1. Aluminium - ein idealer Konstruktionswerkstoff

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1 Positive Eigenschaften - große Anwendungsvielfalt 1. Aluminium - ein idealer Konstruktionswerkstoff 1.1 Positive Eigenschaften - große Anwendungsvielfalt Aluminium ist heute das nach Stahl am häufigsten verwendete Metall. Die Ursachen dafür liegen in der Vielfalt der Werkstoffeigenschaften und der Möglichkeit, diese gezielt zu kombinieren. So findet sich Aluminium in den verschiedensten Anwendungsbereichen (Bild 1.1). Noch 1882 war Aluminium eine bestaunte Rarität, von der in der gesamten Welt gerade 2 t produziert wurden. Seitdem aber haben Verbrauch und Produktion eine stürmische Entwicklung erfahren, die auch heute noch anhält. Der Verbrauch an Aluminium ist über Jahrzehnte hinweg sehr viel schneller gewachsen als die Industrieproduktion oder das volkswirtschaftliche Gesamtprodukt. Im Substitutionswettbewerb mit anderen Materialien hat sich Aluminium nicht nur behauptet, sondern konnte einen stetigen Zuwachs erzielen. In der Bundesrepublik Deutschland ergibt sich für alle drei Jahrzehnte seit 1950 eine 1,6- bis 1,8-fache Wachstumsrate des Aluminiumverbrauchs gegenüber der Wachstumsrate des Bruttosozialprodukts. Dieser Prozess ist noch längst nicht abgeschlossen, sondern wird durch die Forderungen der Industrie nach leichten, innovativen und ökologisch sinnvollen Werkstoffen weiter forciert. Verpackung 7% Maschinenbau 9% Bau 18% Eisen + Stahl 6% Haushalt + Büro 4% Sonstige 10% Elektrotechnik 5% Verkehr 41% Bild 1.1 Aluminium-Endverbrauch in Deutschland (GDA 2001) [1] 1

2 Aluminium ein idealer Konstruktionswerkstoff Hintergrund dieser Entwicklung sind die positiven Eigenschaften des Leichtmetalls, insbesondere: die auch bei Legierungen geringe D ichte: Die Dichte des Aluminiums beträgt mit 2,7 g/cm 3 nur etwa ein Drittel der Dichte des Stahls. (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap. 2 und 5). Dies bringt erhebliche Energieeinsparungen, vor allem bei Anwendungen im Verkehrssektor mit sich. die günstigen Festigkeitseigenschaften: Genormte Aluminiumwerkstoffe stehen in unterschiedlichen Festigkeitsbereichen (Mindestzugfestigkeiten von etwa 60 N/mm 2 bis etwa 530 N/mm 2 ) zur Verfügung, so dass sich für fast alle Anwendungen optimale Lösungen finden lassen (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap. 5.1 und 6). die gute Gießbarkeit: Aluminium lässt sich hervorragend nach verschiedenen Gießverfahren (z.b. Druckguss, Sandguss, Kokillenguss; s. Aluminium- Taschenbuch 2, Kap. 2) vergießen. Selbst komplizierte Formen sind möglich. die gute Umformbarkeit: Aluminium lässt sich mit fast allen anderen üblichen Verfahren des Kalt- und Warmumformens in die unterschiedlichsten Formen bringen. Ein breites Spektrum von Halbzeugen (Bild 1.2) sowie Formteilen und Folien aus Aluminium ist verfügbar (s. Aluminium-Taschenbuch 2, Kap. 1). die gute chemische Beständigkeit infolge der Bildung festhaftender Deckschichten und die vielseitige Oberflächenbehandelbarkeit (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap. 8.1 und Aluminium-Taschenbuch 2, Kap. 3). die gute S p a n barkeit: Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar, besonders die speziellen Automatenwerkstoffe. Vorteilhaft sind die aufgrund der möglichen hohen Schnittgeschwindigkeiten kurzen Bearbeitungszeiten (s. Kap. 2). die gute Eignung für V e r b i ndungsarbeiten: Alle üblichen Verfahren zum Stoffverbinden sind bei Aluminiumwerkstoffen anwendbar. Schmelzschweißen erfolgt meist als Schutzgasschweißverfahren, Kleb- und Klemmverbindungen haben eine große Bedeutung (s. Kap. 3). die hohe elektrische Leitfähigkeit, insbesondere bei Reinaluminium und speziellen Leitlegierungen: Sie ist wichtig für Anwendungen in der Elektrotechnik (s. Kap. 5) die hohe Wärmeleitfähigkeit: Sie ist bei Teilen von Verbrennungsmotoren von Bedeutung, z.b. bei Kühlern. (s. Kap. 5.) die gesundheitliche Unbedenklichkeit: Sie ist insbesondere bei der Verwendung von Aluminium im Verpackungsbereich von Bedeutung (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap ). die guten optischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Reinheitsgrad. So erlangte Aluminium im Bereich der Beleuchtungstechnik eine wichtige Rolle (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap und ). 2

3 Positive Eigenschaften - große Anwendungsvielfalt die hervorragende W a r t u n g s f r e u n d l i c h k e i t von Aluminiumkonstruktionen aufgrund der guten chemischen Beständigkeit. Regelmäßige Anstriche sind nicht notwendig. die Funkenfreiheit und U n b r e n n b a r k e i t. die magnetische Neutralität, d.h. alle Aluminiumwerkstoffe sind frei von Ferromagnetismus (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap und 5.4.9) der niedrige A b s o r p t i o n s q u e r s c h n i t t für thermische Neutronen. Aus diesem Grund wird Aluminium häufig für Teile im Reaktorbau eingesetzt (s. Aluminium-Taschenbuch 1, Kap und ) Für das Metall wurden immer wieder neue Anwendungsgebiete erschlossen. In den Industrieländern forciert derzeit vor allem der Automobilbau den Aluminiumverbrauch, während in anderen Ländern der Verpackungssektor einen weiteren Schub bringt Produktion in 1000 t Bild 1.2 Halbzeugproduktion in Deutschland (Walzfabrikate, Press- und Ziehfabrikate, Leitmaterial, nach GDA) [1] Dementsprechend verlief, wie Bild 1.3 zeigt, die pro-kopf-verbrauchs-entwicklung in den einzelnen Staaten sehr unterschiedlich. Wenn berücksichtigt wird, dass in Entwicklungsstaaten der Pro-Kopf-Verbrauch noch sehr niedrig ist, ist mit weiterem Zuwachs in den kommenden Jahren zu rechnen. 3

4 Leichtbau als Konstruktionsprinzip 4. Konstruieren mit Aluminium Für jede Konstruktion muss die Lösung angestrebt werden, die bei zweckmäßiger Ausnutzung des Werkstoffes technisch vollkommen, funktionsmäßig sicher, für die Nutzung wirtschaftlich vertretbar und nutzbringend ist; die Erfüllung der letzten Forderung ist oft der entscheidende Faktor. Der Aluminium-Konstrukteur betritt bei seinen Arbeiten im Allgemeinen kein Neuland mehr, für viele Anwendungsgebiete liegen bereits bewährte Erfolgsbeispiele vor; ihre Analysen geben Anhaltspunkte für weitere Entwicklungen. Entwurf, Bemessung und Ausführung von tragenden Bauteilen aus Aluminium erfordern gründliche Kenntnisse über die Werkstoffeigenschaften: im übrigen bedarf es nur der folgerichtigen Anwendung der physikalischen Gesetze und der allgemein gültigen Grundlagen des Ingenieurwissens. 4.1 Leichtbau als Konstruktionsprinzip Leichtbau ist die Bauweise, die unter Ausnutzung der physikalisch-technischen Erkenntnisse bei dem Entwurf der Gesamtkonstruktion und ihrer Einzelteile alle die verfügbaren konstruktiven und fertigungstechnischen Mittel anwendet, die ohne Beeinträchtigung der Gebrauchsgüte (das sind vor allem Betriebsfestigkeit und Betriebssicherheit) die wirkungsvollste Masseeinsparung bzw. die geringstmögliche Baumasse ereichen lassen. Ziel ist, durch ein Minimum an Aufwand jeglicher Art mit Werkstoff, Arbeit und Energie rationell zu wirtschaften, d.h. die Kosten für Investitionen und Nutzung zu senken. Die Grenzen für den Leichtbau sind Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Sicherheit und Leichtbau sind dabei keine Gegensätze, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit lassen sich konstruieren Definitionen Nachfolgend werden einige für das Verständnis wichtige Begriffe erläutert. Stoffleichtbau Dieser wird durch geeignete Werkstoffwahl erreicht. Die Forderung nach dem spezifisch leichten Werkstoff wird durch die Wahl von Aluminium allgemein, die Ausnutzung höherer Festigkeiten speziell durch die hochfesten Aluminiumlegierungen erfüllt. Formleichtbau Hierunter sind Konstruktionen zu verstehen, die sowohl als Ganzes als auch im Detail in Form und Abmessung ihrer tragenden Querschnitte statisch und dynamisch beanspruchungs- und werkstoffgerecht gestaltet und hierdurch festigkeits- und stabilitätsmäßig vorteilhaft sind. 355

5 Konstruieren mit Aluminium Leichtbaugrad Der bei der Planung anzustrebende, bzw. konstruktiv erreichte Leichtbaugrad ergibt sich aus der Zielsetzung und dem Bauprinzip, die je nach Verwendungsgebiet unterschiedlich zweckgerichtet sind und für die Entscheidung Prioritäten von Masse oder Preis setzen. Geringstmögliche Baumasse durch extremen Leichtbau als selbstverständliche Voraussetzung für die Funktion eines Gerätes (z.b. Flugzeugbau, Flugkörper u.ä.) sind zu erzielen durch hochwertige Aluminiumlegierungen und einen in Dimension und Fertigung an die technisch praktikable Grenze gehenden Formleichtbau allerdings mit hohen Kosten. Zwischen Leichtbaugrad und Gestehungspreis gibt es deshalb einen Zusammenhang: Leichtbaugrad einer Konstruktion und die hierfür aufzuwendenden Kosten sind abhängig vom Konstruktionssystem. Bild 4.1 zeigt schematisch den Zusammenhang; die Darstellung gilt für alle Anwendungsgebiete, jedoch jeweils mit quantitativ verschiedenen Maßstäben. Sie soll hier nicht dem üblichen Vergleich Leichtbau-Schwerbau dienen, sondern generell für den Leichtbau mit Aluminium dem Konstrukteur die zu erwartende Relation qualitativ aufzeigen. Dabei wird es je nach Aufgabenstellung leichtere und schwerere Leichtbau -Konstruktionen geben. Kosten Wichtig sind in diesem Zusammenhang die Gesamtkosten bzw. Mehrkosten je kg Masseersparnis. Diese entstehen einerseits durch den erforderlichen Werkstoffaufwand (Werkstoffvolumen und Werkstoffqualität sind beanspruchungsbedingt und konstruktionsabhängig), andererseits durch den für die Bauweise erforderlichen Fertigungsaufwand. Kostenwirksamkeit und Rentabilität müssen in Einklang gebracht werden; letztlich ergibt sich der wirtschaftlich vertretbare Aufwand (Kosten) aus dem Nutzungseffekt (Kostenersparnis). Die für die verschiedenen technischen Anwendungsgebiete (z.b. Flugzeugbau, Fahrzeugbau, Apparatebau, Hochbau und weitere) in Frage kommende Nutzung der Vorteile leichter Konstruktionsgewichte seien hier als bekannt vorausgesetzt. Einschränkende Bedingungen machen oft Kompromisse erforderlich. Mittel und Wege, die der Werkstoff Aluminium dem Konstrukteur zu einem befriedigenden Ergebnis bietet, werden in 4.2 und 4.3 aufgezeigt. Bild 4.2 gibt einen qualitativen Überblick über Gewicht und Herstellkosten verschiedener Wandbauelemente bei gleicher Stabilität. Optimaler Leichtbbau Unter optimalem Leichtbau mit Aluminium wird das Baukonzept verstanden, das zwischen einem für die Nutzung noch attraktiven L e i c h t baueffekt (Masseersparnis) und dem Gestehungspreis (Investitionsaufwand) die wirtschaftlich geforderte und vertretbare Relation, d.h. für das in Frage stehende Anwendungsgebiet den absolut niedrigsten Gestehungspreis, ergibt. In Bild 4.1 weist der Punkt L o das Kostenminimum aus: Zu erzielen mittels rationeller Auslegung der Konstruktion in bezug auf Werkstoffwahl (Festigkeit, Elastizität und dgl.), kostensparenden Gebrauch und kostengünstige Fertigung durch volle Ausschöpfung der bei Aluminium gebotenen Gestaltungsmöglichkeiten (Strangpressprofile, Dickblechbauweise, Verbindungsverfahren). Mathematisch ist eine solche Optimierung nicht exakt lösbar. Die konsequente Durchführung dieser Regeln hat z.b. die Ganz-Aluminiumkonstruktion im Schienenfahrzeugbau wettbewerbsfähig gemacht. Die erzielte Masseersparnis beträgt dabei ca. 25 bis zu maximal 50% gegenüber der üblichen 356

6 Leichtbau als Konstruktionsprinzip Stahlleichtbau-Ausführung; die Kosten liegen verhältnismäßig nahe bei Kostengleichheit, bzw. sind die nunmehr verhältnismäßig geringen Mehrkosten kurzfristig durch Betriebsvorteile amortisierbar. Der gleiche Leichtbaugrad für eine Stahlausführung wäre nur durch Anwendung eines extremen Leichtbaues mit entsprechend höheren Fertigungskosten möglich. Die Wirtschaftlichkeit von Aluminiumkonstruktionen kann nicht nach dem u.u. höheren Materialpreis allein beurteilt werden, wenn alle kostensparenden Faktoren erkannt und wirkungsvoll genutzt werden. Bild 4.1 Abhängigkeit der Kosten von Masse bzw. Leichtbaugrad; zu L E Einsatz hochfester Werkstoffe, werkstoff- d.h. massesparende Bauweisen. Kostenintensiv bezüglich Halbzeug aus hochfesten Aluminiumlegierungen und Fertigungsaufwand (Fügearbeit, Vorrichtungsbau, z.b. Flugzeugbau); zu L o Optimaler Leichtbau, gekennzeichnet durch wirtschaftlich günstiges Kostenminimum und einem für die Nutzung effektvollen Leichtbau mit kostengünstigem Auwand für Werkstoff und Bauteilfertigung (z.b. Fahrzeugbau); zu L M Materialintensiv durch größeres beanspruchungsbedingtes Werkstoffvolumen und ggf. teuere Materialqualität. Fertigungskosten u.u. beeinflusst durch Handhabung größerer Bauteilgewichte (z.b. Ingenieurbau, Maschinenbau) 357