Systemleichtbau kann bis 40 % Gewicht sparen
Mit Lösungen für den Leichtbau können Zulieferer derzeit bei ihren industriellen Abnehmern wirtschaftliche Pluspunkte sammeln. Denn ein geringeres Gewicht von Bauteilen macht auch deren Endprodukte energie- und damit kosteneffizienter. Kfz-Hersteller und Maschinenbauer können besonders davon profitieren.
Auf der Hannover Messe werden die Leichtbauexperten der TU Dresden gleich dreifach auf Gemeinschaftsständen vertreten sein, nachdem sie im Vorjahr bereits mit dem elektrogetriebenen Sportwagen E 1 für Furore gesorgt hatten. „Leider sind wir mit der geplanten Überführung in die Serienreife beim E 2 nicht vorangekommen, weil sich unser Praxis-Partner zunächst zurückgezogen hat“, berichtet Martin Lepper vom Leichtbau-Zentrum Sachsen, im Vorfeld der internationalen Technologiemesse vom Stand des Projekts, in dem der E 2 gemeinsam mit dem Batteriehersteller LiTec entwickelt werden sollte.
Aber damit sei das Projekt nicht beerdigt und man habe auch zahlreiche interessante Entwicklungen für Komponenten geleistet. Als Beispiele nennt Lepper nicht nur die Konstruktion eines Chassis aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), sondern auch ein CFK-Radträgersystem und Hochleistungsfelgen aus Faserverbundmaterial. Darüber hinaus wird es auf der Messe einen neuen Viersitzer als Modellstudie geben.
Auch mit einer neuen Fertigungstechnologie für Fasergeflechte wollen die Dresdner in diesem Jahr die Fachwelt beeindrucken. Mit einem verstellbaren Geflechtauge wird es möglich, strukturierte Formen zu produzieren. Prof. Werner Hufenbach, Direktor des Instituts für Leichtbau in Dresden, sieht das Entwicklungsziel aber nicht allein in solchen Einzellösungen, sondern im „funktionsintegrativen Systemleichtbau in Multi-Material-Design“. Deshalb werde an seinem rund 200 Mitarbeiter zählenden Institut zusammen mit zahlreichen Partnern aus Forschung und Industrie auch der Ansatz verfolgt, alternative Antriebe mit konsequentem Leichtbau bis zur Praxisreife zu entwickeln und nicht nur Insellösungen zu bieten. „Wir haben eine exzellente Ausstattung für die Entwicklung und Pilotfertigung“, sagt Hufenbach. Die Dresdner stellen unter anderem einen extrem leichten Roboterarm aus Faserverbundmaterial (Hightex) vor, haben aber auch ein Getriebegehäuse aus Hybrid-Material (CFK/Magnesium) und hochfeste Windflügel mit in Hannover.
„Wir sehen im Leichtbau noch immer Potenzial von 25 % bis 40 % Gewichtseinsparung bei verbesserten Eigenschaften“, so Hufenbach. Erfolgreich werde allerdings nur der Produzent sein, der in der Prozess- und hier besonders in der Fügetechnik weiter vorankommt. Bei vielen Einsatzgebieten stoßen nach Ansicht von Prof. Jürgen Häberle von der Hochschule Magdeburg-Stendal, die funktionalen Eigenschaften der glasfaserverstärkten Kunststoffe an ihre Einsatzgrenzen, während die CFK mit ihrem sehr geringen Gewicht und der hohen Festig- und Steifigkeit ein enormes Einsatzpotenzial haben – sobald die noch bestehenden Probleme in der Herstellung gelöst sind.
Neben dem sehr hohen Energieeinsatz sieht Häberle vor allem das Problem der zerstörungsfreien Materialprüfung bei den CFK noch als ungelöst. Dazu kommt, dass diese Materialien bislang ihre hohe Festigkeit nur in Faserrichtung ausspielen können. Hier lassen sich jedoch mit neuen Gewebestrukturen und der Kombination von Kreuzgewebe und linearen Faserlagen zum Beispiel in den Rotorblättern die unterschiedlichen Kraftrichtungen gut abfangen.
„Die CFK bringen sensationelle Leistungen, wir haben daraus zum Beispiel eine ultraleichte Basis für das ESA-Teleskop ‚First’ geliefert, die nicht nur die geforderte Steifigkeit, sondern auch eine nahezu stabile Form selbst bei Temperaturschwankungen von 140 Kelvin hat“, so Häberle. Aber auch für den Formel-1-Rennsport liefert CFK über die Fahrerzelle hinaus jetzt bewegte Teile. So haben sich die Magdeburger an der Entwicklung einer Seitenwelle beteiligt, die extreme Antriebsmomente übertragen kann. Die Titan-Gleichlaufgelenkringe wurden mit einer speziellen Press-Klebetechnik gefügt.
Doch auch die Metalle sind längst noch nicht am Ende, sondern können als Schaumwerkstoff durchaus Leichtbaueigenschaften erhalten. So sieht Thomas Hippke vom Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Chemnitz, beispielsweise in Aluminiumschaum angesichts einer Dichte von 0,6 g/cm3 sowie der guten Dämpfungs- und besonders Druckwiderstandseigenschaften ein ideales Leichtbaumaterial für den Einsatz in Sandwichkonstruktionen etwa für Flugzeugböden. Um den Schaum herzustellen, wird knapp unterhalb der Schmelztemperatur Titanhydrit als eine Art Treibmittel zugesetzt. Auch Formteile wie Tragbalken für die Spulen von Textilmaschinen lassen sich so bei verringerter Wanddicke versteifen und weisen zudem um bis zu 60 % verminderte Vibrationswerte auf. Für die Herstellung der Sandwichmodule kann durch den Einsatz von Klebstoff praktisch jeder beliebige Werkstoff genutzt werden.
Großes Interesse werden auch Lösungen aus Hybridmaterial finden, für die zum Beispiel Jens König vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik IWF der TU Berlin bereits Einsatzgebiete in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sieht. Hybride aus Aluminium und Magnesium sparen Gewicht und sind mit Verfahren des Hochgeschwindigkeitsumformens auch bei Raumtemperaturen gut zu verarbeiten. „Es gibt heute noch großen Entwicklungsbedarf bei der Prozesstechnik, um die CFK oder Hybrid-CFK massenhaft zu produzieren, etwa, weil sie sich schlecht oder gar nicht zerspanen lassen“, sagt König. Hier könnten jedoch Wasserstrahlschneiden oder neue Geometrien der Schneidwerkzeuge Alternativen bieten. MANFRED SCHULZE
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