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Leitfaden für Maschinenbauingenieure: Gewichtseinsparungen

Autodesk

Produktverhalten

Es steht außer Frage, dass die Reduzierung von Masse zahlreiche Vorteile mit sich bringt, egal was Sie konstruieren – wenn Sie beispielsweise Raketen konstruieren, dann gilt: Je leichter Sie die Rakete bauen, desto größer wird die Nutzlast, die Sie Ihrem Kunden anbieten können. Für das Entwerfen von Flugzeugen und Autos bedeutet weniger Gewicht eine bessere Kraftstoffeffizienz. Auch bei der Konstruktion von Konsumgütern spielt das Gewicht eine Rolle, da leichte Geräte für die Konsumenten meist attraktiver sind als schwere. Und selbst wenn Sie an der Konstruktion einer Maschine arbeiten, sollten Sie auf das Gewicht achten, vor allem bei bewegten Teilen, denn weniger Gewicht bedeutet höhere Energieeffizienz und gestattet einen schnelleren Betrieb.

Die Herausforderung bei der Gewichtseinsparung liegt darin, dass sie nur eines der vielen konkurrierenden Ziele eines jeden Konstrukteurs darstellt. Wie können Sie in möglichst kurzer Zeit ein Produkt entwerfen, das so leicht wie möglich ist, dabei gleichzeitig sämtliche Anforderungen erfüllt und die Kostenvorgaben einhält?


Jeder kann eine Brücke konstruieren, die stehen bleibt. Doch nur ein Fachmann kann eine stabile Brücke entwerfen, die zwar nahe der Grenze des Einsturzes gebaut ist, aber mit Sicherheit eben nicht einstürzt.

Bevor wir uns näher mit diesem Thema beschäftigen, sehen wir uns zunächst einmal die Gründe an, warum die Gewichtseinsparung in Konstruktion und Entwicklung eine derart wichtige Rolle spielt.

Wenn ein Produkt sich bewegt oder bewegt wird, sollte es leicht sein. Das gilt natürlich für Flugzeuge, Züge und Autos. Doch es gilt genauso für die beweglichen Teile einer Maschine oder Produktionsanlage oder sogar für alltäglich genutzte Konsumgüter. Bewegung erfordert Energie. Je weniger Aufwand für die Bewegung notwendig ist, desto besser kommt Ihr Produkt beim Verbraucher an, unabhängig davon, ob diese Energie von einer Maschine, einem Antrieb oder einer Person aufgebracht wird.

Die neue bionische Trennwand für den Airbus ist 45 Prozent (30 kg) leichter als die bisherige Trennwandkonstruktion. Airbus rechnet damit, dass mit dieser neuen Konstruktion pro Trennwand jährlich bis zu 1.440 kg Treibstoff eingespart werden können. Bild mit freundlicher Genehmigung von Airbus.

Mit jedem Kilogramm an Material, um das Flugzeug erleichtert wird, werden jährlich 106 kg an Kraftstoff eingespart. Für Autos gilt: Eine Gewichtsreduzierung um 10 Prozent kann die Kraftstoffeffizienz um bis zu 3 Prozent erhöhen.1 Des Weiteren existieren diverse Verordnungen für Gewichtseinsparungen, wie beispielsweise die CAFE-Standards (Corporate Average Fuel Economy) in den USA, die jährliche Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz für PKWs und Leicht-LKWs vorschreiben.

Gewichtsreduzierung führt auch zu Verbesserungen bei Leistung und Produktverhalten. Leichtere Bauteile in Maschinen, die über Motoren angetrieben werden, können im Betrieb schneller laufen, was wiederum zu schnelleren Zykluszeiten oder zusätzlichen Produktionskapazitäten führt, und sich positiv auf die Rentabilität auswirkt. Leichtere Fahrzeuge lassen sich besser beschleunigen und manövrieren. Der Verbrauch wird gesenkt, die Zuladung gesteigert und der Verschleiß minimiert. Für die Konstruktion von Windturbinen werden heute Materialien wie Kohlenstoff- und Glasfaser verwendet, um die Blattlänge zu vergrößern und gleichzeitig höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen – eine Reduzierung des Gewichts um 20-30 Prozent kann die Energieerzeugung um das Dreifache steigern. 2

Bei Konsumgütern wie Reisegepäck und Elektronikgeräten können über Einsparungen beim Gewicht sowohl die Ergonomie als auch das Verhalten der Produkte verbessert werden. Durch Gewichtseinsparungen bei Sportausrüstungen können Sportler höhere Geschwindigkeiten erreichen und ihren Sport besser ausüben, wenn beispielsweise Fahrradrahmen leichter und Helme, Schoner und Schutzbekleidung weniger unhandlich und hinderlich sind.

Des Weiteren sollte erwähnt werden, dass bei korrekt durchgeführter Gewichtseinsparung auch weniger Material benötigt wird, was wiederum zu niedrigeren Kosten führt. Das ist jedoch nicht immer der Fall, besonders dann nicht, wenn ein schweres, aber kostengünstiges Material durch ein außergewöhnlich leichtes, aber teures Material ersetzt wird.

Gewichtseinsparungen können zudem Transport- und Versandkosten reduzieren, wobei jedoch beachtet werden sollte, dass diese Kosten nicht länger ausschließlich basierend auf dem Gewicht berechnet werden. Die neuen Preismechanismen der großen Logistikunternehmen wie UPS, FedEx und DHL arbeiten mit größenabhängigen Preisen, bei denen neben dem Gewicht auch die Verpackungsgröße mit einbezogen wird. Folglich sollte bei Verpackungslösungen neben der Reduzierung von Gewicht auch die Minimierung der Paketgröße beachtet werden, um die größtmöglichen Kostenvorteile zu realisieren.

Man muss immer einen Kompromiss eingehen. Das Gewicht kann nicht einfach reduziert werden, ohne all die anderen Anforderungen an das Produkt zu berücksichtigen. Glücklicherweise sind viele Produkte überdimensioniert und wurden mit hohen Sicherheitsfaktoren konstruiert. Wenn man also das Material an den richtigen Stellen reduziert, werden dennoch die Anforderungen an die Stabilität des Produkts erfüllt. Es gibt jedoch noch weitere, weniger offensichtliche Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt.

Beim Gewicht von Neufahrzeugen wurde zwischen 1988 und 2008 eine kontinuierliche Zunahme verzeichnet, was auf die in diesem Zeitraum neu eingeführten Sicherheitsmaßnahmen wie Airbags und die Verwendung von hochfesten Materialien zurückzuführen ist. Daten mit freundlicher Genehmigung von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde (EPA).

Beim Abwägen von Kompromissen ist Sicherheit stets die wichtigste Anforderung. Der wichtigste Grund für die Gewichtzunahme bei Fahrzeugen sind die eingebauten Sicherheitsmaßnahmen: Im Jahr 2008 wog ein Auto im Durchschnitt etwa 240 kg (20 Prozent) mehr als noch 20 Jahre zuvor. 3 Dieser Trend hat sich im Laufe der vergangenen Jahre stabilisiert, doch die Sicherheitsanforderungen schränken die verfügbaren Spielräume bei der Gewichtseinsparung auch weiterhin stark ein.

Leichtere Teile sind anfälliger für Probleme mit Schwingungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, ihre Resonanzen oder Eigenfrequenzen sorgfältig zu prüfen, um einen katastrophalen Komplettausfall während des Betriebs zu verhindern. Möglicherweise ist außerdem mehr Dämpfung erforderlich, was den Anstrengungen für Gewichtseinsparung zuwiderläuft.

Wenn ein Material ersetzt werden soll, dürfen Sie nicht nur das spezifische Gewicht berücksichtigen. Temperatur-, Druck- und chemische Beständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften müssen für die Umgebung, in der das Produkt verwendet werden soll, geeignet sein.

Die Konstruktion von Leichtbauteilen kann ggf. auch mehr kosten, besonders dann, wenn fortschrittliche Materialien wie Kohlenstofffaser und andere Verbundwerkstoffe als Ersatzmaterial verwendet werden. Für das Konstruieren mit neueren Materialien muss erst Wissen und Erfahrung gesammelt werden, was besonders bei komplexen geometrischen Konstruktionen zu längeren und komplexeren Entwicklungszyklen führt. Selbst dann, wenn bereits bestehende Produkte mit neueren Fertigungsprozessen hergestellt werden sollen, kann die für die Neukonstruktion (und manchmal Konsolidierung) von Teilen benötigte Zeit beträchtlich sein.

Auch die Verwendung neuer Prozesse, die für die Fertigung leichterer Materialien und Teile entwickelt wurden, kann zu zusätzlichen Kosten führen. Zierlichere Produkte müssen mit Hilfe von zusätzlichen Verbindungselementen und Klebstoffen verstärkt werden, was die Komplexität erhöht und mehr Fertigungsressourcen erfordert.

Das iPhone 5s hat eine Kunststoffhülle anstatt des traditionellen Aluminiumgehäuses der hochwertigeren Modelle.

Zudem müssen weitere Überlegungen bezüglich der Benutzererfahrung und Kundenerwartungen angestellt werden. Manchmal kann „leichter“ als „billiger“ erscheinen, besonders dann, wenn einst „stabile“ Stahlteile durch Aluminium oder Metallteile durch Kunststoff ersetzt werden. Bei Entscheidungen zum Produktdesign sollte in Betracht gezogen werden, wie Applikationen, die natürliche Materialien nachahmen, um Kunststoffteilen ein authentischeres Aussehen zu verleihen, die Kaufentscheidungen der Konsumenten beeinflussen können.

Außerdem ist der Kaskadeneffekt zu berücksichtigen, der als Folge einer Gewichtsreduzierung an einer Konstruktion auftreten kann. Das Ersetzen eines schwereren Metalls durch ein leichteres (Ersetzen von bestimmten Autoteilen aus Stahl durch Teile aus Stahl mit Aluminium oder aus Voll-Aluminium) kann ggf. neue Probleme verursachen. Möglicherweise sind andere Lackierprozesse erforderlich, wie es beispielsweise beim Wechsel von Blech zu Kohlenstofffaser der Fall ist. Im Gegensatz zur eher einheitlichen Oberfläche von Metall neigt Kohlenstofffaser zu einer höheren Porosität sowie zu Löchern, Fehlstellen und anderen Mängeln, was zu unebenen Oberflächen führt.

Ein weiteres Beispiel für nachgelagerte Produktionsauswirkungen sind unterschiedliche Schweißverfahren. Das Schweißen von Aluminium auf Stahl oder auch Aluminium auf Aluminium, wie im Fall der GM-Luxuslimousine Cadillac CT6, ist zwar schneller als das Nieten (und leichter als die Nieten selbst), doch dieses Verfahren befindet sich noch in der Pilotphase, hat einen deutlich höheren Energieverbrauch und wird derzeit ausschließlich für Produkte mit niedrigeren Stückzahlen verwendet. 4


Trotz der zahlreichen Herausforderungen, vor denen Ingenieure beim Einsparen von Gewicht stehen, gibt es verschiedene Ansätze, mit denen Gewicht erfolgreich reduziert werden kann. Jeder dieser Ansätze hat seine eigenen Vorzüge, und dank der zahlreichen Berechnungsmöglichkeiten, auf die Konstrukteure heute bereits in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zurückgreifen können, kann letztendlich das bestmögliche Ergebnis erzielt werden.

Der erste und am häufigsten verwendete Ansatz besteht darin, Materialien mit einem geringeren spezifischen Gewicht einzusetzen. Neue Fortschritte in der Herstellung von Metallen, Polymeren und Verbundwerkstoffen führen zu Materialien, die zunehmend leichter, beständiger und kostengünstiger sind (wobei sich letzteres sich deutlich langsamer entwickelt).

Auch wenn Stahl dank seines relativ hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht in vielen Anwendungen weiterhin das am häufigsten verwendete Material ist, ermöglichen neuere Legierungen und Fertigungsverfahren für viele Anwendungen den Einsatz von leichteren Materialien. Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste und ist etwa um ein Dreifaches leichter als Stahl. Ein weiteres Beispiel für ein immer beliebter werdendes Leichtmetall ist Magnesium. Es ist das leichteste Metall, das heutzutage für strukturmechanische Anwendungen genutzt wird. Magnesium zeichnet sich nicht nur durch seine relative Leichtigkeit aus, sondern behält dank seiner Festigkeit außerdem seine Formstabilität, weil es gleichzeitig schlagfest, form- und besonders schwingungsbeständig ist und nicht leicht verbeult.

Magnesium wird vermehrt für Produkte verwendet, die getragen werden müssen, wie zum Beispiel für Kettensägen, Druckluftnagler, Reisegepäck, Laptops und Mobiltelefone. Auch im Automobilbau wird Magnesium eingesetzt, zum Beispiel für Motorhalterungen, Verteilergetriebe, Lenksäulenkomponenten, Pedallagerblöcke, Instrumententräger und Sitze.

Kohlenstofffaser wird zunehmend als Verstärkungsmaterial verwendet und ersetzt bisherige Bauteile aus massivem Metall. Für viele Anwendungen ist so eine Gewichtseinsparung von 20-40 Prozent möglich. Bild mit freundlicher Genehmigung von Firefly Space Systems.

Als Alternativen zu bestimmten Bauteilen aus Metall können Kunststoffe und Verbundwerkstoffe wie Glasfaser, Kohlenstofffaser und Kevlar genutzt werden. Sie alle verfügen über eine ähnliche Faserstärke, doch das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht liegt bei Kohlenstofffaser und Kevlar deutlich höher. Zusätzlich zu den oben genannten allgemein bekannten Materialien kommen häufig neuere Materialien auf den Markt, die im Hinblick auf ihre Temperatur- und chemische Beständigkeit zunehmend mit Metallen vergleichbar sind.

Unabhängig vom Material wird die Gewichtseinsparung bei Bauteilen durch die Einschränkungen begrenzt, die sich aus der traditionellen subtraktiven Fertigung ergeben. Alles, was aus Metall hergestellt wird, musste bisher relativ massiv sein, und die einzige Möglichkeit zur Reduzierung von Masse bestand in der Verkleinerung der Abmessungen. Mit der zunehmenden Verwendung des 3D-Drucks und anderer additiver Verfahren stehen Konstrukteuren heute zahlreiche neue Möglichkeiten zur Reduzierung des Gewichts ihrer Konstruktionen zur Verfügung.

Durch das Erstellen einer internen Wabenstruktur über den 3D-Druck kann das Gewicht eines einzelnen Bauteils unter Beibehaltung der erforderlichen Steifheit und Stärke reduziert werden.

Die erste Möglichkeit ist das Aushöhlen: 3D-Druckprozesse ermöglichen das Erstellen einer Wabenstruktur. Dabei bleibt die Festigkeit weitgehend erhalten, während gleichzeitig weniger Material als bei einem Guss- oder Frästeil verwendet wird. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass Konstrukteure erstmals Einfluss auf die innere Struktur eines Produkts nehmen können.

Eine weitere Möglichkeit, die ähnliche Ergebnisse liefert wie das Aushöhlen, jedoch ein etwas länger eingeführtes Produktionsverfahren nutzt, ist das mikrozellulare Spritzgussverfahren. Dabei wird dem geschmolzenen Kunststoff vor dem Einspritzvorgang Gas beigefügt, welches sich beim Eintritt in das Formteil ausdehnt, sodass sich eine Art Schaumstruktur bildet, sobald der Druck aufgehoben wird (vergleichbar mit dem Zischen beim Öffnen einer Getränkedose). Dadurch können 20 bis 40 Prozent an Gewicht eingespart werden.

Das Produktgewicht kann auch durch das Verringern der Anzahl der Einzelteile in Baugruppen reduziert werden. Eine der beliebtesten Methoden hierfür ist das Ersetzen von Metall durch Kunststoff, wo immer dies möglich ist, weil dadurch mehrere separate Teile durch Spritzguss oder 3D-Druck zu einem Teil kombiniert werden können. Bei Metallen, insbesondere Magnesium, kann das Gießen dünner Wände die maschinelle Bearbeitung oder das Stanzen ersetzen, wobei die Teile leichter werden und die Stabilität dennoch gewahrt bleibt.

Jede Verwendung von Schrauben, Muttern und Nieten in einer Konstruktion bedeutet gleichzeitig eine Zunahme an Gewicht. Um diese zu minimieren, wurden neue Schweißverfahren entwickelt, mit denen Materialien verbunden werden können, die bislang als „nicht schweißbar“ galten. GM und Tesla nutzen diese fortschrittlichen Verfahren bereits zum Schweißen von Aluminium auf Stahl oder Aluminium auf Aluminium. Mit den neuesten Technologien im Bereich der Klebetechnik können jetzt noch mehr Materialien miteinander verbunden werden, unabhängig von Gewicht und Unterschiedlichkeit und auch unter Schwingungs- und Hochtemperaturbedingungen.

Mit der Topologieoptimierung können Bereiche einer Halterung identifiziert werden, die kaum zur Festigkeit und Steifheit beitragen und die folglich aus der Konstruktion entfernt werden können, ohne das Verhalten des Bauteils wesentlich zu beeinflussen.

Schließlich stehen noch neue Technologien zur Verfügung, mit denen bereits früh im Konstruktionsprozess Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung ermittelt werden können. Traditionelle Simulationswerkzeuge können bereits früh im Entwicklungsprozess verwendet werden, um Belastungen und Sicherheitsfaktoren zu bestimmen und die daraus gewonnenen Erkenntnisse über das Verhalten eines Modells bei dessen Weiterentwicklung zu berücksichtigen. Die Topologieoptimierung wird zudem immer häufiger in CAD-Software integriert, um solche Bereiche eines Bauteils zu identifizieren, die am wenigsten zur Festigkeit der Konstruktion beitragen und die folglich entfernt werden können.

In Bezug auf Gewichtseinsparung verspricht die Zukunft Konstrukteuren noch vieles mehr, und es werden zahlreiche neue Materialien und Technologien auf dem Markt erscheinen, wie Kohlenstoff-Nanopartikel, additive Fertigungsverfahren für Multimaterialien und generatives Design. Kohlenstoff-Nanopartikel (auch „Kohlenstoff-Nanoröhren“, CNT) befinden sich noch in der Entwicklungsphase und weisen eine Zugfestigkeit auf, die bis zu 33-mal größer ist als die von Kevlar. Die additive Fertigung für Multimaterialien stellt die nächste Generation des 3D-Drucks dar. Hierbei haben Konstrukteure und Materialwissenschaftler die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials zu definieren, aus dem dann das Teil „gedruckt“ wird. Das generative Design wird den gesamten iterativen Konstruktionsprozess, von CAD über CAE bis hin zu CAM, über ein einziges Softwarepaket ermöglichen. Konstrukteure müssen lediglich alle Parameter und Abhängigkeiten eingeben und schon werden die optimierten, richtig dimensionierten Bauteile erstellt.

Diese fortschrittlichen Verfahren von morgen vermitteln eine gute und beeindruckende Vorstellung davon, wie wir in Zukunft entwerfen, konstruieren, zusammenarbeiten und fertigen. Doch bereits heute stehen Konstrukteuren und Ingenieuren zahlreiche Möglichkeiten und praktische Ansätze für das Reduzieren von Gewicht zur Verfügung. Neben der Materialauswahl bieten Fertigungsprozesse neue Methoden zum Optimieren der Konstruktionsgeometrien, die bislang als Zukunftsmusik galten. Innovative Ansätze für die Befestigung und die Reduzierung von Komponenten ermöglichen es, Bauteile von innen nach außen zu entwerfen, und dank fortschrittlicher CAD-, CAE- und CAM-Technologien können bessere, kostengünstigere, stärkere und leichtere Produkte angeboten werden.


Quellenangabe:

  1. Forbes: „How to Build a Car that Gets 54.5 MPG“, https://www.forbes.com/pictures/ehmk45lii/weight-reduction/
  2. Composites World: „Wind turbine blades: Glass vs. carbon fiber“, https://www.compositesworld.com/articles/wind-turbine-blades-glass-vs-carbon-fiber, May 31, 2012
  3. EPA Report: „Light-Duty Automotive Technology, Carbon Dioxide Emissions und Fuel Economy Trends: 1975 through 2015“
  4. Automotive News: „GM’s learning curve on lightweighting“, https://www.autonews.com/article/20151110/BLOG06/311119999/gms-learning-curve-on-lightweighting November 10, 2015
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