwiderstand entscheidet. 6.3.4.2 Rahmen-Fahrwerk Im Bereich Rahmenkonstruktion sehen wir zwei Trends, den Aluminium- oder den Stahl-Rohrrahmen. Bei KTM besteht die Erfahrung, dass ein Rahmen mit gleicher Steifigkeit und Dauerfestigkeit aus Aluminium schwerer ist als aus Stahl. Es werden nahtlose Rohre aus hochfesten CrMo-Stählen von Robotern zu Gitterrohroder Schleifen-Rahmen verschweißt. Die Rohrenden werden mittels Laser dreidimensional geschnitten, um später direkt Rohr an Rohr oder in einem Knoten mit Stahlschmiedeteilen verschweißt zu werden. Das niedrige Gewicht wird zum einen durch die konsequente Auslegung und zum anderen durch präzise Verbindung möglichst geringer Wandstärken mittels Schweißrobotern erreicht. Die Hinterradschwinge wird aus Aluminium gefertigt. Dazu gibt es mehrere Ansätze, von gezogenen Profilen, die mit einem gegossenen Schwingenkasten verschweißt werden, bis zu einteiligen Druckgussschwingen. Der Stoßdämpfer stützt sich entweder direkt in der Schwinge ab oder über eine sogenannte „Linkage“. Als „Linkage“ bezeichnet man eine Hebelübersetzung vom Federbein zur Schwinge, welche den Hub am Federbein reduziert. Im Falle der Direktabstützung nennt man dies auch PDS (Progressive Damping System) Federbein. Die Gabel wird als Upside-Down-Konstruktion in Aluminium-Schmiedegabelbrücken gelagert (Abb. 6.3.2). Die Gabelfäuste werden entweder als AluminiumGussteil oder bei Wettbewerbsfahrzeugen ebenfalls als Schmiedeteil ausgeführt. 6.3.5 Spezielle Ausführungen

Anhand der Motocross-Maschine 450SX-F [9], die ohne Verkleidung in Abb. 6.3.4 dargestellt ist, können einige Details erörtert werden: • ultraleichter 25CrMo4-Rahmen mit optimalem Gewichts-Flexibilitätsverhältnis, • Aluminium-Rahmenheck, • Aluminium-Gussschwinge, • 48 mm Withe Power Up Side Down Gabel, komplett einstellbar mit “closedcartridge“ Technologie, • Withe Power Progressive Damping System Federbein, mit komplett einstellbarer Zug- und Druckstufe sowie High- und Lowspeed Einstellung, Fahrzeugtrockengewicht 104,6 kg.

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Abb. 6.3.4 Motocross-Maschine 450 SX-F ohne Verkleidungen zeigt die zentrale Motoranordnung (Foto: H. Mitterbauer).

Das Motorrad ist für den Einsatz in der MX1-Klasse konzipiert und wird für die Werksfahrer nur minimal verändert. 6.3.5.1 Motor-Kurbeltrieb Der 450SX-F Motor in Abb. 6.3.5 ist ein wassergekühlten 4-Takt-Einzylinder mit 449,3 cm3 Hubraum (Bohrung ~ Hub = Ø97 mm ~ 60,8 mm), mit einer maximalen Leistung von 57 PS bei 9500 min–1 und einem maximalen Drehmoment von 49 Nm bei 7500 min–1 . Er besitzt einen Flachschiebervergaser von Keihin FCR-MX 41 und eine Kokusan-Zündung sowie einen integrierten Elektrostarter. Die 4-Ventil DOHC wird über Schlepphebel angetrieben. Die Kraftübertragung erfolgt über ein 4-Gang-Schaltmuffen-Getriebe. So konnte das Motorgewicht trocken auf 29,9 kg reduziert werden, was einer spezifischen Leistung von 1,9 PS/kg entspricht. Um an diesem Motor die oszillierenden Massen für den Motorsport auf ein Minimum zu reduzieren, wurden an der Pleuelstange, am Kolben und am Kolbenbolzen Materialien höchster Festigkeit und konstruktive Details eingesetzt

Abb. 6.3.5 4-Takt-Einzylindermotor mit 450 cm3 Hubraum mit integriertem Getriebe und Anbauten für das Motocross-Modell 450 SX-F (Foto: H. Mitterbauer).


Abb. 6.3.6 Geschmiedetes Pleuel aus Einsatzstahl, Bolzen aus Gamma-TiAl, geschmiedeter Al-Kolben (Foto: KTM).

(Abb. 6.3.6). Die Pleuelstange wurde als H-Pleuel aus einem hochfesten Einsatzstahl mit Rm = 2100 N/mm2 und RP,0,2 = 1700 N/mm2 ausgelegt. Dieser Werkstoff kann vorgeschmiedet werden und wird zur Verbesserung der Dauerfestigkeit allseitig bearbeitet. Dadurch wird die Oberfläche von Schmiedefehlern befreit und somit durch die geringe Rautiefe die Dauerfestigkeit erhöht. Um die Form mittels Finite Elemente Methode optimieren zu können, mussten mehrere Ermüdungsversuche durchgeführt werden. Dabei konnte man sich mit dem Sicherheitsfaktor an die tatsächliche Ausfallsgrenze bis auf wenige Prozente heranwagen. Ein Einsatzstahl kommt wegen der Nadellagerung des großen Pleuelauges zum Einsatz. Die Lagerfläche wird auf 62 HRC gehärtet, um der Pitting-Bildung durch Verschleiß vorzubeugen. Die oszillierende Masse der Pleuelstange konnte somit von 102 g einer herkömmlichen Ausführung auf nahezu die Hälfte, auf 54 g, reduziert werden. Der Al-Kolben wurde als Kasten im Kasten konstruiert, der durch zwei Rippen parallel zum Kolbenbolzen weiter versteift wird. Diese Rippen stützen den Kolbenboden ab, wodurch dessen Wandstärke verringert werden kann. Um den Kolbenboden über die Kolbenspritzdüsen kühlen zu können, müssen diese Rippen mechanisch bearbeitet werden, da im Schmiedekolben Hinterschnitte nicht möglich sind. Der Kolbenbolzen wird aus Gamma TiAl hergestellt [10]. Hierbei handelt es sich um eine intermetallische Titan-Aluminium-Legierung (siehe Abschnitt 2.1) mit der halben Dichte und etwa 80% des E-Moduls von Stahl, womit sich das Gewicht des Kolbenbolzens von 69 g auf 44 g reduzieren ließ. Gamma TiAl ist jedoch kein guter Reibpartner zum Aluminium des Kolbens, daher wurde eine sogenannte Diamond Like Carbon (DLC) Schicht aufgebracht. DLC-Schichten sind sehr hart, nur 2–3 µm dick und werden in einem physikalischen Beschichtungsverfahren aufgebracht [11]. 6.3.5.2 Vorderrad-Gabel Die Gabel besteht aus dem Gabelholm links und rechts und den beiden Dämpferelementen mit einstellbarer Zug- und Druckstufe. Diese werden in die obere und

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untere Gabelbrücke geklemmt (Abb. 6.3.2). Ebenfalls in die beiden Gabelbrücken geklemmt ist das Gabelschaftrohr. Dieses wird im Lenkkopflager des Rahmens geführt. Es ist aufgrund der Beanspruchung sehr leicht vorstellbar, wie groß die Belastung der beiden Gabelbrücken und des Gabelschaftrohrs ist. Mit heutigen Finite Elemente Model Berechnungen (FEM) ist es möglich die Spannungen in diesen Elementen sehr genau vorherzusagen. Die daraus abgeleiteten Sicherheiten entsprechen den Erfahrungswerten des jeweiligen Materials, Erfahrungen hinsichtlich der Fertigung und der Beanspruchung. Um die Lastannahmen für die Berechnung möglichst gut abschätzen zu können, werden über Dehnmessstreifen Dehnungen gemessen und im elastischen Bereich auf die Belastung zurückgerechnet. Da das Vorderrad und die Lenkung mit deren Befestigung eindeutig Sicherheitsbauteile darstellen, muss die Ausfallswahrscheinlichkeit nahezu null sein. Mit dieser Forderung wird die Gewichtsoptimierung um den Aufwand einer ausreichend breiten Statistik komplizierter und aufwändiger. Die Statistik kommt in erster Linie von ausreichender Felderprobung und natürlich auch aus Komponententests und Renneinsätzen. Anhand des Ersatzteilkataloges [12] ist der Aufbau einer Gabel mit der Verbindung zum Vorderrad und zum Lenker in der Vielzahl der Einzelteile beeindruckend. Die Gabelbrücken werden aus Aluminium geschmiedet und zum Teil bearbeitet. Das Gabelschaftrohr wird aus vollständig bearbeitetem Aluminium-Strangpressprofil hergestellt. Der Lenker wird aus hochdruckumgeformten Aluminiumrohren und die Lenkeraufnahme aus geschmiedetem Aluminium hergestellt. Zur Gewichtsreduktion werden diese Teile weitestgehend bearbeitet, um die Schmiedetoleranzen zu umgehen. Das aus Stahl gefertigte Tauchrohr wurde von einer Wandstärke von 1,4 auf 1,0 mm reduziert. Dies stellt weniger eine Herausforderung an das Material als an das Fertigungsverfahren dar. Die Rundheit des Tauchrohrs im Betrieb ist ein Maß für die Dichtheit der Gabel. Im Inneren der Gabel wurden die Druckfedern weiter optimiert. Dabei kommt es auf eine möglichst konstante Wärmebehandlung in der Serienfertigung an, da die Streuung in der Wärmebehandlung der Feder eine Streuung in der Dauerfestigkeit bewirkt und die Steigung der Feder-Kennlinie davon abhängt. Das Vorderrad, bestehend aus Achse, Nabe und Felge, verbunden durch die Speichen: Diese Einheit konnte im Gewicht ebenfalls reduziert werden. Die Nabe wird aus Aluminium geschmiedet und bearbeitet, die Speichen werden aus hochfestem, gezogenen Stahldraht hergestellt und die Felge aus gezogenen Alu-Profilen gerollt. All diese Maßnahmen haben 400 g Gewichtserleichterung der ungedämpften Massen gegenüber dem Vorgängermodell ergeben. 6.3.5.3 Federbein-Schwinge Das PDS (Progressive Damping System) Federbein hat sich gegenüber der sogenannten Linkage als günstiger erwiesen. Die technische Begründung liegt wiederum im Gewicht, so würde eine Schwinge mit Linkage und dem dann zwar kleineren Federbein immer noch 1000–1500 g mehr wiegen.


Die Schwinge selbst ist einteilig aus Aluminium-Kokillenguss. Die Herausforderung in der Entwicklung einer solchen Schwinge liegt im Gieß- und Auslagerungsprozess. Die Schwinge wurde ebenfalls im Vorfeld mittels FEM wandstärkenoptimiert. Das PDS-Federbein mit angegossenem Reservoir und Aluminiumgehäuse wird zur Gewichtserleichterung und zur Kompensation der Guss-Toleranzen weitgehend bearbeitet. Für die Druckfeder gilt dasselbe wie für die Gabel. Zahlreiche Einzelteile [12] sind für die Federung und Dämpfung erforderlich. Auch hier konnte Gewicht über Verringerung der Serienstreuung gespart werden. 6.3.6 Entwicklungsbedarf und Ausblick

Die derzeitig zur Gewichtsreduktion verwendeten Materialien sind bis auf einige wenige Ausnahmen, wie der Kolbenbolzen, handelsübliche Ware. Durch Ausnutzung deren Kennwerte mit ständig reduzierten rechnerischen Sicherheitszugaben werden die Entwicklungsschritte immer kleiner. Der Fortschritt im Bereich von Hybrid-Materialien, Titan-Aluminium-Legierungen sowie der Fertigungstechnologien und Oberflächenbeschichtungen treibt die Evolution voran. Der Sporteinsatz war immer die Basis für „anspruchsvolle Serienumsetzung“ [13].

Literaturnachweis 1 KTM home page, www.ktm.at. 2 Home page zu motocross www. motocrossmx1.com. 3 supercross Beschreibung, www. supercross.com; http://de.wikipedia.org/ wiki/motocross. 4 AMA home page, www.ama-cycle.com. 5 Enduro, www.fim.ch/en/default.asp. 6 Paris-Dakar, www.dakar.com. 7 Finke, www.finkedesertrace.com.au. 8 http://www.code-knacker.de/dba.htm. 9 Prospekt 450SX-F, www.ktm.at/ 450-SX-F.100743.1.html.

10 Dietrich, M. (Hrsg) (2004) Tian-AluminidLegierungen – ein Werkstoff mit Zukunft, FZ Jülich. 11 http://en.wikipedia.org/wiki/ Diamond-like_carbon. 12 Ersatzteilkatalog beim KTM Händler erhältlich. 13 Wessel, J.K. (Hrsg) (2004) The Handbook of Advanced Materials Enabling New Designs, John Wiley & Sons, Ltd, Hoboken.

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6.4 Faserverstärkte Polymere im Flugzeugbau Wolfgang Billinger Kurzfassung

Nachdem in Abschnitt 2.2 die Polymermatrix-Verbundwerkstoffe und in Abschnitt 4.1 die Methoden der Bauteilfertigung mit dieser Werkstoffgruppe beschrieben worden sind, werden nun an realisierten Flugzeugteilen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten mit ihren Vor- und Nachteilen aufgezeigt. Eine Übersicht der wichtigsten im Flugzeugbau eingesetzten Composite-Teile beweist, dass nicht nur strukturelle Komponenten, sondern auch Bauteile für die Triebwerke und für den Flugzeuginnenraum aus Composite-Werkstoffen gefertigt werden. Am Beispiel des Airbus A380 wird erklärt, dass für jedes Bauteil die Wahl der besten Werkstoffkombination, aber vor allem der optimalen Produktionsmethode für die Wirtschaftlichkeit der Fertigung von Composite-Bauteilen entscheidend ist. 6.4.1 Einleitung

Im Bereich des Flugzeugbaus steigt der Composite-Anteil kontinuierlich. Anhand der „Global Player“ Airbus [1] und Boeing [2] wird die Entwicklung des Einsatzes von faserverstärkten Kunststoffen aufgezeigt. In den Flugzeugen, die in den Jahren 1980–1990 entwickelt wurden, wurden typischerweise 5–6% Composites eingesetzt. Folgende Typen fallen in diesen Zeitraum: Airbus A310, Boeing B757 und B767. Um 1990 erreichte Airbus mit der Entwicklung des A320 einen CompositeAnteil von 10–15%. Dieser Level wurde für die Entwicklungen bis 2000 beibehalten. In diese Zeit fallen die Inbetriebnahme der Boeing B777 und des Airbus A340. Mit dem Bau des A340-500/600 wurde der Anteil noch einmal gesteigert, blieb jedoch unter 20%. Für den Airbus A380, der 2007 den Linienbetrieb aufnahm, werden rund 23% Composite-Material verwendet. Den bisher höchsten CompositeAnteil bei Airbus erreicht der Militärtransporter A400M [3] mit 39%. Der Erstflug für diese Turboprop-Maschine wird 2009 erfolgen. Dieses Flugzeug besitzt bereits einen Composite-Flügel. Boeing machte mit der Planung und der Entwicklung der B787 einen extremen Sprung, indem nicht nur der Flügel, sondern auch der Rumpf aus CFK gebaut wird. Der CFK- und GFK-Anteil am Strukturgewicht beträgt hier rund 50%. Airbus plant mit der A350 seinen Weg der kontinuierlichen Steigerung beizubehalten und wird wohl etwas weniger Composite-Teile einsetzen als Boeing in ihrer aktuellen Entwicklung. Typische Bauteile, die in Composite-Werkstoffen gefertigt werden, sind in Abb. 6.4.1 dargestellt. Die faserverstärkten Bauteilgruppen in Flugzeugen werden in folgende Bereiche gegliedert: • strukturelle Komponenten, • Triebwerkskomponenten, • Innenraumkomponenten.

6.4 Faserverstärkte Polymere im Flugzeugbau

Abb. 6.4.1 Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen im Flugzeug.

Wie bereits in Abschnitt 4.1 angemerkt, wird für einen Großteil der Bauteile die Prepreg-Technologie verwendet. Für die Zukunft ist aber sehr wohl entscheidend, dass die optimale Technologie für die richtigen Komponenten verwendet wird. Am Beispiel des A380 wird dieser Punkt speziell aufgezeigt. 6.4.2 Strukturelle Komponenten

Die strukturellen Komponenten sollen hier in Verkleidungen, aerodynamische Klappen und Flügel und in tragende Rumpfkomponenten unterteilt werden. Für alle drei Gruppen sind unterschiedliche Anforderungen gegeben, die im Folgenden diskutiert werden. Es werden entweder Sandwich-Konstruktionen oder solide Laminate mit Versteifungen eingesetzt. Oft werden Honigwaben auch nur lokal zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Verhinderung des Beulens genutzt (siehe Abschnitt 1.2). Bei allen Sandwich-Bauteilen ist die Dichtheit besonders wichtig. Aus diesem Grund werden die fertigen Bauteile einem Dichtheitstest unterzogen. In der Praxis werden sie in heißes Wasser getaucht. Steigen keine Blasen auf, ist das Bauteil dicht, steigen Blasen durch Ausdehnung der Luft im Sandwichinneren auf, muss das Bauteil repariert werden. Die Airlines beklagen aber, dass oft im Betrieb Undichtheiten auftreten, die –wenn sie zu spät erkannt werden – zu einer vollkommenen Zerstörung des Bauteils führen. Im Reiseflug tritt Unterdruck bei rund –50 °C auf.

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Während des Sinkflugs saugt das Bauteil Luft an. Ist das Loch sehr klein, vergeht einige Zeit, bis der Druckausgleich abgeschlossen ist. Dadurch wird feuchte Luft aus tieferen Luftschichten angesaugt, die im Inneren des kalten Sandwich-Bauteils kondensiert. Bei einem weiteren Flug gefrieren die Flüssigkeitstropfen, bevor sie durch den Unterdruck verdunsten. Wiederholt sich dieses Szenario, kann sich das Teil soweit mit Wasser füllen, bis ein totaler Frostschaden auftritt. Aus diesem Grund favorisieren die Airlines solide Laminate mit Versteifungen gegenüber Sandwichstrukturen. 6.4.2.1 Verkleidungen Verkleidungen haben grundsätzlich die Aufgabe, verschiedene Komponenten aerodynamisch günstig abzudecken. Die Anforderungen an die Bauteile sind nicht nur durch die Lasten gegeben, sondern auch die erlaubten Verformungswerte sind exakt definiert, um die Aerodynamik des Gesamtflugzeugs nicht negativ zu beeinflussen. Zu nennen sind hier die Bauchverkleidung (Wing to Body Fairing/Belly Fairing). In Abb. 6.4.2 ist eine derartige Bauchverkleidung für die Challenger 300 von Bombardier gezeigt. Die Besonderheit dieser Verkleidung ist, dass verschiedene Systeme daran montiert sind, beispielsweise die Leitungen für die Enteisung der Flügelvorderkanten. Um im Falle einer Dekompression Schädigungen zu vermeiden, sind sogenannte Dekompressionsklappen eingebaut, die bei einem definierten Druckunterschied öffnen und den Druck ausgleichen. Alle Komponenten sind aus CFK gefertigt. Nomex-Waben versteifen die Struktur, sodass die Verformungen klein gehalten werden können. Im vorderen Bereich sind die Scheinwerfer integriert. Tank- und Wasseröffnungen sowie die Batterietür und diverse Leuchten sind ebenfalls an der Verkleidung befestigt. Eine typische Verkleidung stellen auch die Landeklappenträgerverkleidungen (Flap Track Faings, FTFs) dar. Sie befinden sich an der Unterseite der Tragfläche und können auch als Gelenksverkleidung (Flap Hinge Fairings, FHFs) ausgeführt sein. FHFs sind zum Beispiel an der Boeing MD11 verwendet. FTFs verwenden alle Airbus Flugzeuge (Abb. 6.4.3).

Abb. 6.4.2 Bauchverkleidung Bombardier Challenger 300: A = Dekompressionsklappen, B = Service-Türen (Treibstoff, Wasser, Abwasser, Batterien), C = Landescheinwerfer.


Abb. 6.4.3 Landeklappenträgerverkleidung – Flap Track Fairings am A380.

Abb. 6.4.4 Staulufteinlass A320.

Diese Teile bestehen jeweils aus einem Vorderteil, der am Flügel montiert ist und einem hinteren Teil, der sich mit der Landeklappe nach hinten bewegt. Ein Schlussstück schließt die Verkleidungen nach hinten ab. Als Material werden auch hier CFK mit Epoxidmatrix in Verbindung mit Nomex-Waben verwendet. Auch bei A380 FTFs sind Systeme integriert. Zum Beispiel befindet sich der Treibstoffauslass im hinteren Teil einer Verkleidung. Spezielle Einlässe führen die Luft zu einem Ölkühler und schließlich wieder zu aerodynamisch geformten Auslässen. Ein wichtiges System befindet sich im Fairing 2, die sogenannte Ram Air Turbine (RAT). Dieses Aggregat wird im äußersten Notfall ausgeklappt, um durch den Fahrtwind eine Turbine anzutreiben, die Energie für den Antrieb der Flugsteuerungselemente liefert, wenn alle anderen Triebwerke ausgefallen sind. SandwichTüren müssen bei Aktivierung blitzschnell öffnen, um eine Beschädigung am herausklappenden RAT zu vermeiden. Im Bereich des Flugzeugbauchs befindet sich auch der Staulufteinlass. Dieses Bauteil ist aus GFK mit Epoxidharz wiederum in Verbindung mit Nomex-Waben gefertigt. Mit diesen Öffnungen wird die Luft der Umgebung entnommen, die für die Passagiere in der Kabine notwendig ist (Abb. 6.4.4). Ein wichtiger Composite-Verkleidungsteil befindet sich an der Flugzeugnase – das Nose Radome. Dieses Bauteil darf keine Metalle enthalten, da es möglichst

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Abb. 6.4.5 B737 Nose Radome nach einem Hagelschauer im Landeanflug.

durchgängig für das dahinterliegende Wetterradar sein muss. Es wird aus glasoder aramidfaserverstärkten Sandwich-Konstruktionen gefertigt. Eine Besonderheit stellt dabei die Wabe für die Spitze dar, da sie doppelt gekrümmt werden muss. Eine Wabe, die diese Eigenschaften erfüllt, ist z. B. der Flex Core (dies ist ein Markenname der Firma HEXCEL). Das Nose Radome ist in Abb. 6.4.5 gezeigt. Allerdings handelt es sich hier um eine durch Hagel beschädigte Flugzeugnase. Die dünne Sandwichstruktur ist für den Luftdruck beim Reiseflug, nicht aber für massiven Hagelbeschuss ausgelegt. Zu den Verkleidungen zählen auch die großen Türen, wie die Hauptlandefahrwerkstüren (Main Landing Gear Doors), die Frontfahrwerkstüren (Nose Landing Gear Doors), die Nebentriebwerkstüren (Auxiliary Power Unit, APU) und die Frachttüren. Auch diese werden oft aus CFK gebaut. Gerade bei den Türen, die im Flug öffnen, muss mit einer erheblichen Belastung gerechnet werden. 6.4.2.2 Aerodynamische Klappen und Flügel Am Flugzeugflügel sind verschiedene aerodynamische Klappen, wie zum Beispiel die Spoiler, angebracht. Sie dienen einerseits zur Verhinderung des Auftriebs, wenn sie kurz nach der Landung aktiviert werden. Während des Flugs können sie auch als Steuerflächen eingesetzt werden. Diese Spoiler sind meist Sandwich-Konstruktionen, da mit dieser Konstruktion das niedrigste Gewicht bei größtmöglicher Steifigkeit realisiert werden kann. Eine Besonderheit des in Abb. 6.4.6 gezeigten Spoilers ist der im RTM-Verfahren hergestellte Beschlag. Gegenüber einem Composite-Spoiler mit Aluminium-Beschlag konnte hier eine Gewichtsreduktion von 20% realisiert werden. Etwas weiter außen am Flügel sitzen die Ailerons, die zum Steuern eingesetzt werden. Die Flügelhinterkante bilden die beweglichen Landeklappen, deren Häute meist durch Rippen versteift sind. Die Verbindung dieser beiden Komponenten erfolgt mit Pass-Schraub-Nieten, sogenannten HI-LOKs. Einzelne Flugzeughersteller konstruierten die Rippen aus CFK mit thermoplastischer Matrix, die mit Um-


Abb. 6.4.6 A340 Spoiler mit RTM-Beschlag.

Abb. 6.4.7 CFK-Rippen mit thermoplastischer Matrix am Beispiel der DO328 Landeklappe.

formverfahren hergestellt werden. Als Beispiel kann hier die leider nicht mehr gebaute DO328 genannt werden. In Abb. 6.4.7 ist diese Konstruktion gezeigt. An der Flügelvorderseite sind ebenfalls bewegliche Teile – der Vorflügel oder Slat – die wie die Landeklappen zur Vergrößerung der Flügelfläche im Langsamflug dienen. Meist werden sie wegen der hohen Impact-Anforderungen aus Metall gefertigt. Im A340-500/600 wurde erstmals der nicht bewegliche, innere Teil der Flügelvorderkante aus glasfaserverstärktem Thermoplast gefertigt. Modernste Fügeverfahren (siehe Abschnitt 4.1), wie das Widerstandsschweißen, werden zur Verbindung der Rippen und der Hautteile eingesetzt. Eine ähnliche Konstruktion wird auch im A380 bei der Flügelvorderkante eingesetzt. Wie bereits erwähnt wird die bewegliche Flügelvorderkante meist aus Aluminium gefertigt, die dahinter befindlichen Teile (Fixed Leading Edge) sind jedoch aus glasfaserverstärktem Epoxid hergestellt. In die Gruppe der aerodynamischen Klappen und Flügel fallen auch das Seitenleitwerk und das Höhenleitwerk. Bei allen Airbus-Flugzeugen wurde und wird das Seitenleitwerk aus faserverstärktem Epoxidmaterial gefertigt. Am Beispiel der Be-

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festigungslasche für die A320 Seitenleitwerks-Familie wird in [1] die Automatisierbarkeit gezeigt. Die Teile werden in einem RTM-Prozess gefertigt. Der Aufwand an Formen und Anlagen wird durch eine ausreichende Stückzahl wirtschaftlich. Auch bei diesen Bauteilen ist der Injektions- und Aushärtezyklus durch die in der Luftfahrt typischen thermisch reaktiven Materialien sehr lang. Auch die Höhenleitwerke (Horizontal Stabilizer) und die Höhenruder (Elevator) werden aus faserverstärktem Epoxidmaterial gefertigt. Die Höhenleitwerk-Lagerelemente für den A340-500/600 werden ebenfalls im RTM-Verfahren hergestellt. Dieses Bauteil ist rund einen Meter lang und besitzt Wandstärken von mehreren Zentimetern. Die am Flugzeug sichtbare Höhenleitwerksstruktur wird aus Prepreg und aus Laminaten gefertigt, die mit Tape-Legemaschinen positioniert werden. Die Rippen, Häute und Beschläge werden mit Titan-Schraubnieten verbunden. Vertikal ausgerichtete Winglets an den Flügelspitzen werden zur Verringerung des Luftwiderstands eingesetzt. Am Beispiel der Boeing B737 konnte gezeigt werden, dass der induzierte Widerstand durch Verwendung der Winglets, die auch nachgerüstet werden können, um 4% sinkt. Diese Winglets bestehen aus Rippen und durch Honigwaben lokal versteiften Häuten, die aus Prepreg im Handlegeverfahren hergestellt werden. Ein Metallbeschlag stellt das Verbindungselement zur Flügelstruktur her. Der Boeing Dreamliner B787 ist das erste große Passagierflugzeug mit einer Composite-Tragfläche. Die Flügelstruktur wird in Japan vorgefertigt und anschließend mit einer umgebauten B747 zur Endmontage nach Everett geflogen. Die Fertigung dieser Strukturteile erfordert eine Menge an speziellen Produktionsmaschinen. Die Flügelhäute werden mit riesigen Tape-Legemaschinen gefertigt, die bis zu 300 mm breites Rohmaterial verarbeiten. In einem Autoklav mit 8 m Durchmesser und 40 m Länge werden sie in einem Schuss gehärtet. Wie bereits in Abschnitt 4.1 beschrieben, wird Stickstoff zur Vermeidung eines Autoklavenbrands verwendet. Die Stringer werden separat gefertigt, wobei diese die exakte Kontur des Flügels vorgeben. In einem Co-Bonding Prozess werden Häute und Stringer verklebt. Die Flügelhäute werden mit Rippen und Längsträgern verschraubt. Die Montage des Flügelkastens könnte als „Black Metal Design“ bezeichnet werden. 6.4.2.3 Tragende Rumpfkomponenten Im Airbus A380 wird im Rumpfbereich die sogenannte Center Wing Box, das Verbindungselement der beiden Flügel in RTM gefertigt. Für dieses Bauteil treffen die Voraussetzungen für eine RTM-Struktur sehr gut zu, da es sich um eine dickwandige, dreidimensionale Struktur handelt. Auch für die Zwischendecke im Airbus A380 werden CFK-I-Träger verwendet. Im A340 wird auch der Keel Beam, eine Längsversteifung an der Unterseite des Rumpfs, aus Composite-Werkstoffen gefertigt. Der Keel Beam muss die Lasten umleiten, die durch die großen Rumpföffnungen an der Unterseite des Flugzeugs entstehen. Zusätzlich zu den bereits genannten Bauteilen wird auch die Druckkalotte (Aft Pressure Bulkhead) im Airbus A340 und A380 aus CFK gefertigt. Das trockene Gelege wird zugeschnitten, durch Nähen vorkonfektioniert und in einem Resin Film Infusion Prozess (siehe Abschnitt 4.1) gefertigt.


Die Druckkalotte der Boeing B787 wird mit einem Harzinfusionsverfahren (Vacuum Assisted Process, VAP [4]) in Augsburg gefertigt. Eine neue Herausforderung stellt die Produktion des CFK-Rumpfe der Boeing B787 dar. Die einzelnen Rumpfsegmente werden in einem Wickelverfahren hergestellt. Tape Lege Roboter platzieren das Rohmaterial auf einem rotierenden Werkzeug. In einem Autoklav wird jeweils eine komplette Sektion gehärtet. Einzelne Rumpfsegmente werden in Amerika, Italien, Japan und Südkorea gefertigt. Die Endmontage erfolgt in Everett, das in der Nähe von Seattle liegt. Die einzelnen Segmente werden mit neu entwickelten Schraubnieten aus Titan montiert. Natürlich sind auch die Längs- und Umfangssteifen und auch die Fensterrahmen aus Composite-Werkstoffen gefertigt. 6.4.3 Triebwerkskomponenten

Im Triebwerksbau werden faserverstärkte Kunststoffe vor allem im Bereich des Kaltluftstroms eingesetzt. Im Lufteinlass des Triebwerks werden die glasfaserverstärkten Nose Cones verwendet (Abb. 6.4.8). Die Verkleidungen am Triebwerk außen sind üblicherweise aus CFK gefertigt. Im inneren Teil des Triebwerks sind die Verkleidungen mit kleinen Bohrungen versehen, die in Verbindung mit einer Sandwichstruktur der Schalldämmung dienen. So sind am Outer Bypass Duct (Abb. 6.4.8) mehr als 100 000 derartiger Löcher gebohrt. Die Schubumkehrelemente sind ebenfalls aus faserverstärkten Materialien gefertigt. In Abb. 6.4.9 ist die Schubumkehreinheit der Boeing B787 gezeigt. Deutlich sind die Schubumkehrtüren (Blocker Doors) zu sehen, die den Luftstrom seitlich ablenken können und somit der Umkehrschub erzeugt wird, der zum Bremsen nach der Landung benötigt wird. Bei den Triebwerksteilen dürfen die Epoxy-Materialien Temperaturen von rund 120 °C erreichen. Für höhere Temperaturen müssen Bismaleimid (BMI)-Harze eingesetzt werden. Für den Einsatz im Triebwerksbereich ist die Unterdrückung des Entflammens des Composites sehr wichtig. Bei Brenntests wird mit einem 6-Zoll-Kerosin-Brenner der Probekör-

Abb. 6.4.8 (a) Nose Cones und (b) Outer Bypass Duct (BR710).

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Abb. 6.4.9 Schubumkehreinheit Boeing B787, A Blocker Doors.

per mit über 1000 °C mehrere Minuten beaufschlagt. Dabei ist zu beobachten, dass einzelne Schichten als Flammbarriere für die dahinter liegenden Lagen dienen. Somit kann ein Durchbrennen vermieden werden. Der Triebwerkskern mit den relativ hohen Temperaturen bleibt den metallischen Werkstoffen vorbehalten. 6.4.4 Innenraumkomponenten

Für die Innenraumkomponenten werden meist GFK mit Phenolharzen verwendet. In Kombination mit Nomex-Waben ergibt sich eine extrem leichte, aber auch steife Struktur. Phenolharze werden eingesetzt, da sie die hohen Anforderungen an den Brandschutz, aber auch bezüglich Rauchgasentwicklung und Giftigkeit erfüllen (Fire Smoke Toxicity, FST-Requirements). Die Deckenplatten (Ceiling Panels), die seitlichen Verkleidungen (Side Wall Panels) und die Handgepäcksablagen (Overhead Stowage Compartments) sind so gefertigt. Die Handgepäcksablagen müssen dabei Lasten der neunfachen Erdbeschleunigung (9 G) aufnehmen können. Jedem Fluggast sei jedoch graten, keine allzu schweren Koffer in diese Fächer zu laden und den Anweisungen der Crew Folge zu leisten, schweres Gepäck unter dem Sitz zu verstauen. Nur so kann man sich und die anderen Fluggäste auch in kritischen Flugsituationen schützen. Die Side Wall und Ceiling Panels sind einerseits dekorative Verkleidungen, müssen aber auch einer möglichen Dekompressionslast standhalten. Viele Verkleidungen an den Türen, im Cockpit und im Eingangsbereich sind ebenfalls Sandwich-Bauteile, in die oft Beleuchtungen, Lautsprecher oder Belüftungen integriert sind. Auch der Fußboden ist aus GFK- oder CFK-Sandwich-Platten gefertigt. Eine besondere Rolle spielen die Innenraumkomponenten in Business Jets. Die Composite-Teile sind hier oft mit Leder oder sogar mit Wurzelholzfurnier verkleidet. Besonders aufwändig gestalten sich hier die Flammtests, die für jede Innenraumausstattung durchgeführt werden müssen. In Abb. 6.4.10 ist der Innenraum eines Lear Jet 40 gezeigt.


Abb. 6.4.10 Innenraum Business Jet Lear Jet 40.

Als kompetenter Partner sind nicht nur die Composite-Bauteile im Lieferprogramm, sondern auch zum Beispiel die elektrischen Küchengeräte. Bei Innenraumbauteilen ist die Konfiguration für die einzelnen Kunden sehr aufwändig, da praktisch jedes Flugzeug verschieden eingerichtet wird. 6.4.5 Zusammenfassung und Ausblick

Wie bereits in Abschnitt 4.1 gesagt, erfreuen sich faserverstärkte Kunststoffbauteile auch im Flugzeugbau immer größerer Beliebtheit. Der Anteil an der Gesamtmasse stieg in den letzten Jahrzehnten rasant an und ist derzeit bei rund 50% des Strukturgewichts angelangt. Für den wirtschaftlichen Einsatz ist es besonders wichtig, die richtige Verarbeitungsmethode und die optimale Materialkombination zu wählen. Am Beispiel des A380 sei dies noch einmal gezeigt (Abb. 6.4.11). Der größte Anteil an faserverstärkten Kunststoffen wird nach wie vor als Prepreg oder Tape verarbeitet. Dabei wird mit den Tape-Legemaschinen der notwendige Automatisierungsgrad erreicht. Zu nennen sind hier das Seitenleitwerk (Vertikal Tail Plane) und das Höhenruder (Horizontal Tail Plane), die beweglichen Teile an der Tragfläche (Spoiler, Ailerons und Flaps), aber auch die Verkleidungsteile (Flap Track Fairings am Flügel) oder die Sektionen 19 und 19.1. Für ausgewählte Komponenten werden Spezialverfahren eingesetzt. So werden komplexe, dicke 3D-Bauteile im RTM-Verfahren hergestellt. Zu nennen sind hier diverse Beschläge und die komplette Center Wing Box. Im Infusionsverfahren wird die Druckkalotte (Rear Pressure Bulkhead) hergestellt. Aus thermoplastischem Material ist zum Beispiel die J-Nose gefertigt. Der höchste Anteil an faserverstärkten Kunststoffen in einem Flugzeug dürfte für die nächsten Jahrzehnte mit der Boeing B787 erreicht sein. Airbus wird mit seiner Neuentwicklung A350 unter 50% Strukturgewicht bleiben. Die Strategie dort Composites einzusetzen, wo nicht nur Gewicht

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Abb. 6.4.11 Airbus A380 Composite-Komponenten.

gespart werden kann, sondern auch die Wirtschaftlichkeit dafür spricht, macht Sinn. Die Aspekte der Wartbarkeit und die Zufriedenheit der Kunden mit so vielen Composite-Teilen im Flugzeug wird in Zukunft auch maßgeblich über ihre weitere Verwendung entscheiden.

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich der FACC AG für das zur Verfügung gestellte Bildmaterial sehr herzlich danken.

Literaturnachweis 1 2 3 4

www.airbus.com. www.boeing.com. www.airbusmilitary.com. Bieger, J. (2008) Pressure Bulkhead of the Boeing 787. JEC Composites Magazine, 41, 61.

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7 Innovation und Innovationsmanagement Adolf Stepan and Beate Edl

Kurzfassung

Seit den Arbeiten von Schumpeter über das Phänomen Innovation, ist das Interesse an Innovationen, dem damit einhergehenden Innovationsprozess und den Möglichkeiten diesen zu managen stetig gestiegen. Erfolgreiches Innovieren kann auf verschiedenste Weise stattfinden: Was wird innoviert – Produkte vs. Prozesse? Woher kommt der Anstoß zur Innovation – supply-push vs. demand-pull? Handelt es sich um eine radikale oder eine inkrementelle Innovation? Im folgenden Kapitel soll die Entwicklung von Innovation im Kontext der Selektionsumgebung – dem Umfeld in der sich die Innovation entwickelt – besprochen werden. Des Weiteren wie sich verschiedene Anreizsysteme (Förderungen, Patente) auf die Innovationsfähigkeit von Unternehmungen auswirken sowie die Betrachtung von Innovationen in Bezug auf ihre Wirtschaftlichkeit. Wie eine Innovation am Markt reüssiert, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einige methodische Hinweise, die beim Managen von Innovationen zur Anwendung gelangen und für eine rasche Diffusion förderlich sind, wie Produktlebenszyklus, ConjointAnalysen, Lernkurven etc. werden erläutert. Letztendlich findet Innovation aber immer in der Praxis statt – learning by doing kann durch nichts ersetzt werden, aber effizienter verlaufen, wenn man Hintergründe kennt und sich die Erfahrung Dritter, die in Theorie und Fallstudien enthalten ist, zu nutzen weiß.

7.1 Innovation

Für die effektive Gestaltung des Innovationsprozesses ist ein tieferes Verständnis zentraler Phänomene des Prozesses erforderlich. Nur so erkennt man, was und wie etwas managebar ist, wo Führung eingreifen kann und wie hoch der zu erwartende Aufwand für eine Innovation ist. Entscheidend ist, woher das auslösende Signal für eine Innovation kommt – von Ergebnissen der Grundlagenforschung, die nur eine kleine Gruppe von Spezialisten kennt und versteht, bis zu Forderun-


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7 Innovation und Innovationsmanagement

gen vom Markt für längst fällige Verbesserungen, reicht hier die Palette. Innovationen im Leichtbau werden einerseits vom Marktbedarf (Verminderung der Betriebsenergie), andererseits von gesellschaftlichen Gesichtspunkten (Ökologie, Energieverbrauch) stimuliert, treten aber auch als technology-push durch neue Werkstoffe, neue Herstellungsverfahren und neue Konstruktionsmöglichkeiten auf. Von großer Relevanz ist weiter, wie die Umgebung, die die Innovation aufnehmen und befördern soll – die Selektionsumgebung – aussieht, gestaltet und mit für die Diffusion der Innovation maßgeblichen Informationen versorgt werden kann. Innovation als Managementaufgabe ist ein relativ junges Forschungsgebiet, das sich aus der Innovationstheorie herausgebildet hat und dessen moderner Ursprung mit dem von Schumpeter entworfenen Entrepreneurship-Paradigma beginnt [1, 2]. In Anlehnung an dieses Paradigma verstehen wir auch heute unter Innovation eine bisher noch nie da gewesene qualitative und/oder quantitative Kombination von Inputfaktoren, die neue und verbesserte Wertschöpfungsmöglichkeiten für die Wirtschaft bietet und sich letztlich aus dem Umsatzprozess 1) vollständig finanzieren muss [3]. Innovieren ist heute eine conditio sine qua non für die Wirtschaft und dementsprechend ist in Analogie zur „Sorgfalt des ordentlichen Kaufmannes“ von einer Verantwortung des Managements für den Innovationsprozess zu sprechen. Abschnitt 7.1 geht daher auf das Innovationsparadigma und auf die unterschiedlichen Rahmenbedingungen ein. In Abschnitt 7.2 werden Faktoren, die für ein erfolgreiches Innovieren in Unternehmen wichtig sind, besprochen. Typen von Innovationen und die Selektionsumgebung werden in Abschnitt 7.3 dargestellt und diskutiert und in Abschnitt 7.4 werden schließlich methodische Ansätze zur Bewertung von Innovationen und zur Gestaltung des Innovationsmanagements aufgezeigt. 7.1.1 Innovation und Verantwortung für Innovationen als zentrale Managementaufgabe

Mit den bahnbrechenden Arbeiten von Schumpeter über den dynamischen Charakter der Wirtschaft hat die Jagd nach dem Erfolgsindikator Nummer 1, der erfolgreichen Innovation, bewusst begonnen. Dabei mutet es wie ein Widerspruch in sich an, wenn man versucht Kreativität zu zähmen und nachzuvollziehen, wie Schumpeter den Innovator sieht. Er ist nicht notwendigerweise der Erfinder oder der Eigentümer einer Unternehmung, aber ein unruhiger Geist, der immer nach Verbesserungen Ausschau hält, neue Faktorenkombinationen, neue Anwendungen und neue Märkte sucht, Freude am Umsetzen von Ideen, am Gestalten und am Lösen von Problemen hat und paradoxerweise nicht in erster Linie am Profit interessiert ist. Mit anderen Worten ist er ein Entrepreneur, der durch konstruktive Destruktion (creative destruction) [4] zum Erfolg kommt. Mit dieser mystischen Beschreibung kann man natürlich keine dynamische Wirtschaftstheorie begrün1) Umsatzprozess ist hier sehr weit zu verstehen, wenn Innovationen im Bereich der staatlich gemanagten Infrastruktur betrachtet

werden (z. B. im Gesundheitswesen, wo Innovationen über regulierte Tarife und Steuern finanziert werden).

7.1 Innovation

den, geschweige denn daran denken, managebare Innovationsprozesse zu gestalten. Schumpeter ist jedoch auch der Erste, der Gestaltungsempfehlungen für den Innovationsprozess in Form von Suchfeldern und Rahmenbedingungen angibt, die bis heute die Sprache, in der über Innovation gesprochen wird, geprägt haben. Er ist außerdem der Erste, der sehr deutlich klar macht, dass die Finanzierung aus Eigenkapital künftig unzureichend sein wird und dass auch das Bankensystem gefordert ist, mit Krediten einen Beitrag zur Finanzierung des Innovationsprozesses zu leisten. Damit hat Schumpeter die Innovation und den Unternehmer – den Entrepreneur – zweifach vom Eigentümerdenken gelöst. Erstens können auch Manager Entrepreneure und damit Innovatoren sein und zweitens ist die Finanzierung nicht mehr an Eigenkapital gebunden, sondern umfasst zwangsläufig auch Fremdkapital [5] und heute auch staatliche Förderungen. Die Verantwortung für den Innovationsprozess wurde ursprünglich individuell und nicht systematisch wahrgenommen; heute übernimmt auch der Staat für Förderungen und die Gestaltung von Rahmenbedingungen und Infrastrukturmaßnahmen Verantwortung. Im Kanon der modernen Organisationstheorie und Organisationsentwicklung ist Verantwortung für den Innovationsprozess fest verankert. Es obliegt der Unternehmensführung, dem Innovationsprozess in der Organisation angemessen Raum zu geben [6]. Die berühmten Schumpeter’schen Suchfelder – deren Benennung heute noch als Schlagworte ubiquitär sind – waren: (a) Produktinnovationen: Produkte, die es so noch nicht gegeben hat. (b) Prozessinnovationen: Prozesse, die bisher noch nicht ausgeführt bzw. getestet wurden. (c) Marktinnovationen: Damit ist das Erschließen neuer Märkte, Anwendungen und Vermarktungsformen gemeint. Neue Rohstoffe und Vorprodukte: Inputs, die noch nicht entdeckt oder deren Gebrauchsfähigkeit noch nicht entdeckt waren oder erst geschaffen wurden. Hierunter fallen ganz besonders neue Werkstoffe. Organisationale Innovationen und neue Wettbewerbsstrategien, wie das Schaffen oder Zerstören eines Monopols. Aus Schumpeters Sicht wären heute noch Finanzmärkte mit neuen Formen der Finanzierung des Absatzes einzubeziehen. Auch wurde von Schumpeter nicht – zumindest nicht explizit – die Bedeutung von staatlichen Investitionen in die Infrastruktur (Verkehr, Kommunikation, etc.) erwähnt, obwohl er kein strikter Gegner von staatlichen Interventionen in das Wirtschaftsgeschehen war. Heute erkennen wir, dass Schumpeters Suchfelder überschneidend sind, was zwar theoretisch nicht befriedigend ist, aber für die praktische Arbeit kaum Konsequenzen hat. Was für den einen (Anbieter) eine Produktinnovation ist, kann für den anderen (Käufer) eine Prozessinnovation sein. Ähnlich verhält es sich auch mit neuen Materialien, der Durchdringung aller Geschäftsbereiche mit Informationsund Kommunikationstechnologien sowie mit der Entdeckung neuer Märkte und neuer Strategien. Werkstoffbezogene Innovationen werden über unterschiedliche

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technologische Ansätze erreicht: Durch die Entwicklung neuer Materialien, im Allgemeinen verbunden mit neuen Herstellungstechnologien (z. B. LD-Stahlherstellung). Neue Formgebungen ermöglichen nicht nur neue Produkte (z. B. Spaceframe-Technologie), sondern auch Werkstoffsubstitutionen (Al-Gussteile statt Gusseisen). Selbst unter Beibehaltung des Werkstoffs sind durch die neuen Konstruktionsmöglichkeiten (Gestaltungsoptimierungen) Innovationen möglich. Alle in den Innovationsprozess involvierten Personen sind gefordert, die zunehmende Auswahl an technologischen Möglichkeiten zu erkennen und systematisch auf die Markttauglichkeit zu evaluieren. Reuter [7] stellt Methoden für die Werkstoffauswahl für den Maschinenbau zusammen. Aus Punkt (c), dem kreativen Organisieren des Wettbewerbsauftritts von Unternehmungen und der Strategiefindung, kann man auch eine bemerkenswerte weitere Aufteilung der Verantwortung für den Innovationsprozess sehen. Haben wir bisher von einer Teilung der Verantwortung für Innovationen zwischen Eigentümer und Manager gesprochen, so kommt noch vielfach der Consultant dazu: Viele Unternehmungen delegieren die Verantwortung für die Strategiefindung heutzutage an möglichst renommierte Berater. Dahinter steckt in vielen Fällen ein nicht unproblematisches Rechtfertigungsdenken des verantwortlichen Managements, eine Scheu, die Verantwortung für einschneidende Veränderungen im Produktionsprogramm oder in den Produktionsprozessen selbst zu tragen oder schlicht und einfach zu wenig Kapazität, um eine Strategie selbst zu entwickeln. Problematisch ist dies nicht nur wegen der hohen Kosten für renommierte externe Berater, sondern auch wegen der oft „gebrandeten“ Einheitsstrategie, die hier modulartig top-down über das zu beratende Unternehmen oder den zu verändernden Geschäftsbereich gestülpt wird. Resümee aus dem Schumpeter’schen Entrepreneurship-Paradigma aus heutiger Sicht: Schumpeter hat mit seiner dynamischen Sicht des Wirtschaftsprozesses unser Verständnis für die Wirtschaft radikal verändert sowie Denkmuster und die Terminologie geprägt. Die Innovationstheorie ist heute ein, wenn nicht das zentrale Fach der Wirtschaftstheorie. Die konsequente Kontrolle von Input, Throughput und Output ist eine wichtige Quelle für Innovationen. Bezeichnungen wie Produkt- und Prozessinnovationen sind fester Bestandteil der Wirtschaftssprache, ebenso wie die creative destruction, wie Schumpeter den Innovationsprozess später so treffend zusammenfassend charakterisierte. 7.1.2 Wettbewerb und Innovationsprozesse

In den 1960er und 1970er Jahren haben sich in Europa die Märkte grundlegend verändert. Aus den Märkten der Nachkriegswirtschaft, auf denen von Investitionsgütern bis zu Konsumgütern alles knapp war, wurde eine Wettbewerbswirtschaft, in der die Nachfrager die Macht übernahmen. Innovationen waren gefragt, um auf zunehmend internationalisierten Märkten reüssieren zu können. Das Thema Innovation wurde immer bedeutender. Auf den Nachkriegsmärkten waren produktivitätssteigernde Innovationen zur Versorgungssicherung und zum Aufbau

7.1 Innovation

der Industrie gefragt. Besonders Stahl spielte damals in der Weltwirtschaft eine herausragende Rolle. In einer der weltweit führenden wirtschaftswissenschaftlichen Zeitschriften erschien 1966 ein Artikel, der Österreich und das LD-Verfahren weltberühmt machte. In diesem Artikel wird die Innovation LD-Stahl und die Auswirkungen dieser Innovation auf den US-Stahlmarkt analysiert. Die Produktivität des in Österreich patentierten LD-Verfahrens war 4-mal so hoch als die in den USA installierten open-hearth Prozesse. Obschon in den späten 1950er Jahren die Stahlbranche der USA mit peinlichen, öffentlichen Untersuchungen (Kefauver Hearings) konfrontiert war, dauerte es bis in die Mitte der 1960er Jahre, bis auch die drei großen, den Markt mit mehr als 50% der Kapazität dominierenden Stahlwerke, das Verfahren übernommen hatten. Der Verlust für die Volkswirtschaft der USA war enorm – in der Literatur wurde das Ausmaß dieser Ignoranz als kriminell bezeichnet 2) Für Manager von Innovationen ist es nicht unerheblich, die Rolle des Staats zu verstehen. Einmal, um zu erkennen warum gefördert wird und weiter, um gegebenenfalls effizientes Lobbying betreiben zu können. Weltweit wurden Regierungen und die Wirtschaftspolitik der Bedeutung des Themas Innovation gewahr und es entstanden unzählige nationale Förderinstitutionen, um der heimischen Wirtschaft Mittel zum Innovieren zuzuführen und Rahmenbedingungen zu schaffen, die Unternehmungen ermutigen sollten, das riskante Geschäft des Innovierens zu betreiben. Die Verantwortung, die der Staat und zunehmend auch supranationale Institutionen wie die EU hier übernehmen, besteht darin, dass Unternehmungen unter Umständen zu (geförderten) Innovationen verleitet werden, die sich dann als nicht erfolgreich herausstellten. Ursache dafür kann eine zu geringe Förderung, eine zu späte Förderung oder das Setzen falscher Anreize sein. Grundsätzlich gilt, dass man sich niemals von einer Förderung dazu verleiten lassen darf auf einem Gebiet zu investieren, von dem man nicht überzeugt ist. Was gefördert wird, darf nur als Hinweis für interessante Forschungsfelder gelten. Die Palette der Förderinstrumente ist sehr breit: Sie erstreckt sich von direkten Projektförderungen über Investitionszuschüsse bis hin zur indirekten Förderung durch steuerliche Gestaltungsmöglichkeiten. Staatliche Interventionen laufen heute in Europa über Plattformen der EU. Das Thema Innovation and Growth wird von der EU 3) forciert, wobei aus wissenschaftlicher Sicht das Henne-Ei Problem noch nicht eindeutig 2) “. . . the best open hearth practice results in a production rate of 39 to 40 tons per hour. Our basic oxygen furnaces have produced at the rate of 106 tons per hour this month. On a trick heat basis we have hit 160 tons per hour“. Und weiter: “It is noteworthy that the three mayor revolutions in steelmaking – the Bessemer, Siemens Martin (open hearth), and basic oxygen processes – were not the product of American inventive genius nor the output of giant corporate research laboratories. The oxygen process was developed in continental Europe and perfected by the employees of a nationalized

enterprise, in a war-ravaged country, with a total steel ingot capacity of about 1 million tons – by a firm that was less than one – third the size of a single plant of the United Steel Corporation.“ Die Firma, von der hier die Rede ist war die VOEST. 3) So wurde zu Beginn der turnusmäßigen Präsidentschaft Frankreichs 2008 eine große Konferenz zum Thema „Knowledge for Growth: European Strategies in Global Economy“ veranstaltet und Themen zum Zusammenhang von Innovation und Wachstum, Innovation und globale Netzwerke etc. vorrangig behandelt [8–10].

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gelöst ist: Folgt das Wachstum der Innovation oder bringt Wachstum Innovationen hervor? Das Problem ist insofern nicht trivial, als kostspielige Mitnahmeeffekte damit verbunden sind. Erfolgreiche, kompetente Unternehmungen würden auch ohne Förderung innovieren (d. h. man könnte die dort konsumierten Mittel einer anderen Verwendung zuführen oder sparen) und bei Unternehmungen, die nur innovieren, weil gefördert wird, stellt sich die Kompetenzfrage (Sind die Mittel dort richtig angelegt?). Sinnvoll ist Förderung nur dann, wenn ein offensichtliches Risiko, wie bei innovativen Gründungen und Gründungen aus Ergebnissen der Grundlagenforschung, die a priori nicht mit einer freundlichen, d. h. aufgeklärten Selektionsumgebung rechnen können, vorhanden ist. Ähnliches gilt für die Innovationspolitik in Konzernen und die Verteilung von Forschungsbudgets in großen Unternehmungen. Ein sehr erfolgreicher Manager-Entrepreneur der deutschen Automobilindustrie favorisiert ein Modell, das es Abteilungsleitern erlaubt, ca. 15% ihres Budgets spontan, d. h. ohne Investitions- oder Projektanträge zu verwenden, um plötzlich auftauchende Ideen rasch auszuprobieren und konkret zu testen. 20% wären zuviel, 10% zu wenig, 15% sind gerade der richtige Anreiz für innerbetriebliche Entrepreneure. Auch hier liegt eine Form der indirekten Förderung vor, allerdings auf einer privaten Konzernebene. Zur Identifikation der Beurteilung lohnender künftiger Forschungsfelder gibt es nur wenige systematische Ansätze. Einer davon ist Technologie-Monitoring und umfasst methodische Auswertungen der Literatur und Datenbanken (TechnologieEntwicklungsmonitoring), Wettbewerbsbeobachtung (Technologie-Politikmonitoring), Überprüfung des eigenen Wissens und der Kapazitäten, die zur Umsetzung im Vergleich zu Wettbewerbern zur Verfügung stehen (Technologie-Strukturmonitoring) und einen Prozess zur Generierung von strategischen Optionen. Ein derartiges Monitoring ist vor allem für nationale und supranationale Organisationen, aber auch für große Unternehmungen sinnvoll [11]. Zusammenfassend kann zur Rolle der nationalen und supranationalen Förderungen oder Innovationssysteme gesagt werden, dass Projektförderungen fast immer zu „me too“ Innovationen führen und indirekte Förderungen, die innovierenden Unternehmungen mehr Freiheiten lassen, zu bevorzugen sind. In jedem Fall sind aber Investitionen in die Knowledge-Infrastruktur von Unternehmungen und eines Staats sinnvoll. Dies umfasst einerseits Investitionen in alle Stufen des Bildungssystems und andererseits leistbare und steuerlich geförderte Fortbildung der Humanressourcen.

7.2 Die Erfolgsfaktorenforschung und ihre Ergebnisse

Die Entmystifizierung des Innovationsprozesses hat mit Schumpeter begonnen und setzt sich heute mit Corporate Entrepreneurship fort. Innovieren wird als zentrale Funktion der Unternehmung gesehen, die in Organisation und Organisationsentwicklung zu berücksichtigen ist. Die Erfolgsfaktorenforschung leistet hierzu wichtige Beiträge [12–14].

7.2 Die Erfolgsfaktorenforschung und ihre Ergebnisse

Die Innovationsfähigkeit von Unternehmungen sicherzustellen, ist eine strategische Aufgabe, die am einfachsten durch den Dynamic Capability View-Ansatz beschrieben wird, der auf Teece et al. [14] zurückgeht. Zur Sicherstellung eines möglichst kontinuierlichen flows an Innovationen werden in die Organisation drei Routinen genannte Prozesse implementiert, die regelmäßig, aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit systematisch durchlaufen werden. Es sind dies: 1. Konfiguration, 2. Lernen, 3. Rekonfiguration 4). zu (1) Konfiguration: Diese Routinen zerfallen in zwei Subroutinen: operativ Innovations-Prozessmanagement, strategisch Innovations-Portfoliomanagement. Während die erste Routine bekannte Elemente des Projektmanagements von wohl definierten Projekten umfasst, dient die zweite Routine dem Auffinden von Optionen, die als Projekte optimal zur Ausrichtung und Ausstattung der Unternehmung passen. Dazu gehören u. U. neben Technologie-Monitoringansätzen auch Ansätze, die methodisch dem financial engineering entlehnt sind, wie der real options Ansatz [15]. zu (2) Lernen: Auch diese Routine wird zweckmäßigerweise in zwei Ströme zerlegt: internes Lernen und externes Lernen (von Kunden), wobei vor allem die interne Kommunikation und die Kommunikation mit Kunden, potenziellen lead usern und anderen Marktinstitutionen, sowohl auf Absatzmärkten als auch auf Lieferantenmärkten gemeint ist. Immerhin kommen die meisten neu in den Markt eintretenden Wettbewerber von einem dieser beiden Märkte. Ein sehr erfolgreicher Manager aus der Aluminiumindustrie hat dies zum Postulat für neue Entwicklungen erhoben: Für den Erfolg einer Neuentwicklung sind drei Säulen maßgeblich, die genaue Kenntnis des Absatzmarkts bzw. des Produkts, die vollkommene Beherrschung der Fertigungsprozesse und die intime Kenntnis des Materials. Innovationen soll man nur dort suchen, wo man sich mindestens zweier dieser Erfolgsgaranten sicher sein kann – die dritte Kompetenz kann man erarbeiten. zu (3) Rekonfiguration: Hier ist eine Unternehmenskultur zu schaffen, die die Rückkoppelung via 2a) und 2b) auf 1a) und 1b) nicht nur erlaubt, sondern auch fördert und zu einer laufenden Anpassung der Routinen an die Kompetenz und Umwelt der Unternehmung aufruft. Besonders hervorgehoben wird immer wieder das Innovationsklima in der Unternehmung. Hellmann [16] hat es in nachvollziehbarer Weise als Spiel zwischen der Unternehmensleitung und den kreativen MitarbeiterInnen formuliert und das Grundgerüst für die Gestaltung des Unternehmensklimas dargestellt. 4) Wir folgen dabei der Darstellung von N. B. Sammer, W. Wirtz, O. Schilke [12].

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MitarbeiterInnen bekommen Aufgaben zugeteilt und werden dafür bezahlt, dass sie sich auf deren erfolgreiche Erledigung konzentrieren. Dabei kommt es vor, dass sie durch die Umgebung und Tätigkeit zu Ideen inspiriert werden, die von ihrer Haupttätigkeit abweichen. Die Reaktionen der Unternehmensleitung und die darauf folgenden Reaktionen der MitarbeiterInnen können in vier Gruppen zusammengefasst werden: • Die Unternehmensleitung setzt Incentives und/oder zwingt die MitarbeiterInnen, sich auf die Hauptaufgabe zu konzentrieren. Dies wird umso leichter gelingen, wenn die Verwertungsrechte beim Unternehmen liegen und nicht bei den MitarbeiterInnen. Die MitarbeiterInnen geben nach – ihre Innovationen werden unterdrückt. • Die MitarbeiterInnen und die Unternehmensleitung bleiben stur, es kommt zur Trennung und die abgespaltene Gruppe verfolgt ihre neuen Ziele, z. B. durch eine Gründung. Dies wird nur der Fall sein, wenn die MitarbeiterInnen von ihrem Erfolg oder vom (relativen) Misserfolg bei der ihnen von der Unternehmensleitung zugewiesenen Aufgabe überzeugt sind. Möglich wird dies jedoch nur dann, wenn die Unternehmung keine Verwertungsrechte an den neuen Ideen haben. Innovationen entstehen außerhalb der Unternehmung. • Unternehmensleitung gibt nach, erlaubt den MitarbeiterInnen ihre Ideen zu verfolgen und stellt die Ressourcen bereit (Intrapreneurship-Lösung). • Die Unternehmensleitung macht bei einer Unternehmensgründung mit und es entsteht ein Start-up (wenn MitarbeiterInnen die Verwertungsrechte besitzen) oder ein reines Spin-off Unternehmen, wenn die Verwertungsrechte bei der Unternehmung liegen. Aus diesem Modell wird die prinzipielle Rolle der Verwertungsrechte ersichtlich. Liegen diese bei den MitarbeiterInnen und entwickeln sich die maßgeblichen Teile der Selektionsumgebung sehr vorteilhaft, werden Unternehmensgründungen zur Durchsetzung von Innovationen sehr wahrscheinlich, da diese auch die bessere berufliche Alternative für MitarbeiterInnen darstellen. Falls die Verwertungsrechte bei der Unternehmung liegen, werden Gründungen zum Durchsetzen von Innovationen deutlich gebremst. Die Unternehmung verzichtet auf eine Abweichung vom Kerngeschäft und erhofft sich aber dafür Vorteile für das Kerngeschäft. Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist es daher attraktiv, die Erteilung von Verwertungsrechten für die MitarbeiterInnen zu fördern und für die Unternehmungen ist dies oft die einzige Möglichkeit, hervorragende MitarbeiterInnen zu halten. Daraus ergeben sich interessante Fragen und Herausforderungen für die Organisation einer innovativen Unternehmung: Bottom-up Innovationen (Innovationen durch MitarbeiterInnen) sind bis zu welchem Grad erlaubt oder erwünscht? Und welche Form der Innovation? Zumeist sind es nur Verbesserungen, also inkrementelle Innovationen aus den bestehenden/zugewiesenen Aufgaben heraus (Produkte und Prozesse) oder kann es auch eine Innovation sein, die vom Core-

7.3 Die Rolle der Selektionsumgebung und managementorientierte Innovationskonzepte

business zwar inspiriert ist, aber von diesem wegführt? Und wenn man darauf einsteigt: Wie sind die Incentives zu gestalten? Patentrezepte gibt es keine – jeder Fall muss einzeln behandelt werden [6].


Die Selektionsumgebung wurde in die Diskussion von Nelson und Winter [17] eingeführt: “. . . a necessary condition for survival of an innovation is that, after a trial, it be perceived as worthwhile by the organisations that directly determine whether it is used or not. . . “. Dies ist für gewöhnlich der Fall, wenn die Nutzer oder nutzenden Institutionen den Wert höher einschätzen als die Kosten, die für die Innovation anfallen bzw. den Preis, der für die Innovation zu bezahlen ist. Die Organisationen, die über die Aufnahme einer Innovation entscheiden, sind in der Regel Konsumenten am point of sale, Unternehmungen in B2B (Business to Business) Märkten und die Öffentliche Hand. Wesentlich ist aber auch, ob die Faktormärkte sich auf die Produktion der Innovation einstellen, ob die Produktion (vor-) finanziert werden kann, ob eventuell Infrastrukturmaßnahmen dafür geschaffen werden und allem voran, ob die interne Selektionsumgebung des Betriebs oder Konzerns den zu erwartenden Nutzen (die zu erwartenden Erlöse) über den Wert der Kosten zu stellen vermag. In Abb. 7.3.1 sind wichtige Layer – interne und externe – der Selektionsumgebung dargestellt. Es wird die Ablösung eines bisher dominierenden Paradigmas durch eine neues dargestellt. Sie verläuft, wie viele Diffusionsprozesse S-förming, darf aber nicht mit dem Produktlebenszyklus, der sich für jede Produktgeneration neu entwickelt, verwechselt werden. Metcalfe und Boden [18] unterscheiden zwischen interner und externer selection environment, was natürlich nur sinnvoll ist, wenn der R&D Prozess einer Unternehmung geschlossen, d. h. stark vertikal organisiert ist. Unter der Netzwerkperspektive einer offenen Innovationsumgebung [19, 20] verliert diese Unterscheidung wieder an Bedeutung. Ein Produkt wie das Auto kann längst alle Hürden der Selektionsumgebung genommen haben und ein profitables Produkt darstellen, dennoch kann die Anwendung eines neuen Materials (z. B. zellulares Aluminium [21]) bei einigen (untergeordneten) Komponenten an der internen Selektionsumgebung (vorläufig) scheitern. Die Selektionsumgebung ist prinzipiell gestaltbar, z. B. für Innovationen, die vom Markt nicht, noch nicht oder nicht in dieser Form erwartet werden, hat aber auch eine eigene Dynamik. Die Darstellung der Selektionsumgebung erfolgt unter einem Technologiezyklus über der Zeitachse, die einzelnen Zeilen entsprechen dabei wichtigen Teilbereichen der Selektionsumgebung mit den für einen Zeitpunkt typischerweise zu erwartenden Zuständen, Situationen und Reaktionen, die für die Bewertung der Innovation von Bedeutung sind. Ausgehend von Schumpeters Konzeption der Innovation haben sich konzeptionell in der methodischen Diskussion zwei Innovationstypen herauskristallisiert,

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Abb. 7.3.1 Selektionsumgebung: Evolution einer Technologie über der Zeit.

die für das tiefere Verständnis und für das Management von Innovationen von Bedeutung sind: supply-push und demand-pull. Die Charakterisierung supply-push – demand-pull (ähnlich auch technologypush – market-pull) betrifft die Richtung, aus der das Signal für die Innovation kommt. Betrachtet man die Selektionsumgebung und ihre Agenten, erkennt man


sofort, dass die Managementlasten ungleich verteilt sind. Kommt die Innovation in Form des Aufzeigens neuer Möglichkeiten aus dem Bereich der Grundlagenforschung, aus Forschungslabors oder von einer Forschungsfirma als Produktvorschlag, so ist die Aufmerksamkeit der Selektionsumgebung zunächst nur bedingt gegeben. Die Anstrengungen, die Aufmerksamkeit auf den Märkten zu erlangen sind umso größer, je besser die wirtschaftliche Lage ist. Bei hohen Wachstumsraten oder bei dominanten Unternehmungen (siehe das Beispiel der Stahlindustrie) setzen sich neue und oft radikale Innovationen nur schwer am Markt durch. Das Timing ist denkbar schlecht, niemand will sich mit Neuerungen beschäftigen, die ein (technisches und wirtschaftliches) Risiko in sich bergen und für die im Moment keine Notwendigkeiten gesehen werden. Eine bedeutende Rolle für diesen Innovationstyp spielen dann große Unternehmungen, die das Risiko auf sich nehmen können, oder aufgrund des innovativen Images Herausforderungen suchen (und sich diese auch leisten können). Interessanterweise sind dabei auch Infrastrukturunternehmungen der Öffentlichen Hand von strategischer Bedeutung. Gelingt es jedoch, radikale Innovationen umzusetzen, dann führt dies zu monopolähnlichen Zuständen, die temporär Bestand haben. Der technology-push bzw. die Umsetzung der ersten supply-push Innovationen führt dann zu einem Basisdesign (Basisinnovation), das mehr oder weniger lange in dieser prinzipiellen Form Gültigkeit hat. Daran schließen sich vor allem Verbesserungsinnovationen, die die Abfolge von Produktgenerationen bestimmen. Da für die ersten Generationen der Basisinnovation oft auch eigene Prozesse zu entwerfen sind, um zumindest eine Kleinserienfertigung zu starten, die minimale Qualitätsanforderungen erlaubt, wird auf der Umsetzungsebene oft ein kleiner Schwarm von Prozessinnovationen für die Umsetzung ausgelöst. Bei der Preisbildung für den Innovationspartner spielen in dieser Phase noch Kostenersätze unter Einbeziehung von Lernkurven eine wichtige Rolle, da Marktpreise noch nicht oder nicht eindeutig beobachtbar sind. Es ist typisch, dass mit dem Grad der Marktdurchdringung und mit dem Eintreten von Wettbewerbern in den Markt sich nicht nur gut beobachtbare Preise am Markt herausbilden, sondern auch der Kostenwettbewerb an Bedeutung gewinnt. Die Innovationsraten, auch jene der Verbesserungsinnovationen, beginnen zu sinken, aber die Innovationsintensität bei den Produktions- und Distributionsprozessen nimmt zu [22]. Oft entschließen sich Produktinnovatoren die Produktion des Produkts aufzugeben und stattdessen Prozessinnovationen erfolgreich zu vermarkten. Für den Aufbau von Kapazitäten analog zum Marktwachstum stellen Produktlebenszykluskurven ein wichtiges Instrument dar. Besondere Bedeutung kommt hier auch der Minimum Efficient Scale (MES) zu. Darunter versteht man in Abhängigkeit vom Stand der Technik jene Kapazität, die unbedingt erforderlich ist, um von der Kosten- und Qualitätsseite her am Markt bestehen zu können [6, 23]. Der Managementaufwand im Bereich des demand-pull ist hingegen wesentlich geringer einzuschätzen. Die Aufforderung zur Innovation kommt vom Markt selbst als latente Nachfrage oder von einer Unternehmung, die bereit ist, ein gut eingeführtes Produkt weiter zu entwickeln. Der Markt hat das Produkt, seinen Nutzen und seinen Gebrauch verinnerlicht und versteht Weiterentwicklungen. Derartige Entwicklungen werden auch inkrementelle Innovationen genannt. Typisch

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dafür sind Bemühungen in Richtung schneller (produktiver), reiner (qualitätssteigernde Innovationen) und kleiner (Trend zur Miniaturisierung). Bei sehr starkem Wettbewerb dominieren zahlenmäßig demand-pull Innovationen. Supply-push scheint weniger oft vorzukommen, tendiert dann jedoch dazu radikale Innovationen hervorzubringen. Unter einer radikalen Innovation versteht man ein Produkt oder einen Markt mit monopolistischen Zügen. Inkrementelle Innovationen sind durchführbar unter Beibehaltung vieler Parameter der betrieblichen Organisation. Bei radikalen Innovationen (vor allem bei Prozessinnovationen) ändert sich sehr viel. Radikale Innovationen müssen daher mit stärkerem Widerstand rechnen als inkrementelle Innovationen 5) [24]. Das Innovationsmanagement konkreter Innovationen unterscheidet sich vor allem durch die Qualität (Vollständigkeit) der Selektionsumgebung und die Beobachtbarkeit der Signale, die von der Selektionsumgebung kommen. Da supply-push Innovationen von den etablierten Selektionsumgebungen nicht vorausgesehen werden, bedarf es intensiver Informationspolitik, um die Möglichkeiten der Innovation auf den relevanten Märkten zu signalisieren. Die Abgrenzung des relevanten Markts erfolgt dabei immer durch den potenziellen Nutzer und ist bestimmt durch die Substitute bzw. bisherigen Lösungen zur Befriedigung dieser Bedürfnisse. Bei besonders radikalen Innovationen müssen diese Bedürfnisse auch erklärt und damit geweckt werden, um sich Schicht für Schicht durch die potenziellen Konsumenten zu arbeiten. Je kleiner die Institution ist, die den technologypush hervorbringt, desto schwieriger bis aussichtslos ist das Unterfangen. Starke Partner, wie dem Procurement verpflichtete, oft staatsnahe Infrastrukturunternehmungen oder starke Industriepartner (lead user) sind hier unerlässlich. Romantische Erfolgsstorys, wie der Erfolg von Microsoft oder der geniale Wurf von Google sind leider die Ausnahme und nicht die Regel. Lead user sind auch auf der marketpull Seite des Innovationsspektrums bei den dort vorherrschenden inkrementellen Innovationen von Vorteil. Leitner [25] zeigt in einer großen empirischen Arbeit quer über alle Branchen, wie erfolgreiche (vorwiegend radikale) Innovationen sich in wichtigen Phasen des Innovationsprozesses und in der Selektionsumgebung darstellen. Quelle für die Innovationen waren immer hoch motivierte Mitarbeiter mit guten Kontakten zum Markt und zur scientific community. Dementsprechend ergab sich auch ein Überhang von market-pull gegenüber supply-push, der aber insgesamt nicht signifikant war. Über die Zeit betrachtet, scheinen die 1970er Jahre dem technology-push verhaftet, während in den 1990er Jahren market-pull häufiger anzutreffen war. 50% der Innovationen waren übrigens das Ergebnis einer gezielten Suche, 20% wurden auf den Zufall zurückgeführt. Als wichtigster Erfolgsfaktor für die kritische Schwelle der Markteinführung war immer eine frühzeitige Einbindung von „innovativen Pilotkunden“, vor allem im 5) So wird für die Deutsche Wirtschaft vermutet, dass sie zu stark auf inkrementelle Innovationen ausgerichtet ist, die in wenigen reifen Technologien zur Anwendung kommen. Für radikale Innovationen reichen

die gesetzlichen Rahmenbedingungen bezüglich der Risikotragung in Deutschland kaum aus. Hier wäre tatsächlich ein Europa der unterschiedlichsten Geschwindigkeiten (Stammzellengesetzgebung) gegeben.


B2B Bereich. Sie waren nicht nur erste Kunden mit ökonomisch interessanten Losgrößen, sondern bei der Weiterentwicklung der 1. Generation im erweiterten Praxistest von Bedeutung und damit auch Partner bei der Risikotragung. Auch wird generell das scaling-up von Kleinserien- zur Massenfertigung unterschätzt. Bei Begleitung der Produktion durch Prozessinnovationen werden diese Hürden leichter genommen und es stellte sich sogar heraus, dass durch das spezifische Zusammenwirken von Produkt- und Prozessinnovationen auch Hochlohnstandorte nachhaltig abgesichert werden können. Die durchschnittlichen Entwicklungszeiten betrugen 62 Monate. Für die 1990er Jahre wurde eine Verkürzung auf 40 Monate festgestellt – grundsätzlich wurde die Zeitdauer immer unterschätzt, d. h. die geplanten Entwicklungszeiten wurden in allen Fällen überschritten. Trotz Anwendung eines professionellen Projektmanagements forderten überraschende neue Ergebnisse oder Veränderungen der Umwelt ihren Tribut. 1,5 Jahre vergingen im Durchschnitt mit dem „scaling up“ der Invention zur marktfähigen Innovation bzw. zum Prototypenbau und nach weiteren 1,5 Jahren wurde die Gewinnschwelle erreicht. Die Finanzierung war nirgends ein gravierendes Problem; es wurde wenig Fremdkapital aufgenommen und nur eine Innovation wurde mit Venture Capital realisiert. Förderungen wurden in mehr als 50% der Fälle beansprucht, weniger zur Stärkung der Finanzkraft, sondern als Testimonial. Die Zuerkennung wurde als externes Gutachten über die Sinnhaftigkeit der Bemühungen verstanden und dementsprechend vielfach zur Überwindung interner Widerstände eingesetzt! In mehr als der Hälfte der Fälle haben Wettbewerber auf die erfolgreiche Markteinführung mit eigenen Produkten/Innovationen reagiert, aber mit entsprechender Verzögerung. In dieser Zeit war es für innovative Unternehmungen durchaus möglich, Monopolrenten zu lukrieren. Diese Innovationsrenten entsprechen durchaus den Intentionen des Patentsystems. Patentierungen werden umso häufiger zum Schutz der Innovation herangezogen, je einfacher die Innovationen sind. Je komplexer die Innovation, desto mehr Patente sind zum Schutz des Innovationskomplexes notwendig, desto mehr Angriffspunkte sind aber auch für das erfolgreiche Umgehen von Patenten gegeben. In Anbetracht des zeitlichen Vorsprungs, des Know-how-Vorsprungs für die weitere Entwicklung von Generationen, der mit der Patentierung verbundenen Offenlegungspflicht, der Funktionsweisen der Innovation und bestimmte lead user Konstellationen führen dann oft dazu, dass auf Patentierung verzichtet wird. Das sind auch wichtige Gründe dafür, dass sich Patentstatistiken für internationale Vergleiche der Innovationsfähigkeit nicht uneingeschränkt heranziehen lassen. Die Praxis lehrt uns am meisten über das Management von Innovationen – daher wird auch die Lektüre von guten Fallstudien, wie sie in der Arbeit von Leitner, aber auch in den von Albach für die Akademie der Wissenschaften herausgegebenen Fallstudiensammlung [26] zu finden sind, ausdrücklich empfohlen. Dennoch seien im folgenden Abschnitt, quasi zusammenfassend, ein paar methodische Hinweise und Instrumente, die für das Innovationsmanagement nützlich sind, behandelt.

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7.4 Wirtschaftlichkeitsüberlegungen

Zu Beginn einer neuen Technologie steht die Invention, die anfangs nur eine Idee für ein neues Produkt oder einen neuen Prozess darstellt ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Einsatzfähigkeit am Markt. Erst bei der Umsetzung der Invention in ein diffusionsfähiges Produkt kann von einer Innovation gesprochen werden. Diese Überführung der Idee in eine marktfähige Innovation erfordert den Einsatz von Ressourcen, durch den sich ein erwarteter Nutzen in der Zukunft ergibt. Unter Wirtschaftlichkeit verstehen wir das Verhältnis von monetär bewertetem Nutzen zu monetär bewertetem Ressourceneinsatz. Um die Wirtschaftlichkeit von Innovationen beurteilen zu können, müssen wir diese daher immer im Spannungsfeld von Kosten und Erlösen betrachten, da erst durch eine umfassende Auseinandersetzung mit beiden Seiten eine Entscheidung getroffen werden kann, ob und inwieweit eine Innovation Vorteile bringt. 7.4.1 Diffusion von Innovation

Die Diffusion im Kontext des Innovationsmanagements beschreibt die in mehreren Phasen ablaufende Inanspruchnahme von neuen Produkten oder Prozessen in der Gesellschaft – ausgehend davon, dass die Durchdringung des Paradigmas durch neue Innovationen in Form einer S-Kurve verläuft (siehe Abschnitt 7.3) – entspricht die Aufteilung der Käufer typischen Phasen des Diffusionsprozesses, wie in Abb. 7.4.1 dargestellt.

Abb. 7.4.1 Diffusionsprozess (nach [28]).


Man unterteilt die Käufergruppen, in Abhängigkeit vom Anschaffungszeitpunkt der Technologie nach Innovatoren, Frühkäufern, der frühen Mehrheit, der späten Mehrheit und den Nachzüglern. Innovatoren nennt man die kleine Gruppe an Personen, die neue Technologien und Produkte kurz nach deren Markteintritt erwirbt. Innovatoren zeichnen sich durch ein hohes Maß an Risikobereitschaft aus und verfügen meist über ausreichende finanzielle Ressourcen, um mögliche Verluste, die mit der frühen Adoption einhergehen, auszugleichen. Die folgende Gruppe, die Frühkäufer, stehen in regem Austausch mit den ihnen potenziell nachfolgenden Käufergruppen, von denen sie als Referenzpersonen angesehen werden. Sie nehmen somit die Rolle eines Meinungsbildners ein, dessen Verhalten für andere Käufer maßgeblich für die Kaufentscheidung ist. Der Anteil der frühen und späten Mehrheit an den gesamten Käufern ist in etwa gleich groß und beträgt in Summe mehr als 50%. Im Gegensatz zur frühen Mehrheit hat die späte Mehrheit jedoch ein geringeres Maß an finanziellen Ressourcen zur Verfügung bzw. eine geringere Zahlungsbereitschaft, wodurch sie sich skeptischer gegenüber Neuheiten verhält und diese oftmals erst aufgrund von Gruppendruck oder ersatzbedingter Notwendigkeit angeschafft werden. Am schwierigsten erweist sich der Übergang von den unabhängigen, die Vorteile und Möglichkeiten einer neuen Innovation erkennenden Innovatoren und Frühkäufern zum „Hauptmarkt“, der sich pragmatischer und zurückhaltender verhält. Ist diese Hürde jedoch erstmals überwunden, leitet die Adoption der Innovation durch die frühe Mehrheit den Beginn der intensivsten Diffusionsphase auf dem relevanten Markt ein. Die letzte Gruppe, die als Nachzügler bezeichnet wird, kauft Innovationen erst, wenn diese das Paradigma beinahe vollständig durchlaufen haben – sie agieren traditionsbewusst und weisen ein stark von Erfahrungen geprägtes Verhalten auf [27, 28]. Das quantitative Verhältnis der Käufergruppen schwankt im Zeitablauf über die Produktgenerationen. Innovatoren-Käufer werden zwar nie verschwinden, aber mit zunehmend prinzipieller Akzeptanz werden sie relativierbar. Bei manchen Produktgruppen (Autos, Laptop, Handy) übernehmen auch Tester und Testberichte in kompetenten Medien ihre Funktion. Die Geschwindigkeit der Diffusion durch den relevanten Markt hängt von folgenden Eigenschaften der Innovation ab: • relativer Vorteil gegenüber bestehenden Produkten, • Kompatibilität mit den Bedürfnissen des Konsumenten, • Komplexität des Produkts, • Teilbarkeit, • Beobachtbarkeit der Adaption durch andere potenzielle Konsumenten. Die in Abb. 7.4.1 gezeigten Phasen werden umso schneller durchlaufen, je größer der relative Vorteil der Innovation ist (wobei hier sowohl finanzielle als auch die Performance betreffende Vorteile gemeint sind), je mehr das Produkt in der Lage ist die Bedürfnisse des Nutzers zu befriedigen, je geringer die Komplexität und somit der Erklärungsbedarf ist, je höher die Teilbarkeit (auch zeitlich) und damit auch die Möglichkeit das Produkt zu testen ist und je stärker die Adoption des Produkts durch Dritte beobachtet werden kann (Referenzgruppentheorem) [28].

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7.4.2 Der Produktlebenszyklus

Während der Diffusion durchläuft das Produkt mehrere Phasen, die von unterschiedlichen Absatzmengen und damit auch unterschiedlichen Umsätzen geprägt sind. Die Abb. 7.4.2 zeigt den Produktlebenszyklus, beginnend mit der Einführungsphase über das Wachstum, die Reife, die Sättigung und schließlich die Degeneration. In der Einführungsphase wird das neue Produkt erstmals auf dem Markt angeboten – die Absatzmengen steigen zu Beginn nur langsam, da das Produkt noch unbekannt ist und oftmals Widerstände auf Seite der Kunden zu überwinden sind. In der Wachstumsphase beginnt das Produkt auf dem Markt zu diffundieren und man beobachtet einen progressiven Verlauf des Absatzes, der mit Beginn der Reifephase in einen degressiven Verlauf übergeht. In der Reifephase nimmt die Bedeutung der Produktdifferenzierung zu, da die Abgrenzung von der zunehmenden Konkurrenz an Bedeutung gewinnt. Die letzte Lebensphase des Produkts wird Degeneration genannt – in dieser Phase gehen die Absatzmengen zurück, das Sortiment wird gekürzt und das Produkt letztendlich vom Markt genommen. Von der Konzeption her kann der Lebenszyklus – zumindest bis zum Beginn der Degenerationsphase – als Integral über die Diffusionsfunktion (Abb. 7.4.1) gesehen werden. Über den Technologiezyklus reihen sich die einzelnen Produktlebenszyklen der Produktgenerationen aneinander. Da auf der Ordinate üblicherweise der Umsatz aufgetragen wird und der Preis bei zunehmenden Absatzmengen sinkt, entspricht der hier skizzierte konstante Umsatz durchaus steigenden Absatzmengen [29]. Der Produktlebenszyklus, wie er hier beschrieben wurde, stellt eine idealtypische Form dar – tatsächlich hängen die Verläufe jedoch von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise dem Zeitpunkt des Markteintritts, dem Produkttyp und dem Neuheitsgrad. Produkte mit hohem Neuheitsgrad haben meist eine längere Einführungsphase, da hier die bereits angesprochenen Widerstände von Seiten des Markts, die es zu überwinden gilt, höher sind. Folglich ist auch die Einführungsphase bei Unternehmen, die zuerst in den Markt eintreten sind, höher als bei nachfolgenden Unternehmen, deren Strategie auf Imitation ausgerichtet ist. Produkte mit geringem Neuheitsgrad werden hingegen zu Beginn eine rasche Ver-

Abb. 7.4.2 Produktlebenszyklus (angelehnt an [29]).


Abb. 7.4.3 Lebenszyklus bei unterschiedlichem Neuheitsgrad [30].

breitung erfahren, der nach einem früh erreichten Absatzmaximum eine lange Degenerationsphase folgt (Abb. 7.4.3) [30]. Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Produkt nach Ende der Degenerationsphase bestehen bleibt und ein sogenannter Rumpfmarkt entsteht, das heißt, dass das Produkt trotz des Angebots an neuen Innovationen weiterhin von einem Teil der Konsumenten nachgefragt wird. Eine andere Form der Produktlebenskurve ist auf dem Gebrauchsgütermarkt anzutreffen. Da Gebrauchsgüter im Gegensatz zu Verbrauchsgütern eine längere Nutzungsdauer aufweisen und meist in einem annähernd gleichen zeitlichen Abstand ersetzt werden, weist die Lebenskurve hierfür regelmäßige Schwankungen auf [29]. 7.4.3 Die Conjoint-Analyse

Wir haben die Einflussfaktoren auf die Diffusionsgeschwindigkeit aufgezeigt und dabei gesehen, dass die Entscheidung ein Produkt zu erwerben von vielen verschiedenen Faktoren abhängt. Eine Möglichkeit mehr über die Beweggründe, die zum Kauf führen zu erfahren, ist die Durchführung einer Conjoint-Analyse (auch Conjoint-Measurement). Jedem Produkt sind mehrere Attribute zuzuschreiben, die die Kaufentscheidung des Konsumenten in unterschiedlich hohem Maß beeinflussen. Ziel der Conjoint-Analyse ist es, den Beitrag der einzelnen Produkteigenschaften zum Gesamtnutzen zu ermitteln, um so ein Produkt anbieten zu können, das in der Lage ist die Bedürfnisse der Konsumenten bestmöglich zu decken. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Gesamtnutzen eines Produkts für den Konsumenten additiv aus den Teilnutzenwerten der einzelnen Eigenschaften zusammensetzt. Die Durchführung der Conjoint-Analyse erfolgt in fünf Schritten. Zu Beginn werden die relevanten, voneinander unabhängigen, aber vom Designer beeinflussbaren Eigenschaften des Produkts definiert.

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Im zweiten Schritt werden verschiedene Merkmalskombinationen zusammengestellt, die die Konsumenten im dritten Schritt bewerten müssen, sodass eine Reihung der Merkmalskombinationen vorgenommen werden kann. Aufgrund dieser Reihung können für jeden Konsumenten Teilnutzenwerte der Produkteigenschaften ermittelt und daraus Gesamtnutzenwerte sowie relative Wichtigkeiten abgeleitet werden. Im letzten Schritt können diese individuellen Nutzenwerte schließlich zu Nutzenwerten für alle Individuen aggregiert werden. Vor allem bei der Gestaltung neuer Produkte ist die Conjoint-Analyse eine gute Methode, um den Einfluss verschiedener Produktmerkmale, wie Material, Farbe, Gewicht, Funktionalität, Preis etc. auf die Gesamtnutzenbeurteilung des Konsumenten zu bestimmen und somit die Präferenzen des Kunden besser zu verstehen. In der Praxis bestehen neben dem hier angeführten noch zahlreiche weitere Verfahren der Conjoint-Analyse, die sich beispielsweise in der Erhebung und Bewertung der Stimuli unterscheiden [31]. Conjoint-Measurement kann als Methode der Wahl für das Design von Produkten und Produktklassen sowohl im Bereich der Konsumgüter als auch der Anlagegüter gesehen werden 6). Die in Abschnitt 7.1.2 skizzierte Ignoranz des LD-Verfahrens hat den frühen Adoptoren satte Gewinne gebracht, was den Marktführern wiederum beträchtliche Marktanteilsverluste bzw. entgangene Einnahmen beschert hat. 7.4.4 Die Lernkurven

Die Durchdringung des Markts und die Geschwindigkeit, mit der diese erfolgt, haben Auswirkungen auf die zu erwartenden Erlöse einer Innovation. Welche Einflüsse gibt es nun auf Seite der Kosten? Der Beginn einer neuen Produktion ist von Unsicherheit und mangelnder Erfahrung der Arbeitskräfte geprägt. Mit zunehmender Anzahl an produzierten Einheiten verringern sich jedoch im Laufe der Zeit aufgrund der gewonnenen Erfahrung und der Übung die Fertigungszeiten, der Materialverschleiß nimmt ab, Fehler der Maschinen werden behoben usw. Dadurch sinken im Zeitverlauf die anfangs hohen zeitabhängigen Kosten pro Stück, bis sie am Ende der Lernphase ein annähernd stabiles Niveau erreichen. Dieser Lerneffekt kann grafisch in Form einer Lernkurve dargestellt werden. Eine Lernrate von 80% bedeutet, dass die Produktion der zweiten Einheit eines Produkts nur mehr 80% der ersten Einheit kostet, die vierte Einheit nur mehr 80% der zweiten – bei jeder Verdopplung der Produktion sinken somit die Kosten um 20% gegenüber der letzten Verdopplung. Die Lerneffekte betreffen jedoch nur die fertigungszeitabhängigen Stückkosten. Abhängig von der Lernrate weisen die Lernkurven eine stärkere oder 6) Zahlreiche Beispiele zur Anwendung der Conjoint-Analyse, z. B. in der Automobilindustrie, sind unter www.simon-kucher.com zu finden.


schwächere negative Steigung auf – je steiler die Steigung ist, umso größer sind auch die Lerneffekte [32]. Konkurrenten, die später in den Markt eintreten, werden zwar ebenso einer Lernkurve folgen, jedoch werden sie sich immer ein Stück hinter dem ersten Anbieter auf dieser bewegen, es sei denn, es gelingt ihnen rascher zu wachsen als der Marktführer. Wenn ein schnelleres Wachstum möglich ist, können später in den Markt eingetretene Unternehmen den Erfahrungsvorsprung bereits bestehender Produzenten aufholen, diese überholen und die Kostenführerschaft übernehmen. Abgesehen von der strategischen Bedeutung hat die Lernkurve große Relevanz für Preisverhandlungen im Bereich der Entwicklung, wo kleine Stückzahlen verhandelt und Marktpreise noch nicht gut beobachtbar sind. Allgemein kann die Funktion der Lernkurve wie folgt angeschrieben werden 7) : yx = y1 · x–b

(7.4.1)

bzw. in logarithmischer Form: lg yx = lg y1 – b · lg x

(7.4.2)

mit: yx Input für das x-te Stück b Exponente für das Steigungsmaß der Kurve, bestimmt durch die Lernrate y1 Input für das erste Stück x kumulierte Output-Menge Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei Arten der Lernkurven: der Einheitslernkurve, die den Input für die jeweils letzte Einheit der kumulierten Ausbringungsmenge angibt, und der Durchschnittslernkurve, die den durchschnittlichen Input pro Stück der kumulierten Ausbringungsmenge über die Zeit darstellt [33]. In der Praxis ist die Durchschnittslernkurve von größerer Bedeutung, wie auch im Folgenden anhand eines Beispiels gezeigt wird. Abbildung 7.4.4 zeigt die Lernkurve bei einer Lernrate von 80% sowie die sich daraus ergebende Durchschnittslernkurve. Es wurde hier aus Gründen der einfacheren Handhabung in der Praxis die Darstellung im doppelt-logarithmischen Koordinatensystem gewählt. Die Anfänge der Lernkurve fallen auf das Jahr 1925, wo Produktionsvorgänge der Wright-Patterson Air Force in Ohio untersucht und dabei Rückgänge der Montagezeit mit zunehmender Anzahl an Wiederholungen beobachtet wurden. Erstmals wurde das Modell der Lernkurve 1963 von Wright formuliert, der bei jeder Verdopplung der kumulierten Produktionsmenge eine prozentual konstante Abnahme der Fertigungszeit für ein Flugzeug um eine Stunde beschreibt. Eine Erweiterung der Lernkurve stellt die 1966 von Henderson entwickelte Erfahrungskurve dar, die besagt, dass die Kosten in einem Unternehmen langfristig 7) Weitere modifizierte Formen der Lernkurve sind in Hieber [33] zu finden.

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Abb. 7.4.4 Logarithmische Einheits- und Durchschnittslernkurve bei einer 80%-Lernrate.

die gleiche Entwicklung wie die Preise erfahren müssen. Der Effekt der Erfahrungskurve wurde von der Boston Consulting Group in verschiedenen Industriezweigen untersucht und man konnte eine Abnahme der wertschöpfungsrelevanten Kosten eines Produkts um 20–30% bei jeder Verdoppelung der kumulierten Produktionsmenge feststellen. Lern- und Erfahrungskurve unterscheiden sich im Wesentlichen lediglich durch das Ausmaß der einbezogenen Kosten. Während die Lernkurve ausschließlich fertigungszeitabhängige Kosten, also direkte Fertigungskosten, berücksichtigt, inkludieren die Kosten bei der Erfahrungskurve alle beim Wertschöpfungsprozess anfallenden Kosten (mit Ausnahme von Vor- und Fremdleistungen), also auch Kosten für Verwaltung, Beschaffung etc. [33]. Wir wollen uns anhand eines Beispiels die Anwendung der Durchschnittslernkurven bei der Preisbestimmung ansehen. Ausgangspunkt sind die in Abb. 7.4.4 dargestellten Lernkurven – die Kosten betreffen dabei nur den fertigungszeitabhängigen Anteil. Die Unternehmung hat einen ersten Auftrag über 100 Stück des Produkts zum Preis von 54,5 GE pro Stück abgewickelt und möchte nun die Preisuntergrenze für einen Folgeauftrag über 200 Stück ermitteln. Aus der Grafik lässt sich an der Durchschnittslernkurve ein Preis von 32,7 GE für 100 Stück und 23,2 GE für 300 Stück ablesen. Die fertigungsabhängigen Kosten betragen somit 60% der gesamten Kosten (32,7/54,5 = 0,6). Wie hoch soll nun der Preis für die zusätzlichen 200 Stück angesetzt werden? 300 · 23,2 = 6960 100 · 32,7 = 3270 3690 = 18,45 → 200

6960 – 3270 = 3690


Für die Herstellung von 300 Stück des Produkts würden 6960 GE an zeitabhängigen Kosten anfallen, wovon jedoch aufgrund des ersten Auftrags über 100 Stück bereits 3270 GE gedeckt sind. Somit bleiben für den neuen Auftrag Kosten von 3690 GE bzw. 18,45 GE pro Stück. Die zeitunabhängige konstante Komponente von 21,8 GE (54,5 – 32,7 = 21,8) muss zum Stückpreis des Zusatzauftrags addiert werden, womit sich ein Preis von 40,25 GE ergibt, der als Ausgangspunkt bei Preisverhandlungen angenommen werden kann 8). Bei der Anwendung von Lernkurven ist zu beachten, dass diese nur dann gültig sind, wenn auch tatsächlich ein Lerneffekt gegeben ist, was in der Regel auf Kleinserienfertigungen zutrifft. Bei der Vorbereitung zur Massenfertigung können Lernkurven eingesetzt werden, um festzulegen, ab wann ein Produktionsprozess akkordreif ist, d. h. ab wann die größten Lerneffekte erzielt sind und die Lernkurve wieder abflacht. Außerdem dienen sie zur Qualitätsverbesserung von erfahrungsabhängigen Entscheidungsmodellen im Operations Research und bei der Kostenplanung, wo versucht wird die Plankosten an die Lernkurven anzupassen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Überprüfung der Kalkulation, vor allem bei Anschlussaufträgen im Bereich der Forschung und Entwicklung, wie im Beispiel gezeigt wurde. Bei der empirischen Ermittlung der Lernraten muss bedacht werden, dass diese für unterschiedliche Kostenarten und Tätigkeiten voneinander abweichen und nicht alle Lerneffekte, die in der Vergangenheit beobachtet werden konnten, auf zukünftige Prozesse übertragbar sind [32]. Außerdem ist zu bedenken, dass das Lernen durch Innovationen im Fertigungsprozess unterbrochen werden kann, die kurzfristige Kostenanstiege zur Folge haben können, bevor ein erneuter Lernprozess einsetzt [34]. Es gibt Ansätze, die den Effekt von Lernkurven mit dem Produktlebenszyklus in Verbindung zu setzen versuchen. Bei der Einführung eines neuen Produkts am Markt sind die Produktionskosten noch hoch – sie fallen jedoch aufgrund der Lerneffekte sehr rasch mit jeder Verdoppelung der kumulierten Ausbringungsmenge. Die sinkenden Produktionskosten können an die Konsumenten in Form niedrigerer Preise weitergegeben werden, was zu einem Anstieg des Absatzes führt. Mit Erreichen der Reifephase ist ein weiteres Senken der Kosten nur noch mit großen Zuwächsen der kumulierten Ausbringungsmenge erreichbar und die Absätze beginnen langsam zu stagnieren. In der Sättigungsphase drängen schließlich Mitbewerber auf den Markt – ein weiteres Senken der Produktionskosten und somit des Preises zur Ankurbelung des Absatzes ist nicht mehr möglich. Wenn man von diesem Zusammenhang ausgeht, führt eine Anhebung der Lerneffekte zu einem rascheren Absenken der wertschöpfungsrelevanten Kosten und in weiterer Folge des Preises, wodurch es zu einer Linksverschiebung der Produktlebenskurve kommt und diese sich über einen kürzeren Zeitraum erstreckt. Ob ein Absenken der Produktionskosten unmittelbar an den Konsumenten weitergegeben wird und ob die Preissenkungen den Absatz sofort anheben, ist natürlich zu bedenken [33]. 8) Beispiel in Anlehnung an Haberstock [32].

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Abb. 7.4.5 Verschiedene Preisstrategien.

Für eine rasche Weitergabe der Kostenreduktion in Form von Preissenkungen an die Kunden spricht die sich dadurch ergebende Möglichkeit, potenzielle Konkurrenten abzuwehren. Passt ein Pionier-Unternehmen seine Preise an die, aufgrund der Erfahrungskurve sinkenden Kosten an, so werden Konkurrenzunternehmen dadurch am Markteintritt und somit am Lernen durch Erfahrung gehindert bzw. werden Unternehmen, die dennoch später in den Markt eingetreten sind und sich auf einer weniger günstigen Position der Erfahrungskurve befinden, wieder verdrängt (Abb. 7.4.5). Der Abwehreffekt, der mit einem niedrigeren Einführungspreis relativ zu den Stückkosten zunimmt, wird allerdings mit niedrigeren Stückdeckungsbeiträgen und niedrigeren kurzfristigen Gewinnen bezahlt [29]. Eine zu der kostenorientierten Preissenkung alternative Preisstrategie ist die sogenannte „Preisschirm“- oder „Umbrella“-Strategie. Hier werden die Preise trotz sinkender Stückkosten über einen langen Zeitraum auf konstant hohem Niveau gehalten, wodurch zwar einerseits hohe Stückgewinne erzielt werden, andererseits Nachahmer am Markt trotz höherer Kosten anbieten können. Das Pionier-Unternehmen hat jedoch jederzeit die Option die Preise zu senken und damit Konkurrenten wieder vom Markt zu verdrängen [29].

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7 Innovation und Innovationsmanagement 33 Hieber, W.L. (1991) Lern- und Erfahrungskurveneffekte und ihre Bestimmung in der flexiblen automatisierten Produktion, Verlag Vahlen, München, S. 8–15.

34 Rosegger, G. (1996) The Economics of Production&Innovation – An Industrial Perspective, 3rd edn, Butterworth Heinemann, Oxford, p. 89.

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Register a A-Scan-Methode 266 Abacafaser 114 Abkühlgeschwindigkeit 221 Abminderungsfaktor 32 Absatzmarkt 367 Abstandsgewebe 131 Abziehverfahren 196 Advanced Composite 248 Airbus 260, 350f. Al siehe Aluminium Al-AL4 C3 205f. Al-Fe-Ce 206 Al-Fe-V 206 Al-Si-Legierung 165, 167f., 202f. Al-Zn-Mg-Cu 197, 200ff. Alkoholyse 304, 308, 313 Al2 O3 204 AlMgSi 237, 292, 334 Altfahrzeugverwertung 281 Altschrott, sortenrein 290 Altstoff 279ff., 290f – Aluminium 195, 286, 290f., 299f. – metallisch 285ff. Aluminium 190, 289ff., 329ff. – Bauteil 178, 196 – Bedarf 290 – Gewinnung 283, 291 – Gusseisenlegierung 183f. – Gusskomponenten 175f. – Gusswerkstoff 181f. – Halbzeug, karbiddisperionsverfestigt 205 – Karosserie 329ff. – Pulver 194 – Sandgießen 177 – Spaceframe 324, 326 – Strangpressprofil 348 – Verbrauch 287

– Verfestigung 90, 93 – Werkstoff 79, 290, 296, 324 – Werkzeug 249 Aluminium-Legierung 147, 163, 178, 226, 272 – Bruchdehnungsgrenzwert 216 – Kohlenstoffendlosfaser verstärkt 92 – Streckgrenzenwert 216 Aluminiumknetlegierung 104, 161ff., 237 – Zugversuchskurve 89 Antriebskonzept 321 Aramidfaser 109, 111ff., 124 Arrhenius-Darstellung 95 Ashby-Diagramm 138, 143, 149ff., 157f. Atlasbinding 123f. Atomradien 81 Auflegen 254 Ausdehnungskoeffizient, thermischer siehe Wärmeausdehnungskoeffizient Aushärten 255, 263ff. – in heißem Wasser 264 Ausstoßverfahren 196 austempered ductile iron (ADI) 180f. Autoklavhärtung 264 Automobilbau 203, 215, 217 Autorahmenbauweise 333 Axialformen 231 Axiallast, kritisch 23f., 31ff. b Balsaholz 2f., 150 Bambusrohr 139 Bandprofilwalze 220 Basaltfaser 107f., 113 Bauteil – Qualifikation 268 – Stabilität 217 – Versagen 49ff.


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Register Beanspruchung-Zeit-Verläufe 60 – Klassierung 61 Begleitproben 267 Belastungsart 26, 69, 146, 151f. Berechnungskonzept 66 Betriebsfestigkeit 49f., 61, 69 – Lebensdauerberechnung 64 Beulen 20ff., 25ff., 49, 351 Beulfaktor 26ff., 31 Beulmuster 28f. Beulsicherheit 38f. Beulspannung 26, 30ff. Biegebalken 84, 86, 149ff. Biegebeanspruchung 133ff., 147ff., 160f. Biegedrillknicken 21, 24, 27 Biegefestigkeit 33, 155 Biegemoment 33, 38, 164 Biegesteifigkeit 30, 33f., 130, 135, 154ff., 217, 325 Bismaleinimid (BMI)-harz 357 Blechdickenverhältnis 216 Blechstrukturen, Fertigungsverfahren 225 Blechumformprozess 216, 218 – Simulation 240 Blechverstärkungskonzept 223ff. BMW Isetta 328 Brandriss 187 Bruch 54, 97ff. Bruchtyp 97f. Bruchwahrscheinlichkeit 100 Bruchzähigkeit 98, 102f., 161 Bruchzähigkeitskennwert KIc 152 Bulk Molding Compound (BMC) 263f., 305ff. – Duromer 100, 128f. c C-Scan-Methode 266 Calciumcarbonat 307, 311 Cambridge Engineering Selector (CES) 157, 162 Carbonfaser siehe Kohlenstofffaser CFK-Rippen 355 Chitin 8 CLEVER 327ff. – Bauweise 332f. – Design 333f – Demonstrationsfahrzeug 337 – technische Daten 338f Climbin-Drum-Peel-Probe 267 Compact Low Emission Vehicle for Urban Transport siehe CLEVER

Compostite siehe Verbundwerkstoff compressed natural gas (CNG) 317f. Conjoint-Analyse 377f. Copra-Software 240 Crashanforderung 323 CrMo, Stahl 340, 345 Crush-Core-Technologie 250, 265 d Dauerfestigkeit 56ff., 70ff., 233, 238f., 273, 345ff. Deckschichtmaterial 33 – Defekte 100, 187 Deformations-/Spannungsanalyse 15f. Deformationsverhalten 134ff. Dehngrenze 77, 79, 84f. 88f., 143 Dehnsteifigkeit 30, 33, 164 Dehnung 66f. – elastisch 83 – makroskopisch, plastisch 58 Depolymerisationsreaktion 304ff. Deponierichtlinie 302 Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) 219 Diamond Like Carbon (DLC) 347 Dichtmasse 254 Differentialbauweise 42ff. Diffusionskoeffizient 94f. Diffusionsprozess 374 DIN 8580 174 DIN EN 1706 181, 184f. DIN EN 1753 181, 184, 186 DIN EN ISO 945 179 Dispersionshärtung 204 Donnel’sche Gleichung 30 down cycling 285, 293, 296, 304 Drillwiderstand 19f. Druckbeanspruchung 146 Druckbelastung, axiale 31 Druckfestigkeit 4 Druckguss 167f., 178, 182ff., 217f. Druckkessel 257 Druckstab 152ff. Druckzyklus 264 Drückwalze, zylindrische 231 Durchschlagen 20f. Durchschnittslernkurve 379f. Dynamic Capability View 367 e Ecklastspielzahl 57, 68, 71 Eckverbindung 235, Effizienz, mechanische 9f.

Register Eigenspannung 117 – Verlauf 237ff. – Zustand 40 Einführungsphase 376 Einheitslernkurve 379f. Eisen 92, 285, 289, 299 – Gewinnung 285, 296 Eisengusswerkstoff 173ff. 183 – Eigenschaftsbereiche 180 Elastizitätseigenschaft, 83 Elastizitätsgrenze 77, 84, 88ff., 151 Elastizitätsmatrize 35f. Elastizitätsmodul 4f, 7ff., 54, 79, 83ff., 91ff., 108ff. 143ff, 207, 226, – Dichte-Diagramm 143, 157 Elektrolytpulver 199 E-Modul siehe Elastizitätsmodul End-of-Life Vehicles Directive 302 Enduro 340, 342 Energiebedarfvergleich – Al-Legierung 283f – Mg-Legierung 284 Energieeinsparung 298 Energiespeicher 297 Entgasung 188, 258 Entrepreneur 362ff. Entwicklungszeit 49, 240, 317, 373 Epoxidharz (EP-Harz) 115ff., 132, 161, 256, 325, 353 – Eigenschaften 117 Erdgasantrieb 317, 323 Erfahrungskurve 380 Erfolgsfaktorenforschung 366f. Ermüdungsvorgang 50f. Erstarrungssimulation 274ff. Euler-Knicken 21, 24f. f Fachwerkbauweise 2, 22, 42 Fahrradrahmen 138f., 157 Fahrzeugbau 174, 179ff. Fahrzeugkonzept 317ff. Fallstudiensammlung 373 Faser-Halbzeug 122ff. – 3D 126f. Faserlänge 120f. Faser-Matrix-Halbzeug 122, 128 Faserorientierung 7ff., 120f., 132ff. – helikoidale 9 Faserspritzen 263 Faserverbundwerkstoff 8, 106, 114, 117ff., 131ff., 208, 248, 304ff., 325f. Faserwelligkeit 123f.

Faserwerkstoffe 112, 122 – Materialkennwert 109 Federbein 178f., 220, 340, 345, 348f. Federkiel 5 Feinblech 215ff. – strukturierte 224 Feinkornhärtung 90 FE-Methode siehe Finite Elemente Methode Fertigungstoleranz 141, 171 Festigkeit 9f., 35, 38, 46, 56, 59, 78, 88ff., 99, 104, 107ff., 143, 152,182ff., 204ff., 215f., 263, 270, 305ff., 337, Festigkeitserfordernis 15 Festigkeitsmodul 99f. Festigkeitsoptimierung 46 Festwalzen 236 Finite Elemente – Berechnung 53f – Methode (FEM) 15, 45, 60, 66f., 70ff., 90, 276, 347 – Programm 241 – Struktur 69f. Fire Smoke Toxicity (FST) 358 First-Ply-Failure (FPF) 37 Flächenträgheitsmoment 19, 22ff., 147, 154, 220, 223, 226 Flächenwiderstandsmoment 228 Flachsfaser 114 Flammspritzen 250 Flammtest 358 Flechttechnik 256 Fließgrenze 54 Fließpressen 231, 236 Fließrollverfahren 231ff. Fließschubspannung 59 flow forming 231 Flugzeugbau 350ff. Flugzeugnase 353f. Flüssigpressen siehe Squeeze-Casting Formänderungsvermögen 216 Formfaktor 98, 153ff. Formgieß-Verfahren 174 – Einteilung 175 Formhärten 220ff. Form-Optimierung 45 Formwerkzeug 130, 225, 247f. Formzahl 53 Fügbarkeit 171, 219, 272 Fügeverfahren 355 Füllstoff 101, 118, 305ff. – für Aluminium-Gusskomponenten 176

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Register g Gabel – Upside Down 343, 345 – Vorderrad 347f. Gasblasen 188 Gastank 321, 324 Gebrauchsparameter 145, 147, 153f., 157 Geflechte 123ff. Gefügefehler 187 Gelcoat 250 Gelege 123ff., 127, 251, 256, 356 – multiaxial (MAG) 125 – undirektional (UD) 123 Garn 122 Gestaltänderungsenergiehypothese 60 Gesenkschmiedeteile 237 – Simulation 240f. Gesenkschmiedeteile, fertigungsgerechte 218 Gestaltungsoptimierung 364 Gestricke 126f. Gewebe 123f., 251, 261 Gewichtsreduktion 113f., 186, 215, 231f., 257, 331ff., 354 Gewirke 126ff. Gieß-Schmieden 175 Gieß-Simulation 187f. Gießtechnik 173ff. Girlandendiagramm 31 Gitterrohrrahmen siehe Space-Frame Glas 131, 252f. Glasfaser 107f., 124f., 249, 263, 308ff. – elektrische 108 – resistance, strength 106 – Rückgewinnung 308ff. Glasübergangstemperatur 95 Gleichgewichtsverzweigung 20f. Glycolyse 309, 313 Graugusslegierung 165 Grenzformänderungskurve 216f. Gusseisen, ausferritisch siehe austermpered ductile iron Gusseisenlegierung 183 Gussknoten 273, 276, 332 Gusslegierung 73, 174, 179, 181ff., 188, 290ff. – Eigenschaften 182ff. – Zugversuchskurve 89 Gussteile, Konstruktionsrichtlinie 184 Gütefaktor 39f.

h Haftungsvermögen 117 Halbzeug 42 – imprägniert 128 Hammermühle 306 Hanffaser 114 Hartschaumkern 130 Härtungseffekt 206 Harzinfusionsverfahren 255, 260, 357 Heat Forming 230 Heck-Mittelmotor 321 Heizwert 309ff. Herstellungsverfahren, Wirtschaftlichkeit 167 HI-LOK 354 Hochleistungsthermoplast 115, 119 Hochleistungsverbundstoff 106, 110, 117 Hochtemperaturthermoplaste 261 Hohlwellen 230f. Holz 1ff. – Materialeffizienz 147 Honigwabe (honeycomb) 351 – Kern 226 Hybridbauweise 220 Hydraulikzylinder 337 Hydrierung 308 – Transfer 310 Hydrolyse 304, 308f., 313 i Imperfektionsempfindlichkeit 30f. Infrarot-Ofen 262 Injektionstechnologie 255 Injektionstemperatur 258 Innenhochdruckumformung (IHU) 229 Innovation 361 – demand-pull 370ff. – market-pull 372 – supply-push 370ff. – technology-push 372 Innovationsprozess 361ff. Integralbauweise 41ff. Interaktionsdiagramm 26f. j Jute

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k Kaltlauf 188 Kármán’sche Plattengleichung Karosserie 43, 217, 328, 333 Keel Beam 356 Kenaf 114 Keramik 81ff., 138

26

Register Kerbe 51ff., 69ff., 97f. Kernpaketverfahren 168ff. Kernverhalten 33 Kevlar siehe Polyamid, aromatische Kippen 20, 25, 30, 39 Kirchhoff’sche Hypothese 34f. Klappen, aerodynamische 351 Knetlegierung 104, 161f., 217, 233, 237, 288, 290ff., 299f. Knicken 4f., 8f., 14f., 20ff., 46, 217 Knicklänge 24 Knicklast 24f, 34 Knickspannung 24 Knittern 35 Knochen, trabekulär 1f., 4f., 9, 11f. Koextrusion 272f. Kohlenstofffaser 84, 89, 124, 260, 308ff. – Endlos 248 – Herstellung 109f. – Kategorie 110 – Materialkennwert 110 – Verstärkung 86 147, Kokillenguss 167, 170, 176f., 186, 349 Konstruktionsrichtlinie 15, 184 Konstruktionswerkstoff 77ff., 114, 137, 139, 145, Koppeleffekt 134f. Korngrenzendiffusion 96f. Korrosion 102f., 164, 166, 268, 279f., 288, 297f. – Beständigkeit 113, 118, 202 – galvanische 102 Kreislaufschrott 290, 293, 299 Kreislaufwirtschaft 296 Kreiszylinderschalen 30ff. Kriechdehnung 95 Kristall – Fehler 90 – Gitterverband 90 – Struktur 82, 217 Krümmungsänderungszustand 36 KTM 340 Kugelgraphit 179ff., 186, 189 Kunststofffaser 110ff., 124 Kunststoff 78ff. – glasfaserverstärkt (GFK) 107, 161, 305 – Kohlenstofffaser verstärkte (CFK) 43, 84, 103, 139, 143, 147ff., 157, 162, 268f., 314, 350ff. – Materialeffizienz 147 Kunststoffproduktion 302 Kunststoffverwertungsmethoden 303ff.

Kupfer 199, 224, 329 – Legierungen 162, 165, 288 l Laminat 107, 115, 351 – Aufbau 133f., 251 – Randeffekt 134ff. – Struktur 35ff. – Theorie 35ff. – Type 121 – unsymmetrisch 143 Langzeitfestigkeit 57 Laser – projektor 254 – schneiden 219, 243, 345 Last, kritisch 21, 23ff. Lastspannung 26 Lay-up-Prozess 252f. LD-Stahl 364f. Lebensdauerberechnung 60, 63ff., 72 Lebensdauertest 268 Legeverfahren, thermoplastisch 262 Legierung, rapidly solidified (RS) 206 Legierungselement – Cu 200 – Mg 200 – Pb 199 – Si 200 – Sn 199 Legierungstechnik, blended elemental 209 Legierungsweiterverwertung 291f. Leichtbau 14 – Berechnungsmethode 14f. – Grundsätze 217ff. – Güte 217 – Prinzip 1ff Leichtlegierung, Materialeffizienz 147 Leichtmetall 78ff., 149f., 173f., 192, 210f., 333 – Recyling von 280ff., 289ff., 333 Leichtwerkstoff 78, 86, 101 Lernkurve 378ff. Lokasil-Verfahren 168 Lost Foam Casting siehe Vollform-Verfahren Lunker 119, 188f., 273f. m Magnesium 80, 293ff. – Gewinnung 284ff. – Gusseisenlegierung 184, 186 – Gusswerkstoff 182, 273 – Knetlegierung 217 – Reststofffraktion 294

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Register – Schrott, Klassifizierung 295 – Wieder-/Weiterverwertung 295 Magnesiumlegierung 147, 165, 167, 178 – Hauptlegierungselemente 294 Manson-Coffin-Regel 101 Magnetarc-Schweißen 189f. Markolunker siehe Lunker Marktbedarf 145, 362 Marktinnovation 363 Martensitnadel 92f, Massivumformverfahren 241 – Simulation 241f. Materialabtrag 101 Materialausnutzung 39f., 232 Materialeffizienz 3, 141ff. – formspezifisch 157 Materialkennwert 108, 113ff. 131f., 166 Materialkreislauf 281ff. Material-Optimierung 45 Materialqualifikation 268 Materialumbau 11 Materialverhalten, anisotrop 111ff., 131ff Materialwiederverwertung 286 Matrixmaterial, thermoplastisch 118f. 261f. Matrixwerksstoffe – Materialkennwert 116 – Materialverhalten 131 Matten 124 Mehrkörpersimulation (MKS) 60 Mehrphasenstahl (MP) 216 melt spinning 205 Membrandruckkraft 30 Membranspannungszustand 26 Mercedes 300 SL 330f. Metal Injection Molding (MIM) 209f. Metalle 138 – Verfestigungsmechanismen 90 Metallgewinnung, primäre 281ff., Metallpulverspritzgießen siehe Metal Injection Moulding Metallschale 259f. Mg siehe Magnesium MIG-Verfahren 190 Mikrodefekt 207 Mikrofibrillenwinkel (MFA) 6f. MILA 317ff. Miner-Regel, relative 68f. Minimume Efficient Scale (MES) 371 Mischbauweise 271ff. Mischen 195 Mischungsregel – lineare, nach Voigt 86f., 93 – reziproke, nach Reuss 86

Mittelspannung – Verschiebung 62 Modellstruktur, fraktale 9 Motocross 341 – Maschine 450SX-F 345f. Motor-Drehmomentkurve 342 Motor-Kurbeltreib 346 Motorrad, Ready to Race (R2R) 340ff. – Kupplung 343 – Motorgetriebe 344 – Rahmenkonstruktion 345 Motorradrahmenbauweise 334 Motorwerkstoff, Eigenschaften 163 Multi-Material – Bauweise 215 – Komponente 271ff. n Nachbeulverhalten 21,29, 32 Nachpressen 201 Naturfaser 107f., 113f. Near-Net-Shape-Verfahren 178 Neigemechanismus 337 Nennspannung 51ff., 66 Net-shape Technologie 192, 208 New Steel Body-Projekt (NSB) 216ff. Nickelwerkzeug 249 Niederdruckguss 167 Nomex-Wabe 111, 130, 250, 352f., 358 Normalspannungshypothese 58 Normalspannungskomponente 29 Norton’sche Kriechgesetz 95 o Ofenhärtung 265 Off-Shore-Struktur 105 Opel Zafira 224 Optimierungsprozess 44, 321 Optistruct 223 Organisationstheorie 363 Organismen, fliegende 2 Osprey-Verfahren 208 Osteophyt 11 Outer Bypass Duct 357 Oxideinschlüsse 188 Oxidschicht 102, 202f. p Palmgren-Miner Verfahren 67f. Panhard Dyna 331 Parameter-Optimierung 45f. Partikelrecycling 304ff. Patch-Blech 219 Patchwork-Technik 219

Register Patentsystem 373 Pflanzenblatt 4 Phenolharz 115, 118, 161, 358 PKW 145, 215, 221, 239, 263, 276f., 297ff., Platte 25 – Biegesteifigkeit 26 – Konstruktion 15 – kreisförmig 151f. Plattierung 221f. Pleuel 342ff. PM-Sinterformteile, Anwendung 202 Poisson-Zahl 83 Polardiagramm 131 Polar-Wickeln 260 Polyacrylnitril (PAN) 110f. Polyamid (PA) 119, 129, 261 – aromatische 111 Polybutylenterephthalat (PBT) 119, 129, 261 Polyesterharz, ungesättigt (HP) 115, 117ff., 307 – Eigenschaften 117 – glasverstärkt 309 Polyetherimid (PEI) 119 Polyetherketon (PEK) 119, 261 Polyethersulfon (PES) 119 Polyethylenfaser 112 Polyethylenterephthalat (PET) 119, 129 Polymer siehe Kunststoff Polymermatrix-Materialien 114ff. – Materialparameter 120 Polymermatrix-Verbundwerkstoff (PMC) 105ff., 247, 350 – Bauteilfertigung 247ff. – Flugzeugbau 350ff. Polyphenylensulfid (PPS) 119, 261 Polypropylen (PP) 119, 129, 261 Polysaccharid 5, 8 Polysulfon (PSU) 119 Portefeuille 167f. Präzisionsteil 191 – vorlegiert (prealloyed) 194, 209 Precursorfaser, polymere 110 Preform siehe auch Faservorformlinge Preform-Herstellung 255ff. preimpregnated fibers siehe Prepreg preimpregneted fabrics siehe Prepreg Preisindex 84 Preisschirm-Strategie 382 Prepreg 252ff., 356 – duroplastisch 127f. – Härtung 265

– Schneidemaschine 253 – thermoplastisch 128ff. Prepreg-Lay-up- Technologie 256 Pressen 195 – heißisostatisch 192f. – Härtung 220, 265 Primärmetall 280ff. Produktentwicklung 139 Produktinnovation 363 Produktionsreststoff 281 Produktlebenszyklus 280, 376ff. Produktoptimierung 239 Produktrezyklieren 286 Profilübergang 234 Progressive Damping System 345, 348 Projektdefinitionsprozess 319 Prothetik 105 Prozessinnovation 363 Pultrusion 261 Pulver – Segeration 194 – spratzig 193f. – vorlegiert 194 Pulvermetallurgie (PM) 191ff. Pulverspritzgießen (PIM) 207ff. Pulververdüsung 205 Punktdefekt 91 Pyrolyse 110, 380f. q Qualitätskontrolle 266 Quarzglasfaser 109 Quarzsand 312 Querkraftbiegung 16 r Radialschmieden 237ff. Raffsicken 223 Rahmenteile 336 Rainflow-Klassierverfahren 63 Rallye 342 Randversteifung 43, 223f. Rastlinie 50 Rechteckkern 226 Rechteckplatten, elastisches beulen 26 Recycling siehe Rezyklierung Reduktion, elektrolytische 283 Reibungschweißen 269 Reifephase 376 Reinraum 253f. Rekonfiguration 36 Rennfahrzeug 330 Resin Film Infusion (RFI) 258, 260, 356

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Register Resin Transfer Molding (RTM) 255, 265, 355ff. – Bauteile 258f. Ressourcen, natürliche 296 Rezyklierbarkeit 261, 279 – Faserverbundwerkstoff 304f. – Kunststoff 301ff. – metallischer Werkstoff 279ff. Rezyklierquote 297 Rezyklierrate 286 Rezyklierung – innerbetrieblich (in-house) 283, 288, 303 – Kosten 313 – mechanisch 306ff. – Polyurethan 313 Rippen 224 Rissbildung, innere 97 Rissfortschritt 67 Robustheit 46 Roheisen siehe Eisen Rohrgeometrie 155 Rohstoff 280 Röntgen-Computer-Tomografie 266f. Röntgenprüfung 266 Röntgensortieranlage 289 Rotationsschalen 29f. Rotationstransformation 36 Rovings 122 Rührkugelmühle 205 Rumpfkomponente, tragende 356 Rumpfmarkt 376 Rundkneten, Vorteile 238 s Sandguss 167, 175ff., 272 Sandwich-Balken 39 – Deformationsverhalten 34 Sandwich-Kern 41 Sandwich-Konstruktion 4, 34, 226, 351, 354 Sandwich-Struktur 33ff., 118, 130, 225 SAP-Metall 204 ScaLight 217 Schadensakkumulation 67 Schadstoffemission 338 Schalenkonstruktion 16 – hierarchische 10 Schalenstruktur, schubsteif 41 Schallemission 225 Schaumstruktur 4 Scherbruch, duktiler 97 Schlagzähigkeit 261

Schlauchform 123f. Schredderabfall 309 Schrumpfungslunker 273 Schubdeformation 33 Schubfeld-Theorie 16ff. Schubfeldträger 17 Schubmodul 25 Schubnachgiebigkeit, transversale 27 Schubquerschnitt 25 Schubspannung 17f., 28, 37, 89ff. – Hypothese 58f. – interlaminare 135 Schumpeter’schen Suchfelder 363 Schumpeters Konzeption 369 Schweißen 189 – Aluminium 190 – elektrisch 269 Schwingbelastung 56 Schwingfestigkeit 56, 60 Schwingungsamplitude 56 Schwingungsanalyse 15 Sekundär-Aluminium 290, 293 – Produktion 79f. Sekundärlegierung 283ff. Selbstheilungsfähigkeit 10 Selektionsumgebung 362, 369 Sheet Molding Compound (SMC) 264, 305ff. – Duromer 127f. – Verfahrensschema 307 Short-Beam-Shear-Test 267 SiC 203 Sicken 38, 43, 223f. Sickenoptimierung 223 Silanschlichte 109 Simulationssoftware 240f. Sinteratmosphäre 201 Sinterformteil 195f., 201ff Sinterhartmetalle 192 Sintern 197 Sintertemperatur 199 Sisal 114 Skelettbauweise 2 Space-Frame 226f., 273, 322, 330 – Konzept 226f. Spaltbruch 97ff. Spannungs-Dehnungs-Diagramm 54, 67, 88, 93 – zyklisches 55 Spannungsgradient 70ff. Spannungsintensitätsfaktor 98 Spannungsrisskorrosion 102 Spannungsverteilung 51ff.

Register Sphäroguss 189f. Squeeze-Casting 167f., 174ff. Stab 18ff. – Instabilität 28 Stabilitätsanalyse 15, 31 Stabilitätssicherheit 21, 23, 42 Stabilitätsverlust 20ff., 30 – axial belasteter Stäbe 21f. Stahl – ferritisch 57, 89, 101 – Materialeffizienz 148 – Zugversuchskurve 89 Stahl/Aluminium-Verbundblech 222 Stahlblech 216f., 222, 231 – Güte 220 – Streck-/Bruchdehnungsgrenzwert 216 Stahlwerkzeug 249 Stauchpressen 238f. Staulufteinlass A 320 353 Steifigkeit 3, 21, 46, 84, 145, 149, 223ff., 235 Steifigkeitserfordernis 15 Steifigkeitserhöhung 217, 223 Steifigkeitsoptimierung 46 Strangpressen 204, 207f., 233f., 272 Streckgrenze 59, 89, 142 Stringerprofil 272f., 356 Struktur – dünnwandig 14 – trabekulär 11f. – zellulare 1, 4, 84, 86 Strukturknoten 234f. Strukturmechanik 15 Strukturspannungskonzept 67 Stützstoff 122, 130 Styrol 118, 263, 309f. Summenhäufigkeitskurve 63 Supersolidussintern 200

– Langfaser verstärkt (LFT) 128f. – Umformen 262 – Zugversuchskurve 89 Titan 80, 91, 210, 225, 285 – Aluminium Legierung 347 – Gewinnung 209f. 285 – Halbzeug 209 – Legierung 140, 142, 147 – Knetlegierung 161, 226 – Produkt 191 – Pulver 104, 211 – Schraube 268 – Werkstoffe 208 Tooling-Prepregs 249 Topologie-Optimierung 44, 46 Torsion 18f Torsionssteifigkeit 18f., 25, 38, 217, 226f. TOSCA.bead 223 total life cycle assessment (TLA) 280f. Toughener 255 Trägheitshauptachse 19, 22, 24 Trägheitsradius 22, 24 Tragreserve 18 Transversalverschiebung 22, 25 Trennung, magnetische 289 TRIP-Stahl 216 Tubus-Wabe 130f. Twaron siehe Polyamid, aromatische

t T3 -Profiliertechnik 228 Tailored Blanks 220 Tailored Rolled Blanks (TRB) 220 Tailored Tubes 228 Taktzeit 128f., 215 Tape-Legemaschine 252, 254, 356, 359 Technologie-Monitoring 366 Technologiezyklus 369, 374 Technora siehe Polyamid, aromatische Teilchenverbundwerkstoff 247 Temperaturzyklus 264 Textilprozess, 3D 256 Thermoplast – Glasmatten verstärkt (GMT) 119, 128f.

v Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) 258f. Vakuumsack 252, 254 – Verbindungstechnik 189 VE-Harz siehe Vinylesterharz Verbrennungsmotor 163, 326 Verbund, hierarchischer 8 Verbundguss 273 Verbundwerkstoff 14, 40, 78, 86f., 139 – Al-Basis 205ff. – endlosfaserverstärkt 120 – Flugzeugbau 350ff. – kurzfaserverstärkt 120 – Leichtbaustrukturen 122f.

u Überdruck, innerer 32 Ultraschallschweißen 269 Ultraschalluntersuchung 266 Umformtechnologie 214ff. Umschmelzlegierung 291, 299 Umweltbeeinträchtigung 283f. Umweltschädigungskategorie 280

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Register – Materialeffizienz 142ff. – Polymermatrix- 105ff. – Schalen 258f. – Werkzeug 249 Verdrehung 22, 122 Verdrehwinkel 36 Verdrillung 19f., 134f. Verdüsungsparameter 208 Verfahren, stochastisch 47 Verformung 134 – plastische 7, 67, 88ff. – elastische 83f., 101, 145ff. Verformungsamplitude, plastische 101 Verformungswert 352 Verformungsverfestigung 54 Vergasung 308, 310 Vernetzungsgrad 117 Versagensspannung 37 Verschiebung, transversal 22, 25 Verschleißfestigkeit 165, 170, 207 Verschleißrate 79, 101f. Verschleißsystem 101f. Verstärkungsfaser, Rückgewinnung 308 Versteifung 42 – freier Ränder 38f. Verwertung, thermische 289, 303f., 310f. Verwertungsquote 281f., 289 Verwertungsrecht 368 Verzerrungszustand 36 Vinylesterharz 118 Viskosefaser 110 Vliese 122ff. Vollform-Verfahren 174 Volumendiffusion 96 Volvo C 70 230 von-Mises-Zweistab 22 Vorformgeometrie 241

Wellenzahl 29 Werkstoff 77ff. – Belastungsgrenze 103 – Dispersionsverfestigte 204 – Eigenschaftsprofil 77f. – spröder 99 Werkstoff, faserverstärkt 120 Werkstoff-Datenbank 142 Werkstoff-Kreislauf, metallischer 282 Werkstoffauswahl 138ff. Werkstoffeigenschaft 142ff. Werkstoffentfestigung 55 Werkstoffkategorie 80f., 138, 157f. – Bindungsarten 82f. Werkstoffkenngröße 85, 164f. Werkstoffkosten 153 Werkstoffschädigung 97ff. Werkstoffspezifikation 141, 171 Werkstoffverbund 14, 40, 78, 165, 167, 273 Werkstoffverfestigung 55 Werkstoffvergleich 165 Werkstoffverhalten 50, 54ff. Werkstoffsubstitution 142, 364 Werkstoffweiterverwertung 288 Wettbewerbsbeobachtung 366 Wickeltechnologie 260f. Widerstandschweißen 269, 355 Widerstandsmoment 39, 228 WIG-Verfahren 190 Wirbelschichtanlage 311f. Wirbelstromseparator 289 Wirtschaftlichkeitsüberlegung 374 Wöhlerdiagramm 57 Wöhlerlinie 56, 65ff. Wöhlerversuch 56 Wölbstruktur 225 Wölbwiderstand 22

w Wabenanordnung, 3D 225 Wabenkern 130f. Wabenstruktur 2f., 9 Wachstumsphase 376 Walzprofile 228 Walzprozess 220 Warmumformtemperatur 230 Wärmeausdehnungskoeffizient 79, 83, 94, 109, 111, 113, 116, 202, 249, 258 Wärmebehandlung 183f., 194f., 201, 348 Wärmeschweißverfahren 269 Wärmeübergangskoeffizient 220 Wasserstrahl-Schneidemaschine 262 Weibull-Modul 99f. Weibull-Statistik 99 Wellenkern 226

z Zeitdehngrenze 79, 96f. 164 Zeitfestigkeitsbereich 57 Zeitfestigkeitsgeraden 56 Zellulosefaserverbund 6f. Zirkonsand, ZrSiO4 204 Zug/Druck-Biege-Gradientenkonzept 70ff. Zugbeanspruchung 146 Zugbruch 30 Zug-Druck-Beanspruchung 51 Zugdruckbelastung 149 Zugfeldtheorie 29 Zugkraft, äußere 145 Zusammenbau 268, 335ff. Zuschneiden 253, 262 Zylinderblock 163ff. Zylinderschale, orthotrop versteift 44

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