Erklärung

Leichtbau ist eine Konstruktionsphilosophie und die Königsdisziplin in der Mechanik, die darauf abzielt Gewicht einzusparen, die Gebrauchstauglichkeit zu verbessern, sowie größtmögliche Intelligenz in eine Gesamtstruktur zu verpacken, indem sämtliche Möglichkeiten und Maßnahmen von Konstruktion, Werkstoff- und Fertigungstechnik integrativ angewendet werden. 

Leichtbau spielt in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobilbau (100 kg = 4 % Mehrverbrauch), im Maschinenbau, aber auch in der allgemeinen Produktentwicklung eine immer wichtigere Rolle. Wenn Massen beschleunigt oder gebremst und statisch gehalten werden müssen, gilt es zur Sicherstellung der Funktion und Belastung der Bauteile ein möglichst geringes Gewicht zu erzielen. 

Die Materialeinsparung führt nicht nur zur leichteren Produkten, sondern auch zu einem ökologischen und ökonomischen Umgang mit Ressourcen. 

Prinzipien des Leichtbaus sind

  • Material nur dort vorsehen, wo es wirklich gebraucht wird 
  • Dünnwandige Strukturen verwenden 
  • Material gleichmäßig beanspruchen 
  • Elemente zur Aussteifung und zum Formerhalt (Spanten, Rippen) vorsehen 
  • Instabilitäten (Knicken, Beulen, Kippen, …) vermeiden bzw. durch geeignete Maßnahmen verhindern 

Ziel

„Leichtbau“ ist eine Konstruktionsphilosophie, die abzielt auf:

  • Gewichtseinsparung − Material-, Kosten und Energieeinsparungen 
  • Geringere Krafteinwirkung auf belastete Bauteile 
  • Funktionsverbesserungen und -erweiterungen 
  • Funktionsintegration oder neue Möglichkeiten des Designs 
  • ökonomische und/oder ökologische Vorteile (z.B. Verringerung des CO2-Ausstoßes) 
  • politische oder gesellschaftliche Nutzen (z.B. „grünes Image“) 
  • Marktvorteile durch Alleinstellungsmerkmale 

Vorgehen

Um Leichtbauprinzipien anwenden zu können, ist es wichtig sich mit den Arten von Leichtbau und Trends in diesem Bereich auseinanderzusetzen: 

Leichtbau kann man einteilen: 

Stoffleichtbau: Werkstoffe werden durch Materialien ersetzt, die bessere gewichtsspezifische Eigenschaften haben (hochfeste Aluminiumlegierungen oder Carbon-Verbundwerkstoffe können anstelle von herkömmlichen Stählen eingesetzt werden) 

Formleichtbau: Diese Einteilung bezieht sich darauf, dass Werkstoffe (in unterschiedlicher Dicke, Güte oder Art) innerhalb eines Werkstücks je nach Belastung variieren. Das bedeutet, dass Bereiche mit hohen Anforderungen verstärkt werden (Werkstoffe unterschiedlicher Güte verschweißen, Blechstärken verstärken, ...), während andere fragiler gehalten sind. 

Bedingungsleichtbau: Hier liegt das Augenmerk auf einer Analyse der Bedingungen, die ein Werkstück erfüllen muss und der daraus abgeleiteten Kalkulation der Mindestanforderungen an Materialstärke, -güte und -art unter Berücksichtigung von berechneten Sicherheitsreserven.

Aktuelle Trends in der Anwendung von Leichtbaustrategien: 

  • Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen um deren positive Eigenschaften durch Kombination zu optimieren (z. B. Kunststoff-Metall-Verbund, Sandwich-Bauteile oder faserverstärkte Werkstoffe) 
  • Kombination unterschiedlicher Fertigungsverfahren in hybriden Fertigungsprozessen (z. B. Verbundwerkstoffe aus Plastik und Metall gemeinsam umformen, ausstanzen, etc.) 
  • vollkommen neuartige Werkstoffe, wie Nano-Materialien erfinden und erforschen 
  • computergestützte und automatisierte Fertigungs- und Designverfahren weiterentwickeln (z.B. Finite Elemente Methode (FEM) oder Berücksichtigung der Mikrostruktur) 
  • Anwendung von bionischen Prinzipien zur Bauteil- bzw. Produktgestaltung bzw. -dimensionierung 

Tipp

Ein wichtiges Leichtbaumerkmal ist größtmögliche Gewichtseinsparung bei minimalsten Funktionsverlusten – stattdessen sollte Funktionalität optimiert werden.

Quellen

Script Entwerfen & Konstruieren / Leichtbau; Prof. Wolfgang Schabbach

Beispiele