Werkstoffe und Leichtbau

Transkript

1 Kleine (und leider nur viel zu kurze) Einblicke in die Welt der Werkstoffe präsentiert von Norbert Jost Werkstoffentwicklungs- und Prüflabor Ingenieurwissenschaften / Maschinenbau

2 1. Einleitung 2. Eisen und Stahl 3. Leicht- und Superleichtmetalle 4. Intelligente Werkstoffe 5. Super Light Car (mit Film)

3 Zukunftstechnologien im Bereich Maschinenbau Neue Werkstoffe Umwelttechnik Mikrosystemtechnik Produktionstechnik Simulationstechnik Nano- Technologie

4 Interdisziplinarität der Werkstoffkunde Physik Wärmelehre Werkstoffkunde Chemie Mechanik Mineralogie

5 Struktureller Aufbau von Werkstoffen Kristallgitter bei Metallen und Keramiken Molekülketten bei Polymeren

6 Achtung: logarithmische Skalenteilung Ti Fe Festigkeit [MPa] Mg Al Material Performance P Quelle: Ashby, Materials Selection in Mechanical Design Dichte [1.000kg/m³] P Festigkeit 2 3

7 Werkstoffeinsatz im Auto Beispiel VW Golf Massenanteil [%] Stahl Gummi/Sonst. Polymere Nicht-Eisen-Metalle Aluminium

8 Stahl (kfz/krz, = 7.870kgm -3, T m = C) hohe Festigkeit/Duktilität schweißbar Energieinhalt (60-83 MJ/kg) hohe Dichte ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) Korrosionsbeständigkeit neuere Entwicklungen: tailored blanks, Mehrphasen-Stähle

9 Eisen und Stahl Endabmessungsnahe Fertigung Strangguss Bandguss

10 Eisen und Stahl vielfältigste Anwendungen

11 Eisen und Stahl - Hochleistungsbaustähle Mindeststreckgrenze Re [MPa] S960 S890 S690 S S235 S355 S Jahr

12 Eisen und Stahl Was maximal geht! Streckgrenze R e [MPa] Seil aus höchstfestem Stahl : sind die Anteile der so genannten Härtungsmechanismen an der Gesamtfestigkeit 4 Streckgrenze: Belastung, bei der ein Werkstoff beginnt, sich plastisch, also bleibend, zu verformen Eine Streckgrenze von knapp N/mm2 bedeutet z.b.: Eine Boeing 737 mit einem Leergewicht von rund kg könnte an 1 2 einem Stahlseil, was einen Durchmesser von gerade einmal 1cm hat, aufgehängt werden.

13 Eisen und Stahl und schön anzusehen ist es auch noch!

14 Aluminium (kfz, = 2.700kgm -3, T m = 661 C) geringe Dichte Korrosionsbeständigkeit Festigkeit/Duktilität Energieinhalt ( MJ/kg) Schweißbarkeit 200µm Schichtkorrosion (Al-Cu-Mg-Legierung)

15 Magnesium (hdp, = 1.740kgm -3, T m = 651 C) Sehr geringe Dichte Gießbarkeit (AZ91) Duktilität BMW 6Zyl.-Reihenmotor Kurbelgehäuse geringe Festigkeit Korrosion Energieinhalt ( MJ/kg) Mg-Getriebegehäuse (z.b. VW Passat)

16 Titan (hdp/krz, = 4.510kgm -3, T m = C) geringe Dichte höchste Festigkeit/Duktilität korrosionsbeständig, auch bei hohen Temperaturen Mikroelektronik -gehäuse Fahrzeugfedern (LCB *, früher VW Lupo) * LCB Low Cost Beta Titan) Douglas X3 stiletto (ab 1949 Ti-Einsatz) Energieinhalt ( MJ/kg) Schweißbarkeit

17 Leichtbau und Superleichtmetalle kg/passagier-km 2 Strato-Cruiser 1 Boeing 707 Concorde Air-Bus 1950 Jahr der Einführung 1990 Technische Funktionen werden immer kleiner und leichter

18 Superleichtmetalle Alle Zylinder wiegen exakt gleich viel Legierungen wie Al-Li und Mg-Li stellen die Basis dieser ganz neuen Werkstoffgruppe dar. Erster Einsatz im Airbus A380 (Cargo-Liner)

19 Multifunktionale Leichtbauwerkstoffe: Metallschäume hohe Steifigkeit gute Dämpfungseigenschaften Energieabsorptionsvermögen

20 relative Preise Stahl Stahl legiert Al (60xx) Al (20xx, 70xx) Mg (AZ91) Mg (AZ31) Ti (rein) Ti (Al6V4)

21 Audi A6 Leichtbaukomponenten

22 Werkstoffeinsatz im Porsche Panamera

23 Intelligente Werkstoffe Diverse Schaltelemente Rohrmuffen Gefäßstützen Implantate (Stents) Roboterhand Sicherheitsventile Bandscheibenimplantate

24 Werkstofffestigkeiten im Super-Light-Car Verteilung der verwendeten Werkstofffestigkeiten für wesentliche Bauteilgruppen R p0,2 < 140 MPa R p0, MPa R p0,2 R p0, MPa > MPa

25 Werkstoffkunde - Werkstofftechnik - Werkstoffprüfung W E P Gewinnung von Öl Öl Verarbeitung von Öl

26 Werkstoffkunde - Werkstofftechnik - Werkstoffprüfung W E P Pro Jahr werden auf den Weltmeeren 1,3 Milliarden Tonnen Rohöl transportiert. Im Normalfall fahren die Tanker in den Bestimmungshafen und werden dort gelöscht. Wenn dort abgeladen ist, fährt das Schiff wieder aus dem Hafen. Die Schiffsmannschaft reinigt die Tanks auf dem offenen Meer. Die Reste werden irgendwo unterwegs ins Meer gepumpt. Dies ist absolut legal und wird von der Erdölwirtschaft auch nicht bestritten.

27 Werkstoffkunde - Werkstofftechnik - Werkstoffprüfung W E P Gemäß den Transportkonventionen darf diese Restmenge aber nicht mehr als 1,6 Promille der Transportmenge betragen. Ob diese Promillegrenze eingehalten oder über- bzw. unterschritten wird, kann natürlich in keinster Weise nachgewiesen werden.,

28 Werkstoffkunde - Werkstofftechnik - Werkstoffprüfung W E P Rechnet man aber mal nur mit diesen tatsächlich offiziell genehmigten 1,6 Promille: 1,6 Promille der transportierten Menge von 1,3 Milliarden Tonnen ergibt: 2,08 Millionen Tonnen pro Jahr dies entspricht ca Tonnen pro Tag!!! Das sind dann täglich 6,3 Millionen Liter an ins Meer legal verklappten Rohöl. Nach Angaben der US-Regierung strömten bei der Deepwater Horizon Katastrophe im Jahre 2010 täglich zwischen 8,5 Millionen und 10 Millionen Liter Öl aus dem Bohrloch.

29 Film Super Light Car (ca. 11 Min.)

30 Tja, das war s schon leider. Aber nur hier im Hörsaal. weiter geht s im Labor. Allen noch viel Spaß beim Experimentieren und Zuschauen!