Exklusiv: Expertenmeinungen zum Leichtbau im Engineering

Wir fragen – Experten Antworten zum Leichtbau und der ist ein Dauertrend und das quasi, seit Menschen Werkzeuge und Technik nutzen. Doch aktuell drückt der Schuh deutlich, denn es geht darum, technische Systeme zunehmend sparsam und nachhaltig zu gestalten. Unsere Experten erklären, warum wir gerade heute Leichtbau brauchen und wie er aktuell am besten funktioniert.

Die befragten Experten – vom Professor bis zum CEO – finden aktuelle wie auch archaische Gründe auf die Frage, warum sich Ingenieure gerade jetzt mit Leichtbau beschäftigen sollten. Betrachtet man es nüchtern, dann hat der Mensch schon seitdem er überhaupt Werkzeuge nutzt, diese stets auch in Sachen Gewicht verbessert. Denn gezielter Leichtbau erhöht eben nicht nur die Effizienz moderner Geräte und Fahrzeuge, um etwa die Umwelt zu schonen, sondern eben auch die Durchschlagskraft und Reichweite von Wurfspeeren und Pfeilen zur Nahrungsjagd.

Lediglich die Art und Weise, wie Leichtbau umgesetzt wird, ändert sich je nach dem Stand unserer technischen Evolution. Wobei: Bereits vor 5.000 Jahren fertigten Menschen Bögen in Composite-Bauweise und waren damit von ihrer Grundtechnik gar nicht so weit von dem entfernt, was wir auch heute noch tun. Neu sind aktuelle Technologien wie additive Fertigung, Simulation oder der Trend zum hybriden Leichtbau. Wie Ingenieure aktuell am besten an den Leichtbau herangehen und welche Trends am wichtigsten sind, erklären die Experten in ihren Antworten auf unsere Fragen.


Fragen an die Experten:

1. Warum sollten sich Konstrukteure und Entwickler jetzt mit dem Thema Leichtbau beschäftigten?

2. Bitte erläutern Sie anhand eines Beispiels den konkreten Nutzen von Leichtbau.

3. Welche aktuellen Trends sehen Sie im Bereich des Leichtbaus?


Rüdiger Frisch, Technical Manager West Europe und Vehicle Lightweight Solutions, 3M.

1. „Jetzt“ ist fast schon zu spät! Die Unternehmensberatung McKinsey hat bereits 2012 prognostiziert, dass sich der Anteil der Leichtbauprodukte für den Automobilmarkt in den kommenden zwanzig Jahren verdoppelt. Der Druck auf die Industrie, sparsamere Fortbewegungsmittel herzustellen, um den CO2-Ausstoß zu senken, ist seither weiter gestiegen. In Europa dürfen beispielsweise ab dem Jahr 2021 ein Großteil aller neuen Automobile maximal 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen – gegenüber 130 Gramm im Jahr 2015. Auch die geforderte und geförderte Elektromobilität verstärkt den Trend zum Leichtbau: Je weniger ein Elektrofahrzeug wiegt, desto größer ist seine Reichweite.

2. Mithilfe mikroskopisch kleiner Glashohlkugeln von 3M lässt sich das Gewicht von Kunststoffsystemen je nach Material um bis zu 30 Prozent reduzieren. Serienmäßige Anwendungen finden sich in Heckschürzen, Armaturenbrettern oder im Unterbodenschutz von Kraftfahrzeugen. Wenn Sie alle Leichtbau- und Klebelösungen von 3M zusammennehmen, können Sie bei einem durchschnittlichen Mittelklassewagen bis zu 194 Kilogramm Gewicht einsparen. Das bedeutet eine Verringerung des CO2-Ausstoßes um rund zwölf Gramm pro Kilometer – und damit um mehrere Tonnen, bezogen auf ein Autoleben!

3. Bis vor wenigen Jahren galten Faserverbundwerkstoffe als Material der Zukunft. Doch in der Zwischenzeit ist der Hype um Carbon & Co. etwas abgeklungen. Stattdessen stehen neue hochfeste Stähle und Aluminium-Magnesium-Legierungen im Fokus der Hersteller. Diese sind deutlich leichter und formbarer als vor einigen Jahren. Zum Einsatz kommen die neuen Materialien in Motoren, in der Karosserie oder im Fahrwerk.


Mirko Bromberger, Director Marketing bei der Altair Engineering GmbH

1. Konstrukteure und Entwickler müssen sich heute mit dem Thema beschäftigen, weil es morgen vielleicht schon zu spät ist. Egal ob im Bereich Mobilität, der Entwicklung dynamischer Maschinen oder auch von Alltagsgegenständen, Leichtbau ist ein Qualitätsmerkmal, das sich positiv auf das ganze Produkt auswirkt. Wenn man dem Wettbewerb voraussein will, muss man frühzeitig berücksichtigen, dass für effizienten Leichtbau die richtige Methodik, passende Werkzeuge und Erfahrung benötigt werden.

2. Leichtbau zum Selbstzweck reicht nicht aus. Um sinnvoll Leichtbau zu betreiben, erfordert es eine Leichtbauentwicklungsmethodik für eine lastgerechte Gestaltung. Ein gutes Beispiel für erfolgreichen Leichtbau ist die Firma Protiq. Gemeinsam mit Altair hat das Unternehmen ein Spritzgusswerkzeug neu entwickelt und im Metall-3D-Druck gefertigt. Dank des neuen Designs und des 3D-Drucks ist das Werkzeug profitabler herzustellen, da nur das tatsächlich benötigte Material verbaut wird. Außerdem hat das neue Werkzeug bessere thermische Eigenschaften und es ist einfacher zu handhaben. Dies und die kompaktere Bauweise führen zu geringeren Rüstkosten und Maschinenstundensätzen, da das Werkzeug auf kleineren Anlagen gefahren werden kann.

3. Zu oft wird Leichtbau nur mit Materialsubstitution gleichgesetzt. Wir sehen aber, dass sich ein simulationsgetriebener Entwicklungsprozess bereits in der Designphase immer mehr durchsetzt. Bei der Verarbeitung neuer, aber auch etablierter Materialien, und beim Einsatz moderner Fertigungsprozesse zeigt sich, dass nur mit Hilfe der Simulation, kombiniert mit Optimierungsalgorithmen, eine wirklich effiziente Leichtbaustruktur entwickelt und das komplette Leichtbaupotenzial ausgeschöpft werden kann.


Fragen an die Experten:

1. Warum sollten sich Konstrukteure und Entwickler jetzt mit dem Thema Leichtbau beschäftigten?

2. Bitte erläutern Sie anhand eines Beispiels den konkreten Nutzen von Leichtbau.

3. Welche aktuellen Trends sehen Sie im Bereich des Leichtbaus?


Dr. Christian Hamm, Leiter der Einheit bionischer Leichtbau und funktionelle Morphologie, Querschnittsbereich Wissens- und Technologietransfer, Alfred Wegener Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

1. Das Thema Leichtbau spielt branchenübergreifend eine immer größere Rolle. Gesetzliche und wirtschaftliche Vorgaben – Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Kosten – erfordern den effizienteren Umgang mit Ressourcen. Neue Softwarelösungen ermöglichen einem immer größeren Kreis von Ingenieuren Leichtbauentwicklungen. Gleichzeitig können mit neuen Produktionsverfahren wie AM zunehmend komplexere Strukturen hergestellt werden, damit werden leistungsfähigere Leichtbaulösungen realisierbar. Leichtbau ist eine Voraussetzung für viele Unternehmen, konkurrenzfähig zu bleiben. Er bietet daher Ingenieuren interessante Tätigkeiten und langfristig gute Chancen auf dem Arbeitsmarkt.

2. Kraftfahrzeuge wurden über die Jahrzehnte von Generation zu Generation immer schwerer. Dies hing meist mit den steigenden Anforderungen an Leistung, Komfort und Sicherheit zusammen. Aufgrund gesetzlicher Vorgaben zur CO2-Reduktion der Fahrzeugflotten wurde dieser Trend etwa ab dem Jahr 2000 gebremst und schließlich umgekehrt. Der Leichtbau trug damit wesentlich zur CO2-Reduktion und zur Schonung von Ressourcen bei. Auch bei Elektrofahrzeugen spielt Leichtbau eine sehr große Rolle: Hier liegt der Hauptnutzen allerdings in der Verbesserung der Reichweiten pro Ladung.

3. Drei Bereiche werden sich dramatisch weiterentwickeln: Erstens Software zur Optimierung von Leichtbaulösungen, zweitens Produktionsmethoden und drittens Materialien. Aktuell ist der Entwicklungsprozess zur Optimierung von Leichtbaustrukturen immer noch sehr aufwändig, weil unterschiedliche Experten verschiedene Methoden (beispielsweise CAD, FEM, Optimierung) iterativ einsetzen müssen, um zu einem Ziel zu gelangen. In Zukunft werden diese Prozesse über verbesserte, integrierte Software wesentlich effizienter ablaufen. Gleichzeitig werden die Ergebnisse der Gewichtsoptimierung deutlich leistungsfähiger sein, da neue und effizientere Verfahren – etwa aus der Bionik – zum Einsatz kommen.


Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter, Abteilungsleiter am Fraunhofer LBF und Sprecher der Fraunhofer Allianz Leichtbau

1. Das Ziel, leicht zu bauen, ist nicht neu. Seit der Mensch Werkzeuge oder technische Produkte erzeugt, denkt er über Optimierung und Leichtbau nach. Die Frage ist, wie viel Aufwand ist er bereit zu treiben und was ist er bereit, für ein eingespartes Kilogramm zu bezahlen? Der Markt bestimmt also auch hier und es gibt branchenspezifische Unterschiede. Zusammenfassend lässt sich sagen, Leichtbau ist eine Produktentwicklungskompetenz, die, um Gewicht kostengünstig einzusparen, technologisch und methodisch Grenzen auslotet und dieser Grenzgang schafft einen technologischen Vorsprung der gerade in den Hochlohnländern nötig ist, um weiterhin konkurrenzfähig zu bleiben.

2. Sinngemäß nach G. Niemann ( „Maschinenelemente“ Band1, Springer Verlag, 1981) bedarf das Streben nach Leichtbau, also geringerem Eigengewicht, keiner weiteren Begründung, solange hierdurch die Bauteilkosten nicht anwachsen und die Eignung/Funktion des Bauteils nicht gemindert wird. Wenn Leichtbau jedoch mit höheren Kosten verbunden ist, sind diese immer dann gerechtfertigt, wenn der Leichtbau anderweitige Einsparungen oder Vorteile zur Folge hat wie die Entlastung anderer Bauteile – Stichwort: Vergrößerungsfaktor, größere Nutzlast – etwa bei Fahrzeugen zum Transport, geringere Betriebskosten – beispielsweise bei Fahrzeugen und bewegten Maschinen oder eine erleichterte Bedienung oder Beförderung (bei Haushalts-, Reise- und Sportgeräten, Verpackungen oder Elektronik usw.). In einigen Fällen ermöglichte sogar erst Leichtbau die Konstruktion: im Brückenbau etwa oder in der Luft- und Raumfahrttechnik. Zudem kann Leichtbau auch Nutzen mit Blick auf eine bessere Ökobilanz und steuerliche Vorteile bieten.

3. Großes Potenzial sehe ich aktuell in der additiven Fertigung und deren Möglichkeiten, gerade in Kombination mit Gestaltoptimierungen beziehungsweise dem bionischen Design. Aber auch neue Materialien wie beispielsweise die Faserverbundwerkstoffe spielen auch weiterhin eine wichtige Rolle im Leichtbau.


Fragen an die Experten:

1. Warum sollten sich Konstrukteure und Entwickler jetzt mit dem Thema Leichtbau beschäftigten?

2. Bitte erläutern Sie anhand eines Beispiels den konkreten Nutzen von Leichtbau.

3. Welche aktuellen Trends sehen Sie im Bereich des Leichtbaus?


Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO der LZN Laser Zentrum Nord GmbH

1. In Zeiten des Klimawandels und der Regulation der CO2-Emissionen sollte der Leichtbau elementarer Bestandteil des Know-hows eines jeden Konstrukteurs und Entwicklers sein. Gerade neue Produktionstechniken wie der 3D-Druck bieten eine nie dagewesene Design-Freiheit, sodass komplexe Strukturen aus der Natur für die Industrie umgesetzt werden können. Und die Unternehmen denken um: Wo es früher darum ging, möglichst wenig Spanvolumen zu erzeugen, wenn das Gewicht keine Rolle spielte, geht man jetzt genau den entgegengesetzten Weg: Je mehr das Bauteil wiegt, desto teurer wird es. Unser Bionic-Training soll genau das vermitteln und Konstrukteuren und Entwicklern das nötige Handwerkszeug mitgeben, um erfolgreich den Leichtbau betreiben zu können.

2. Den wohl größten Nutzen hat der Leichtbau aktuell in der Luftfahrtbranche: Jedes Kilogramm, das man hier spart, hat einen direkten Einfluss auf den Kerosinverbrauch und somit die Emissionen des Flugzeugs. Das LZN forscht gemeinsam mit Partnern aus der Industrie an der Nutzung des 3D-Drucks zur Erschließung solcher Potentiale. Ein konkretes Beispiel hierfür stellt das Flight Crew Rest Compartment Bracket (Halterungen für die Ruhekabine von Crew-Mitgliedern in Langstrecken-Flugzeugen) dar, das von uns mitentwickelt wurde und das erste additiv gefertigte Metallbauteil der Zivilluftfahrt ist. Uns ist klar: im Alltagsgeschäft ist es schwierig, solche Potentiale aufzuspüren. Deshalb bieten wir unseren Kunden einen sogenannten Part-Screening-Workshop an, in dem wir gemeinsam Bauteile suchen und eine Optimierung der Materialeffizienz durchführen.

3. Aus meiner Sicht ist ein klarer Trend der Einzug der 3D-Drucktechnik. Sie lässt den Aufbau komplexer bionischer Strukturen zu, die zuvor nicht wirtschaftlich produzierbar waren. Zwar stellen hier die softwareseitige Designbarkeit und Umsetzung von beispielsweise Lattice-Strukturen noch Herausforderungen dar. Diese lassen sich jedoch künftig mit der Entwicklung darauf ausgelegter Software lösen. Ein weiterer von uns beobachteter Trend sind hybride Strukturen aus additiv gefertigten Metallteilen in Kombination mit beispielsweise CFK-Bauteilen. Mit solchen Kombinationen lassen sich die Vorteile beider Werkstoffe vereinen.


Marc Kirchhoff, Leiter Branchen- und Key-Account-Management Automobil bei Trumpf

1. Der Leichtbau wird im automobilen Umfeld immer wichtiger. Sei es, um bei konventionellen Fahrzeugen den Verbrauch zu reduzieren, bei elektrischen Fahrzeugen, um die Reichweite zu steigern, oder auch „nur“, um den Fahrspaß zu erhöhen. Dabei wird die Disziplin des Leichtbaus immer komplexer und damit das Verständnis der Technologien und Werkstoffe zunehmend bedeutsamer.

2. Am Beispiel eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs lässt sich das Potential des Leichtbaus sehr gut greifbar machen: Das beim Gesamtfahrzeug eingesparte Gewicht kann sich auf zweierlei Arten positiv auswirken: Entweder nützt man die „frei gewordenen Kilos“ für zusätzliche Batteriezellen, um dem Fahrzeug eine größere Reichweite zu ermöglichen, oder aber man bleibt bei der ursprünglichen Reichweite, kann dafür aber eine kleinere Batterie einsetzen – was die Fahrzeugkosten senkt.

3. Der wichtigste Trend, der aktuell im Fahrzeugbau Einzug hält, ist der hin zu einem hybriden Leichtbau. Noch vor einigen Jahren bedeutete Leichtbau typischerweise, das Fahrzeug aus nur einem Werkstoff wie Aluminium oder CFK herzustellen. Inzwischen setzen viele Entwickler auf „hybriden Leichtbau“, also Konstruktionen aus Aluminium, Stahl, Magnesium, faserverstärkten Kunststoffen und anderen Leichtbauwerkstoffen, gepaart mit neuen Fügetechnologien und Konstruktionsweisen. Auch das Thema lokale Verstärkung zeichnet sich dabei als Zukunftsthema ab. Beide Trends spielen dem Laser in die Karten, der sich derzeit als ideales Leichtbau-Werkzeug etabliert: Er kann unterschiedliche Werkstoffe trennen, verbinden und verstärken und Konstruktionen ermöglichen, die mit keiner anderen Fertigungstechnologie machbar wären.


Fragen an die Experten:

1. Warum sollten sich Konstrukteure und Entwickler jetzt mit dem Thema Leichtbau beschäftigten?

2. Bitte erläutern Sie anhand eines Beispiels den konkreten Nutzen von Leichtbau.

3. Welche aktuellen Trends sehen Sie im Bereich des Leichtbaus?


Dr. Walter Begemann, Projektleiter der VDMA-Arbeits­gemeinschaft „Hybride Leichtbau-Technologien“

1. Klimawandel und zunehmende Ressourcenverknappung zwingen aus ökologischer wie ökonomischer Sicht zum nachhaltigen Wirtschaften in allen Industriebereichen. Der Leichtbau unterstützt die Zielsetzungen von Gewichtseinsparung, Energie- und Emissionsreduzierung in Flugzeug- oder Automobilbau ebenso wie in Windkraftanlagen, Maschinenbau und Bauwesen. Es sind funktionale Lösungen gefragt, die nicht mehr auf den einen Werkstoff setzen, sondern auf eine gewichts- und kostenoptimierte Werkstoff-Kombination im Multimaterialdesign. Entsprechend benötigen Konstrukteure und Entwickler künftig verstärkt Know-how zu Werkstoffen, Verarbeitungsverfahren sowie Füge- und Verbindungstechnik.

2. Im Maschinen- und Anlagenbau geht es häufig um hochdynamische und präzise Prozesse. Die Verwendung von CFK anstelle von Stahl oder Aluminium hat beispielsweise bei einer Portallösung zu einem halbierten Eigengewicht von Laufwagen und Achse geführt. Damit werden 2,5-fach höhere Geschwindigkeiten gegenüber Standardportalen bei Beschleunigungen des Mehrfachen der Gravitationsbeschleunigung g erreicht. Die verbesserte Dynamik erlaubt mit weniger Maschinenelementen einen höheren Automatisierungsgrad bei dauerhaft höchster Präzision. Neben der Maximierung von Produktionsleistung und Betriebssicherheit reduzieren sich Stillstandzeiten.

3. Leichtbaulösungen werden künftig vermehrt auf der Kombination von Composites mit Aluminium, Stahl und anderen Werkstoffen basieren. Langfristig ist ein intelligenter Materialmix mit hoher Funktionalität erfolgreich, der je nach Anwendung den Produktanforderungen und dem Kostenrahmen gerecht wird. Auf dem Weg zur Serienproduktion liegen die Einsparpotenziale neben den Werkstoffen selbst vorwiegend bei den Prozesskosten. Zudem gilt es, neue Verfahren wie die additive Fertigung in die Wertschöpfungsketten zu integrieren.

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