Auswahl von Werkstoffen für den Leichtbau

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1 Auswahl von Werkstoffen für den Leichtbau - eine ganz kurze Einführung - Nikolaus Herres Labor für Werkstoffe Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Werdenbergstrasse 4, CH-9471 Buchs (SG) Innovationstagung, HSR Rapperswil, 24. Juni Inhaltsübersicht Leichtbau wieso? Gehört die Zukunft den Verbundwerkstoffen? Leichtbau spielt sich auf mehreren Strukturebenen ab Leichte Baustoffe und Leichtbauwerkstoffe Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl Typische Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe Vergleich von Faserverbundwerkstoffen mit Metallen Beispiel: Materialwahl für ein Rohr unter Belastung (analytische Berechnung und graphische Werkstoffauswahl) Zusammenfassung 2

2 Leichtbau wieso? Haupttriebkraft sind die Transportaufwendungen: F= m a W = F s von tragenden Teilen: von Gehäuseverkleidungen: von Behältern + Verpackungen: Automobil-Karosserie Flugzeug-Rumpf und -Flügel Ladefläche eines Muldenkippers Mobiliar Automobilbleche Waggon-Bau Bierdosen Versandverpackungen 3 Gehört die Zukunft den Verbundwerkstoffen? Realer Energieverbrauch am Beispiel einer Fahrzeugstruktur (Quelle: Untersuchungsergebnisse von BASF/Dornier) Quelle: Prof. Dr. Paolo Ermanni: Composite Technologien. ETH Zürich. Oktober

3 Leichtbau spielt sich auf mehreren Strukturebenen ab Golden Gate Bridge San Francisco Holz eines Baums Schraubenschlüssel Molekülkette eines Kunststoffs Stahlgefüge Kristallgitter 5 Leichte Baustoffe und Leichtbauwerkstoffe klassisch : Stahlbleche Aluminium Magnesium Glasfaser-Verbundwerkstoffe Bims ( Glasschaum ) Wellpappe Hölzer (Balsaholz) Perlen, Muschelschalen Wabenstrukturen, Vogelfedern Spinnseide seit weniger als 30 Jahren: Neue Stähle (Duplex, TRIP, TWIP) hochfeste Aluminium-Legierungen Titan- und Beryllium-Legierungen Kohlefaser-Verbundwerkstoffe Metallische und keramische Schäume Verbunde mit Schaumstoffen 6

4 Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl Produkt Kundenwünsche Produkt-Eigenschaften Werkstoffauswahl - Produktfunktionen - Gestalt - Preis - Bauteilgestalt - Werkstoffeigenschaften - Funktionssicherheit - Recycling - Kosten - Belastungssituation - Werkstoffzielgrössen - Verfügbarkeit, Kosten - Fertigungsmöglichkeiten - Recycling Typische Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe hohe Steifigkeit ausreichende Festigkeit Quelle: R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, D Waldenbuch geringes Gewicht günstiger Preis 8

5 Vergleich von Faserverbundwerkstoffen mit Metallen Quelle: IMWF, Universität Stuttgart 9 Beispiel: Materialwahl für ein Rohr unter Biegebelastung Gegeben: Belastung F = 1000 N Rohr-Ausssendurchmesser D = 60 mm Rohrlänge L = 200 mm Gefordert: Fall A) maximale Durchbiegung f = 1 mm, Fall B) die Durchbiegung soll egal sein, solange das Rohr im elastischen Bereich belastet wird Steifigkeit Festigkeit Gesucht: Wanddicke s des Rohrs, Gewicht m und Preis P (gering) für die beiden Anforderungen und unterschiedliche Werkstoffe 10

6 Berechnungsergebnisse Fall B: es soll sich nur elastisch verformen Fall A: steif soll es sein 3 π FL m= ρl D D 4 π 3Ef Stahl S235 GFK (unidirektional, 0 ) CFK (unidirektional, 0 ) Aramid-Faser (0 Laminat) Holz (Eiche) Material Federstahl 48CrMoNiV4-10 Titanlegierung TiAl6V6Sn2 Al-Legierung AlZn5Mg3Cu Mg-Legierung MgZn5Zr Dichte ρ / kg/dm 3 7,87 7,87 4,55 2,78 1,80 1,70 1,57 1,38 0,70 E- Modul E / GPa Wanddicke Belastungsgrenze R e od R m / MPa Kosten CHF/ kg 1,50 1,50 128,00 3,00 2,20 26,00 50,00 75,00 4,00 π FL m= ρl D D 4 π Re Wanddicke s / mm 0,31 0,05 0,06 0,15 0,29 0,06 0,04 0,06 1,38 Gewi cht m / kg 90,22 14,01 11,05 16,13 19,38 4,13 2,21 2,97 35,53 Preis CHF s / mm 0,15 X 0,15 0,28 0,46 0,72 0,82 0,21 0,46 2,19 Gewi cht m / kg 44,64 44,64 47,33 47,80 48,57 51,76 12,17 23,73 55,78 Preis CHF Beispiel für ein Ashby-Diagramm : Elastizitätsmodul gegen Dichte Die logarithmische Auftragung zweier Materialparameter ermöglicht eine graphische Materialauswahl Die Graphik wurde erstellt mit dem Cambridge Engineering Selector 12

7 Cambridge Engineering Selector Cyanate Ester/HM Carbon Fiber, UD Composite, 0 Lamina PEEK/IM Carbon Fiber, UD Composite, 0 Lamina BMI/HS Carbon Fiber, UD Composite, 0 Lamina Epoxy/S-Glass Fiber, UD Composite, 0 Lamina geringes Gewicht ist wichtig Elastisches Limit / Dichte Epoxy/HS Carbon Fiber, UD Composite, 0 Epoxy/Aramid Fiber, UD Composite, 0 Lamina Beryllium, grade I-250, hot isostatically Elastizitätsmodul / Dichte 13 Cambridge Engineering Selector 0.1 Low alloy steel, AISI C, oil quenched) Wrought aluminum alloy, 7055, T77511 PP (42% Directionalized Glass Mat - Parallel, Homopolymer) Preis ist wichtig Elastisches Limit / (Dichte * Preis) e-3 1e-4 Concrete (Structural Lightweight) 1e-5 1e-7 1e-6 1e-5 1e-4 1e Elastizitätsmodul / (Dichte * Preis) 14

8 Wichtige Faktoren zur Auslegung von Leichtbaukomponenten aus: Hans-Willi Raedt: Leichtbau durch Massivumformung. Hrsg.: Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V., D Hagen, Juni Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Anschrift: Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Labor für Werkstoffe Werdenbergstrasse 4, CH-9471 Buchs (SG) Telefon: +41 (0) Telefax: +41 (0) Kontakt: Dr. Nikolaus Herres (Dozent) Telefon: +41 (0) Bettina Schlecht (Metallographin) Telefon: +41 (0)