Werkstoffe des Leichtbaus I

Moderne Leichtbauwerkstoffe für den Flugzeug- undModerne Leichtbauwerkstoffe für den Flugzeug und Automobilbau, den Schienenverkehr sowie den allg.

Maschinenbau

Sommersemester

1IWT BremenWerkstofftechnik

Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)

Einführung1

Warum Leichtbau ?• Geringerer Energieverbrauch• Geringere CO2-Emission• Höhere Fahrzeugleistung• Höhere Nutzlast• Größere Reichweite• Geringerer Transport-

aufwand• Höherer Gebrauchsnutzen• Geringerer Rohstoffeinsatzg• Höhere Werkstoff-ausnutzung• …• ...

2IWT BremenWerkstofftechnik

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Einführung2

a. ½

tca

[Ste07]

3IWT BremenWerkstofftechnik

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Einführung3

„Lebenswelt Automobil“„Lebenswelt Automobil

• Soziologische AspekteM bilität b dü f i E i hb k it A b it l t Mobilitätsbedürfnis, Erreichbarkeit Arbeitsplatz

Sicherheits- und Komfortbedürfnis Wertverständnis, Individualität, Prestige, , g

• Ökonomische AspekteQ lität V lä li hk it R t f dli hk it Qualität, Verlässlichkeit, Reparaturfreundlichkeit

Kosten für Unterhalt, Steuern, Versicherungen

• Ökologische Aspekte Verbrauch (l/100km)

E i i t (k CO /k ) Emissionswerte (kgCO2/km) Lebensdauer Recyclingy g

4IWT BremenWerkstofftechnik

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Einführung4

V b hVerbrauch

[Ste07]

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Einführung5

Aufteilung des Energieverbrauchs

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Einführung6

Stellhebel zur Verbrauchs- und Emissionsreduktion

• Motor und Antrieb• Motor und AntriebDirekteinspritzung, Präzisionseinspritzung, Piezo Injection, Turbolader, Getriebewirkungsgrad, Downsizing

E i t

• EnergieträgerBenzin, Diesel, Erdgas, Biogas, Wasserstoff, elektr. Strom

• EnergiemanagementStart-Stopp-Funktion, Bremskraftenergierückgewinnung, elektrisches Fahren

• WärmemanagementWärmemanagementWärmerückgewinnung, Isolation, Reibungsreduktion, Gezielte Kühlung und Aufheizung der Aggregate

• LuftwiderstandFahrwiderstand bei Um- und Durchströmung, Proportionen, Rad-Radhaus-Konfiguration, aktive Aerodynamikg y

• RollwiderstandReifen, Radlager, Bremssystem

• BeschleunigungswiderstandStoff-, Form-, Funktions-, Konzept-, Fertigungsleichtbau

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Einführung7

Luftwiderstand• Überwindung der Luftwiderstandskraft

2L w

1F c A v2

g 2

Rollwiderstand• Überwindung der Rollwiderstandskraft R rF m g f

Beschleunigungswiderstand• Überwindung der Beschleunigungswiderstandskraft

BF m a

g

Überwindung der Beschleunigungswiderstandskraft• Dabei ist Gewicht ist nicht gleich Gewicht, denn Massenträgheit beeinflusst die

Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs

Dyn. Trägheitskraft

Stat. Gewichtskraft

y g

Stat. GewichtskraftRadaufstands-kraft (hinten)

Radaufstands-kraft (vorne) (Quelle: BMW)

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Einführung8

Gewichtsabhängige Verbrauchsreduzierung

9(Quelle: VW Konzernforschung)

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Einführung9

LeichtbauprinzipienWerkstoffleichtbau (auch Stoffleichtbau) Substitution des Werkstoffs eines Bauteils durch einen anderen Werkstoff mit besseren spezifischen Ei h ft ( B St hl d h Al i i CFK d H b id k t ff )

p p

Eigenschaften (z.B. Stahl durch Aluminium-, CFK- oder Hybridwerkstoffe)

Konstruktiver Leichtbau (auch Formleichtbau)Erreichen des Leichtbauzieles durch konstruktive Maßnahmen (z B durch Fachwerk- Rahmen- undErreichen des Leichtbauzieles durch konstruktive Maßnahmen (z.B. durch Fachwerk Rahmen und Schalenbauweise sowie durch gleichmäßige Ausnutzung des Materialvolumens durch dünnwandige oder hohle Strukturen).

F kti l i htb ( h d ti L i htb )Funktionsleichtbau (auch adaptiver Leichtbau)Integriert zusätzliche Funktionen in eine Bauteilstruktur auf Basis bestimmter physikalisch-technologischer Eigenschaften (z.B. durch Funktionsintegration kann eine einzelne Komponente zwar schwerer werden. Die Einsparung durch die Funktionsintegration wird die Gesamtstruktur jedoch leichterDie Einsparung durch die Funktionsintegration wird die Gesamtstruktur jedoch leichter.

Konzeptleichtbau (auch Systemleichtbau)Betrifft nicht das einzelne Bauteil sondern ein System aus Bauteilen, Strukturen und Baugruppen (gewichtsoptimierte, modulere Auslegung von Karosserie-, Fahrwerks-, und Antriebssystemen)

FertigungsleichtbauBetrifft nicht allein den Werkstoff oder die Konstruktion sondern ergibt sich aus Vorteilen verschiedener

10

Betrifft nicht allein den Werkstoff oder die Konstruktion, sondern ergibt sich aus Vorteilen verschiedener Fertigungs- und Fügeverfahren (z.B. Laserstrahlschweißen, Tailored Blanks/ Tubes, Walzprofile, Hydroforming, Druckguss etc.)

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10Leichtbauprinzipien

11

(Quelle: Daimler AG)

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11Leichtbauprinzipien

Werkstoffleichtbau

Ein 1 m langer Stab mit 30 mm Ø

wiegtDichte

• Stahl: 7,85 g/cm3 5,5 kg

wiegt

g g

• Titan: 4,5 g/cm3 3,2 kg

• Aluminium: 2,70 g/cm3 1,9 kg

• Magnesium: 1,74 g/cm3 1,2 kg

12IWT BremenWerkstofftechnik

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12Werkstoffleichtbau

Gewichtsbezogene Festigkeit (sog. Ashby-Diagramm)

Keramik

Faserverbund-stoffe Stähle

Titan

eit [

MPa

]

Titan

MagnesiumAluminium

Fest

igke

TechnischeKunststoffe

Kunststoff-hä

Elastomereschäume

(Quelle: Ashby)

13

Dichte [g / cm3]

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13Werkstoffleichtbau

Ultra Light Steel Automotive Body

Schalenbauweise mit

25% reduziertes Gewicht 80 % höhere Torsionssteifigkeit

als Durchschnittswerte ausgewählter Vergleichskarosserien

Ermöglicht durch den Einsatz von innovativen Stahlprodukten modernen Fertigungstechnologieng g g

Aluminium Space Frame Konzept

(Quelle: ULSAB-AVC / AUDI AG)

14IWT BremenWerkstofftechnik

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14Werkstoffleichtbau

Stahl

Materialmix in der Karosserie eines PKW

Stahl

AluminiumAluminium Kunststoffe 11% Gewichtsvorteil

15

(Quelle: BMW)

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15Werkstoffleichtbau

Materialmix in der Karosserie eines PKW

Al 9%

St hl 65%

Kunststoffe 18%

Stahl <65% andere Werkstoffe (u.a. Mg) 8%

(Quelle: Daimler AG)

( g)nach Rauh

16IWT BremenWerkstofftechnik

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16Werkstoffleichtbau

Evolution der Leichtbaukonzepte im Automobilbau

17(Quelle: VW Konzernforschung)

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17Werkstoffleichtbau

Multimaterial-Design als Treiber bezahlbarer Leichtbaukonzepte

18(Quelle: VW Konzernforschung)

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18Werkstoffleichtbau

Crash-Absorption mit geschäumten Strukturen

Sä l BSteifigkeit Torsion

Säule BDachrahmenSäule ASteifigkeit Biegung

Schaumeinsatz

Übergang LT hinten

LT - vorne

Schaumeinsatz

hinten

Schweller

Stoßabsorber

(Quelle: Audi AG)

19

Stoßabsorber

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19Werkstoffleichtbau

Aluminiumschaum

Mit Al Schaum gefülltes Crash

(Quelle: Audi AG)

20

Deformiertes Crashelement - leer

Mit Al-Schaum gefülltes Crash-Element vor / nach dem Crash

Offen- und geschlossenporigerAluminium-Schaum

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Quelle: Audi AG

20Werkstoffleichtbau

Polypropylen-PartikelschaumRohmaterialEigenschaften:Eigenschaften:

• hohes Energieabsorptions-vermögenh h Rü k t ll ö

Fahrzeugbau• hohes Rückstellvermögen • gute mechanische Eigenschaften• geringes Gewicht• hohes Isolationsvermögen• gute Temperaturbeständigkeit• geringe Wasseraufnahme

Mehrwegeverpackungen

• geringe Wasseraufnahme• recyclingfähig

g p g

Platten als Konstruktionswerkstoff

GerätechassisFormteile

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(Quelle: NMB)

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21Werkstoffleichtbau

Raster-Elektronenmikroskop

Polypropylen-Partikelschaum

Raster-Elektronenmikroskop

PP-PartikelschaumQuerschnitt durch einen Grashalm

22IWT BremenWerkstofftechnik

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22Werkstoffleichtbau

Einsatz von pyrogener Kieselsäure in einer Sandwichstruktur

23

(Quelle: Daimler AG)

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23Funktionsleichtbau

Aktive Schwingungsdämpfung durch sensorgesteuerte keramische Fasermatten

PKW-Dachblech mit integrierten aktiven Dämpfern

(Quelle: VW/LP Adaptronik)

24IWT BremenWerkstofftechnik

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24Funktionsleichtbau

Anwendungsbereich LuftfahrtAirbus A 380

(Quelle: Airbus)

25IWT BremenWerkstofftechnik

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25

Anwendungsbereich Luftfahrt

Länge: 73 mLänge: 73 mSpannweite: 80 mGesamtgewicht (take off): 560 t

Airbus A 380

Gesamtgewicht (take off): 560 t

Passagierzahl: 555g

Treibstoff (max.): 310.000 l( )

Gesamtge icht 480 VW GolfGesamtgewicht: 480 VW Golf

26(Quelle: Airbus, VW)

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26

Anwendungsbereich Luftfahrt

Airbus A 380 - Innenansicht

27

(Quelle: Airbus)

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27

Anwendungsbereich Luftfahrt

Vergleich Rumpfdimensionen der Airbus-Familie

A380

A319

7 m

8.47

ø 5.64 m ø 3.95 m6.95 mA380 A300, A310, A330, A340 A319, A320, A321

28

(Quelle: Airbus)

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28

Anwendungsbereich Luftfahrt

Leichtbauweisen in der Luftfahrt (Airbus A 380)

29

(Quelle: Airbus)

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29

Anwendungsbereich Luftfahrt

Werkstoffinnovationen (Airbus A 380)CFK Druck-Kalotte

GLARE® im oberenNeue Kabinen-

CFK Seitenleitwerk

GLARE® im oberen Rumpf

Werksttoffe

CFK FußbodenträgerIm Oberdeck

CFK Äußere CFK Sektion 19.1

KBE DFesign

CFK Höh l it k

CFK Äußere Landeklappen

CFK Höhenleitwerk

CFK J-Nase

CFK S kti 19CFK Sektion 19

CFK LBW, Rumpf-Unterseite

Mehr & Neue Ti Werkstoffe

Hochgeschwindigkeits-Fräsen

30

CFK Flügelmittelkasten

Flügelrippen Neue Al-Legierungen

Ti-Werkstoffe

Elektronenstrahlschweißen (Quelle: Airbus)

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30

Anwendungsbereich Luftfahrt

Werkstoffinnovationen aus CFK (Airbus A 380)

31

(Quelle: Airbus)

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31

Anwendungsbereich Luftfahrt

60

Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt

50A350 XWB7%

40

e in

% Boeing 78752%34%

30

erks

toffe 7%

20

sant

eil

rbun

dwe

A380Ref: Airbus Operations GmbH

10

Gew

ciht

sas

erve

r

A320

A340 300 A340-600

A380Boeing 777

01970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Quelle: Airbus

G F

A300 A310/200A340-300 A340 600

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

32

Jahr(Quelle: Airbus)

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32

Anwendungsbereich Luftfahrt

Montage metallischer Rumpfstrukturen (Airbus A 380)in Halbschalenbauweise (Semi-Monocoque)

33

(Quelle: Airbus)

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33

Anwendungsbereich Luftfahrt

Montage metallischer Hautfeldfelder

Hautfeld (Panel)

Stringer( )

Schubkamm (Clip)

Spant

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(Quelle: Airbus)

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Anwendungsbereich Luftfahrt

StringerNieten: HautfeldFügetechniken metallischer Hautfeld-Stringer-Verbindungen

Nachteile des NietensH h G i ht• Hohes Gewicht

• Hohe Korrosionsanfälligkeit• Zeitintensiver FügeprozessZeitintensiver Fügeprozess

Laserstrahlschweißen: Schweißnaht

35IWT BremenWerkstofftechnik

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35

Anwendungsbereich Luftfahrt