Zusammenarbeit Leichtbau auf dem Weg in den Massenmarkt

Leichtbaulösungen haben viele Facetten. Doch zunächst müssen sie für den Massenmarkt tauglich gemacht werden. Um die Herstellung, Konstruktion und Verarbeitung voranzutreiben, ist es wichtig, Know-how zu bündeln und Expertenwissen über Branchengrenzen hinweg verfügbar zu machen.

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Leichtbau BW GmbH Landesagentur für Leichtbau

Aktuell wird Leichtbau häufig gleichgesetzt mit dem Ersatz von metallischen Werkstoffen durch carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK). Doch Leichtbaulösungen haben viele Facetten: allen gemeinsam ist das Potenzial, Energie- und Material-Ressourcen zu sparen. Vor diesem Hintergrund ist die Relevanz hybrider Werkstoffe und Leichtbauteile in der industriellen Fertigung in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Leichtbau verspricht Wettbewerbsvorteile. Doch zunächst müssen die Unternehmen einige Anstrengungen unternehmen, um den Leichtbau tauglich für den Massenmarkt zu machen: Der moderne Leichtbau erfordert ein Umdenken nicht nur beim Materialverständnis, sondern auch im Hinblick auf die gesamte Prozesskette.

Masse reduzieren und Leistung verbessern

Die Vorteile des Leichtbaus liegen auf der Hand: Gelingt es, die Masse von Tragwerkstrukturen oder Bauteilen zu reduzieren und im besten Fall gleichzeitig ihre Leistung zu verbessern, erhöht sich neben Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit auch der Nutzen des künftigen Produkts. Denn mit leichteren Strukturen und einer verbesserten Funktionsintegration einzelner Bauteile lassen sich Rohstoffe einsparen und Gewicht reduzieren, was zu einer besseren Material- und Energieeffizienz führt. Hohes Leichtbaupotenzial haben dabei Werkstoffe wie hochfeste Stähle, Aluminium oder Faserverbund-Werkstoffe mit ihren jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen etwa im Hinblick auf Dichte, Steifigkeit, Herstellungskosten oder Verarbeitbarkeit. Weil der hybride Leichtbau verschiedene Material- und Methodenwelten intelligent verknüpft, wird ihm eine Schlüsselrolle bei der Durchsetzung von Leichtbau in der Produktion bescheinigt.

Bei der Auswahl und Verbindung unterschiedlicher Materialien, Strukturen und Verfahren zur Erstellung von Leichtbauteilen kommt es darauf an, alle Aspekte des Dreiklangs zu beachten, den wirtschaftlichen also nicht ohne den Umweltnutzen zu denken und den Mehrwert für den Kunden im Auge zu haben. Ziel muss es sein, das richtige Material an die richtige Stelle zu bringen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Zwischenzeitlich hat sich zum Beispiel gezeigt, dass die reine Materialsubstitution etwa durch carbonfaserverstärkten Kunststoff nicht immer zielführend ist. Zwar mag das Bauteil durch den Ersatz von Metall durch CFK deutlich leichter werden, doch übersteigt der Energieaufwand bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs bisweilen das Einsparpotenzial in der Anwendung um ein Vielfaches. Während sich im Flugzeugbau der Treibstoffverbrauch durch den Einsatz von CFK noch am ehesten soweit reduzieren lässt, dass sich ihre energieintensive Herstellung rechtfertigt, geht die ökologische Gleichung im Fahrzeugbau nicht ohne Weiteres auf.

Weniger ist mehr, das Potenzial steckt im Verzicht

Neben dem Ersatz von schweren durch leichtere Werkstoffe stehen im Leichtbau verschiedene Methoden bereit, die darauf abzielen, Gewicht zu reduzieren und Material möglichst effizient einzusetzen. Sie greifen bereits im frühen Produktentstehungsprozess und sind darauf ausgerichtet, aus bestehenden Ressourcen das Beste herauszuholen und Vorhandenes intelligenter zu nutzen oder zu verbinden, ohne dass etwas Neues erfunden werden muss.

Entsprechend findet sich, selbst wenn das auf den ersten Blick banal klingen mag, eines der größten Leichtbaupotenziale im Verzicht: Welche Features können weggelassen werden, um das Produkt nicht unnötig zu beschweren? Die zweite Stufe auf dem Weg zu weniger Gewicht ist die Integration verschiedener Funktionen in einem Bauteil, was etwa zusätzliche Gehäuse, Schrauben oder andere Verbindungsstücke spart. Auch hier ist die frühe Planung wichtig, sodass sich etwa bei der Herstellung eines Plastikgehäuses die Multifunktionalität rechtzeitig im Spritzgussdesign wiederfindet. In einem dritten Schritt sorgt lastgerechtes Konstruieren dafür, dass nur dort Material eingesetzt wird, wo es auch nötig ist. Anhand eines Kraftverlaufsdiagramms lässt sich feststellen, wo Kräfte wirken und also mehr oder weniger Material zum Einsatz kommen muss, weil beispielsweise eine höhere Steifigkeit oder eine verbesserte Schwingfestigkeit erforderlich sind oder eben nicht. So lässt sich etwa im Bau deutlich Gewicht reduzieren: In der Architektur etwa prüfen die Bauingenieure, wo beispielsweise Schneelast oder Wind. auf ein Bauwerk wirken und erstellen ein Kraftliniendiagramm, anhand dessen zum Beispiel Kohle- oder Glasfaser an bestimmten Stellen eingesetzt werden. Damit kann es gelingen, eine Wand entstehen zu lassen, die nur 10 % der üblicherweise eingesetzten Materialmenge benötigt. Entwicklung und Einsatz neuer Materialien schließlich eröffnen dem Leichtbau neue Gestaltungsmöglichkeiten. Dabei stehen neben neuen Materialzusammensetzungen die Anpassung von Faserverbund-Werkstoffen für den Einsatz in hybriden Strukturen, die Fügetechnik im Verbund von Metall- und Kunststoff-Werkstoffen sowie die reproduzierbare und sichere Herstellung der Materialien im Fokus.

Herausforderungen für die Industrialisierung

Leichtbau ist eine Querschnittstechnologie. Sie ist der Motor für Innovationen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobil- und Maschinenbau, im Bauwesen oder in der Medizin- und Textiltechnik. Für alle gilt, dass neben geeigneten Methoden und Werkstoffen die Produktionsfähigkeit hybrider Leichtbauteile eine Schlüsselrolle für ihren Erfolg spielen wird. Denn die Massenproduktion, die für eine schnelle und günstige Herstellung steht, ist der Hebel für die Marktdurchdringung. Noch liegt hier die größte Herausforderung: Notwendig sind neue Konstruktionsstrategien, die Fertigungstechnologien der verschiedenen Werkstoffe müssen zu verketteten Prozessen zusammengeführt und automatisiert werden, Qualitätssicherung und Recyclingprozesse brauchen neue Bezugspunkte.

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