Leichtbau Engineering

Leichtbau-Elemente Bauteilstruktur, Material, Fertigungsverfahren

Im Leichtbau-Engineering geht es um die Aspekte Bauteilstruktur, Material und Fertigungsverfahren – und ihr Zusammenwirken. Mittels Simulation & Berechnung entstehen belastungsgerechte Bauteilstrukturen, die Material und Fertigungsverfahren berücksichtigen. Das Potential von Leichtbau-Konstruktionen, Kosten zu senken, liegt im Zusammenspiel dieser Aspekte.

 

Branchen, Produktanwendungen

Automotive
PKW, Motorräder, Rennsport, LKW. Zur Erfüllung von Normen, gesetzlichen Vorgaben sowie Erhöhung von Transportkapazitäten (LKW/Flugzeug).

  • Karosserieaußenteile
    (Türen, Motorhauben, Heckklappen, Kotflügel, Spoiler)
  • Interieur/Innenraum
    (Sitze, Innenraumverkleidungen, Ladeböden, Ablagen)
  • Tragstrukturen
    (Querträger, Dächer, Bodengruppen)
  • Abdeckungen
    (Unterbodenverkleidung)

Eisenbahn

Luftfahrt / Raumfahrt

Mobile Geräte und Komponenten

  • Medizintechnische Geräte: Notarzt-Tragegerüst, Liege, Bare
  • Gartenpflege und Ladwirtschaft: Gartengeräte
  • Haushalt: Reinigungsgeräte
  • Transportbehälter / Paletten / Verpackungen
  • Kinderwagen (Buggy)
  • Rollatoren
  • Rollstühle

Sport, Outdoor, Freizeit

  • Fahrradkomponenten und -equipment
  • Helme (Motorradhelm, Skihelm, Kletterhelm)
  • Schuhe
  • Ski-Stöcke / Wanderstöcke
  • Musikinstrumente

Eine Leichtbau-Konstruktion bringt immer dann Vorteile wenn einer oder mehrere der folgenden Punkte entscheidend sind:

  • Verbesserung der Energieffizienz
  • Erleichterung der Benutzbarkeit
  • Einhaltung gesetzlicher Vorgaben

Aspekte des Leichtbau-Engineerings

Bauteilstruktur
Die Bauteilstruktur wird im Konstruktionsprozess von Beginn an belastungsgerecht dimensioniert bzw. ausgelegt. Die Topologieoptimierung ist die Grundlage dieser belastungsgerechten Auslegung. Für diese CAE-Simulation müssen vollständige Informationen vorliegen zu

  • Bauraum
  • definierte Lasten/Lastfälle
  • Randbedingungen

Material
Im Leichtbau ist häufig von "Zukunftsmaterialien" die Rede. Dies sind Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe wie CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), Endlosfaserwerkstoffe (endlosfaserverstärkte Thermoplaste). Im Allgemeinen handelt es sich um Werkstoffe wie Tapes, Carbon, Kohlefaser, Kevlar und Biocomposite Werkstoffe.

Auch Organobleche kommen als thermoplastische Halbzeuge zum Einsatz. Sie werden zur Funktionsintegration wiederum mit Thermoplasten umspritzt. Dabei verbinden sich Ausgangsmaterial und Umspritzung problemlos.

Metallische Werkstoffe sind eine weitere Gruppe an Leichtbaumaterialien: Aluminium, Magnesium, Titan und hochfeste Stähle eignen sich für Leichtbaustrukturen. Sie sind jedoch als Rohstoff meist kostenintesiver.

Die Kunststofftechnik spielt im Leichtbau ebenfalls eine Rolle. Moderne Hochleistungskunststofffe eignen sich zunehmend für Leichtbaukonstruktionen.

Fertigung
Es gibt unterschiedliche Fertigungsverfahren im Leichtbaubereich mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften. Auch die Kosten etwa für Werkzeuge variieren. Einige typische Fertigungsmethoden sind:

  • RTM (Resin Tranfser Molding), HP-RTM
  • CRTM (Compression RTM)
  • SMC (Sheet Molding Compound) – zur Verarbeitung duroplastischer Materialien. Erfordert Nacharbeit z. B. an Kanten und Verbindungsstellen
  • CCW (Crush Core Wetpressing)
  • Mucell-Verfahren
  • Wasserinnendruck-Spritzgießen
  • Spritzgießen bzw. Spritzguss – für die Großserie
  • Thermoformen – insbesondere für kleinere Serien wirtschaftlich

Als "Zukunftsmusik" gelten Verfahren des generativen Fertigens bzw. das „Additive Manufacturing“. Die additive Fertigung ermöglicht hohe Freiheitsgrade in der Bauteilstruktur („Complexity for free“) und jegliche Form von Anzahl an Varianten („Variants on demand“). Es handelt sich prinzipiell um eine Art "3D-Druck von Strukturbauteilen". Dies erlaubt mehr Freiheit in der Konstruktoin und Entwicklung und geht bis hin zur werkzeuglosen Fertigung bzw. Fertigung ohne Rüstzeiten. Einige derartige Verfahren sind

  • Selective Laser Melting (SLM)
  • Fused Deposition Modelling (FDM)
  • Stereolithografie (SLA)
  • Selektive Laser Sintering (SLS)

Entwicklungsprozess

Im Leichtbau unterscheidet sich der Entwicklungsprozess von der "konventionellen" Konstruktionsweise. Die grundlegende Bauteilstruktur ist schon vor der eigentlichen Konstruktion bzw. Bauteilauslegung weitgehend durch die Simulation ermittelt: Die Topologieoptimierung errechnet die auf den Lastfällen basierenden Kraftflüsse innerhalb des Bauraums und die resultierende Materialverteilung. Das ist die Grundlage für die Bauteilauslegung bzw. Bauteilstruktur. So entsteht von Beginn an eine belastungsgerechte Konstruktion.

Voraussetzung dafür ist, dass alle Lastfälle zu Beginn der Entwurfsphase bekannt sind: Welche Lastfälle treten wann auf? Wirken Lastfälle gleichzeitig? Und sind tatsächlich alle Lastanforderungen an das Bauteil bekannt? Nur wenn sämtliche Lastfälle für die Berechnung vorliegen ist es möglich, Überdimensionierungen zu vermeiden.

Typisch für den Leichtbau ist auch die parallele Betrachtung von unterschiedlichen Materialien und Fertigungskonzepten.

Herausforderungen und Risiken im Leichtbau

Wirtschaftlichkeit / Kosten
In einigen Verfahrens- und Materialfragen im Leichtbau gibt es noch wenig Erfahrungswerte. Daher können die Kosten stark von einzelnen Vorgehensweisen abhängen. Im Wesentlichen geht es um folgende Bereiche:

  • Entwicklung
  • Bauteil/Stückkosten
  • Material
  • Werkzeuge

Entwicklung & Konstruktion

  • Eine reine 1:1-Substitution gegen vorhandene Bauteile (Metallsubstitution, Metallersatz) ist häufig nicht umsetzbar. Vielmehr muss das Gesamtkonzept betrachtet werden.
  • Entscheidend ist, dass alle Anforderungen an das Bauteil bekannt sind. Alle Vorgänge und Belastungen während des Transports, Handlings und der Verarbeitung müssen einbezogen werden.

Fertigung

  • Zum Teil sind die Erfahrungswerte in einigen Fertigungsverfahren im Vergleich zu anderen, etablierten und herkömmlichen Fertigungsverfahren, weniger groß.
  • Die Verfügbarkeit einiger Materialien ist teilweise eingeschränkt. Bestimmte Größenordnungen in der Serienfertigung sind dadurch möglicherweise gar nicht umsetzbar.
  • Die Anzahl an möglichen Lieferanten, sowohl für Material und Fertigung, ist teilweise ebenfalls eingeschränkt.

Lebensdauerbetrachtung, Versagensbeurteilung
Im Leichtbau stellt sich während der Produktlebensdauer häufig die Frage, wie Beschädigungen von Bauteilen und ganzen Produkten beurteilt werden können. Mit welcher Methode lässt sich feststellen, ob eine Reparatur möglich ist oder ein Bauteil/eine Komponente vollständig ausgetauscht werden muss? Der Austausch von Bauteilen oder Komponenten muss in der Konstruktion & Entwicklung von Anfang an berücksichtigt werden.

Recycling
Wie geht man mit beschädigten und zerstörten Komponenten um? Gibt es Möglichkeiten, die Rohstoffe wieder wirtschftlich einzusetzen?

M.TEC: Gründungsmitglied Aachener Zentrum für Leichtbau (AZL)

Leichtbau aus Aachen

M.TEC ist Gründungsmitglied des AZL (Aachener Zentrum für Leichtbau) und engagiert sich regelmäßig in diesem Leichtbau-Technologienetzwerk im Umfeld der RWTH Aachen.

 
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Leichtbau-Engineering
Warum M.TEC als Leichtbau-Dienstleister?

M.TECs Stärken als Entwicklungsdienstleister für Leichtbau:

Know-how im Entwicklungsprozess

  • Definition der Anforderungen
  • Simulation & Berechnung
  • Konstruktion
  • Auswahl des Materials
  • Auswahl des Fertigungsverfahrens
  • Validierung durch FEM-Berechnung
  • Fertigungspartner koordinieren

Ganzheitlicher Produktentwickler

  • Interdisziplinäres Know-how in der Produktentwicklung inhouse verfügbar: Konzeption, Entwicklung/Konstruktion, Simulation, Prototyping, Tests, Werkzeugtechnik, Industrialisierung
  • Ganzheitliche Betrachtung von Projektlage und Kundensituation
  • Wirtschaftlichkeit durch planvolles, zielorientiertes Vorgehen in allen Phasen
  • Innovationen den Weg ebnen mithilfe von Konstruktionssystematik

Simulations-Experte

  • Eigener Geschäftsbereich M.TEC CAE für Simulationen und FEM-Berechnungen
  • Topologieoptimierung/Strukturoptimierung
  • FEM-Berechnungen
  • Fertigungssimulationen
  • Individuelle Berechnungslösungen und Analysetools
Andreas Büttgenbach, M.TEC
Ihr Ansprechpartner bei M.TEC
Andreas Büttgenbach
Teamleiter Produktentwicklung
 
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