Vereinfacht ausgedrückt bedeutet Leichtbau, dass die Materialmenge in einem Bauteil reduziert wird, um das Gesamtgewicht zu verringern, ohne dabei die Zuverlässigkeit oder Funktion zu beeinträchtigen.
Regierungen und Verbraucher fordern, dass die Industrie in einer Reihe von Sektoren ihren Energieverbrauch und ihre Treibhausgasemissionen reduziert. Der Leichtbau wird den Herstellern die Lösungen bieten, die sie benötigen, um die Herausforderungen des Klimawandels zu bewältigen und gleichzeitig eine bessere Leistung der Bauteile und eine längere Lebensdauer der Produkte zu erreichen.
Dies zeigt sich vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo die Leichtbauweise zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz und einer höheren Leistung sowohl bei Flugzeugen als auch bei Elektrofahrzeugen geführt hat. Aber auch in der Bauindustrie, im Bereich der erneuerbaren Energien und bei der Herstellung von Elektro- und Elektronikgeräten ist der Leichtbau ein Innovationsmotor. Leichtere Bauteile haben in all diesen Bereichen zu geringeren Transport- und Energiekosten sowie zu ressourceneffizienteren Produktionsmethoden geführt.
Die beträchtlichen ökologischen und wirtschaftlichen Vorteile, die sich aus der Verfolgung von Innovationen im Bereich des Leichtbaus ergeben, stellen sicher, dass dieser Bereich auch in den kommenden Jahren für viele Industriezweige ein wichtiger Investitions- und Forschungsbereich sein wird.
Beliebte Materialien für den Leichtbau
Aluminium-Legierungen
Aluminium wird in der Automobilindustrie wegen seiner leichten Eigenschaften häufig verwendet. Analysten der Automobilindustrie haben festgestellt, dass sich durch die Verwendung von Aluminiumteilen das Gewicht eines Fahrzeugs um bis zu 50 % verringern lässt, ohne dass die Sicherheit oder Leistung darunter leidet. Die Formbarkeit, Haltbarkeit und Leichtigkeit von Aluminium machen es auch zu einem beliebten Material für die Herstellung von Konsumgütern, elektronischen Produkten und Flugzeugen.
Ein Bericht von DuckerFrontier mit dem Titel "2020 North American Light Vehicle Aluminum Content and Outlook" prognostiziert, dass der Aluminiumverbrauch auf dem US-amerikanischen Automobilmarkt bis 2026 auf über 233 Kilogramm pro Fahrzeug ansteigen wird. Dies entspricht einem Anstieg von 12 % gegenüber 2020. Der weltweite Aluminiumverbrauch wird bis Ende 2021 voraussichtlich 64,2 Millionen Tonnen erreichen.
Da sich der Trend zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen fortsetzt, werden die Automobilhersteller Aluminium aufgrund seiner niedrigen Kosten, seiner hohen Leistung und seiner außergewöhnlichen gewichtssparenden Eigenschaften weiterhin als bevorzugten Werkstoff ansehen.
Magnesium-Legierungen
Magnesiumlegierungen, die 33 % leichter als Aluminium, 50 % leichter als Titan und 75 % leichter als Stahl sind, erweisen sich als wertvoller Werkstoff für Leichtbauingenieure. Magnesium lässt sich leicht bearbeiten, hat eine gute strukturelle Festigkeit und wird häufig in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie bei der Herstellung von Konsumgütern verwendet.
Aufgrund seiner geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit wird Magnesium als leichtes Bauteil in allen Bereichen eingesetzt, von Flugzeugen über Raketen bis hin zu Laptops und Fernsehgeräten. Neben Komponenten und Strukturelementen werden derzeit auch Batterien auf Magnesiumbasis für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelt.
Eine Analyse der US Automotive Material Partnership ergab, dass mit 113 Kilo Magnesium 226 Kilo Stahl ersetzt werden können. Mit 40 Kilo Magnesium können 68 Kilo Aluminium ersetzt werden. Dies führt zu einer Verringerung des Gesamtgewichts von Fahrzeugen um 15 %.
China plant, die Menge der in der Automobilproduktion verwendeten Magnesiumkomponenten bis 2030 auf bis zu 45 Kilogramm pro Fahrzeug zu erhöhen.
Der weltweite Magnesiummarkt wurde im Jahr 2019 auf 4.115,0 Mio. USD geschätzt und wird bis 2027 voraussichtlich 5.928,1 Mio. USD erreichen. China produziert etwa 85 % des weltweiten Magnesiums. Die jüngsten Schließungen von Hütten führen jedoch zu einer Verknappung des Magnesiums, was Bedenken hinsichtlich des Angebots und der Inflation hervorruft.
Titan-Legierungen
Titan ist äußerst korrosionsbeständig, antimagnetisch, bietet eine gute Abschirmung gegen elektrische und elektromagnetische Felder, ist beständig gegen extreme Temperaturen und hat eine höhere Zugfestigkeit als Stahl bei nur halb so hohem Gewicht.
In den letzten Jahren gab es große Fortschritte bei der Herstellung von Titanlegierungen. Sie werden heute zur Herstellung von Produkten wie Turbinenschaufeln, Flugzeugrahmen, Widerständen, Leiterplatten und chirurgischen Instrumenten verwendet. Die Automobilindustrie stellt leichte Auspuffanlagen, Motoren, Getriebe und Rahmen aus Titan her.
Innovationen in der Leichtbauweise und Fertigungstechnologien
Innovationen im Bereich der Fertigungstechnologien werden immer mehr vorangetrieben, da sich die Industrie bemüht, leichtere Bauteile herzustellen, um ihre Umweltziele zu erreichen.
Das Rheogießen ersetzt inzwischen weitgehend das Thixogießen, da die Unternehmen nach neuen Methoden zur Herstellung kostengünstiger und leistungsstarker Bauteile suchen. Einer der Hauptvorteile des Rheogießens ist die Fähigkeit, Metall in einem breiten Spektrum von Feststoffanteilen zu gießen. Mit Rheocasting lassen sich leichte Bauteile mit hoher Festigkeit und guter Duktilität effektiv und wirtschaftlich herstellen.
Die Fortschritte in der additiven Fertigung (3D-Druck) bieten Ingenieuren eine größere Designfreiheit als je zuvor. Mit Hilfe der additiven Fertigung können Hersteller komplexe Geometrien zu wesentlich geringeren Kosten als mit herkömmlichen Druckgussverfahren herstellen. Die additive Fertigung wird auch eingesetzt, um das Gewicht von Bauteilen zu verringern, indem massive Geometrien in hohle Strukturen umgewandelt oder massive Strukturen durch interne Gitterstrukturen ersetzt werden. In der Tat gibt es inzwischen eine Reihe von Leichtbaukomponenten, die nur mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden können.
Leichtgewichtige Lösungen der Zukunft
Die Zukunft des Leichtbaus wird weiterhin von der Verwendung von Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen dominiert werden, aber auch Verbundwerkstoffe wie kohlenstoff- oder glasfaserverstärkte Polymere werden zum Einsatz kommen. Viele Unternehmen konzentrieren sich derzeit auf die Entwicklung von hybriden Leichtbaukomponenten auf Kunststoffbasis für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie.
Innovationen im Bereich der Computersoftware und der additiven Fertigungstechniken werden die Entwicklung von noch leichteren Produkten, Teilen und Strukturen ermöglichen. Ingenieure können eine maximale Topologieoptimierung für eine Reihe von Bauteilen erreichen, indem sie spezielle Software einsetzen, um die Bereiche zu ermitteln, in denen eine Gewichtsreduzierung am effektivsten ist. Anhand digitalisierter 3D-Modelle kann dann die Leistung der vorgeschlagenen Leichtbauteile getestet werden, um optimale Designoptionen zu ermitteln.
Bionisches Design und Biomimikry könnten die Zukunft des Leichtbaus aufzeigen. Ingenieure und Wissenschaftler stellen Bauteile her, die auf leichten, multifunktionalen Strukturen basieren, die in der Natur vorkommen. Ein Beispiel dafür ist das Flugzeugkonzept Airbus 2050, dessen Rumpf auf Knochenstrukturen basiert. In jüngster Zeit konzentrierten sich die Forschungsbemühungen auf die Exoskelette von einzelligen Planktonorganismen, auf Wabenstrukturen, Grashalmstrukturen sowie auf die Epidermiszellen und Flügel von Schmetterlingen.
Durch die Kombination der ständigen Suche nach technologischer und wissenschaftlicher Innovation mit einem tieferen Verständnis der Natur werden Hersteller und Industrie weiterhin leichtere und stärkere Komponenten entwickeln, die der Menschheit bei unserem gemeinsamen Ziel helfen werden, die CO2-Emissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen.
