Date post: | 31-Jul-2019 |
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Werkstoffe des Leichtbaus I
Moderne Leichtbauwerkstoffe für den Flugzeug- undModerne Leichtbauwerkstoffe für den Flugzeug und Automobilbau, den Schienenverkehr sowie den allg.
Maschinenbau
Sommersemester
1IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung1
Warum Leichtbau ?• Geringerer Energieverbrauch• Geringere CO2-Emission• Höhere Fahrzeugleistung• Höhere Nutzlast• Größere Reichweite• Geringerer Transport-
aufwand• Höherer Gebrauchsnutzen• Geringerer Rohstoffeinsatzg• Höhere Werkstoff-ausnutzung• …• ...
2IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung2
a. ½
tca
[Ste07]
3IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung3
„Lebenswelt Automobil“„Lebenswelt Automobil
• Soziologische AspekteM bilität b dü f i E i hb k it A b it l t Mobilitätsbedürfnis, Erreichbarkeit Arbeitsplatz
Sicherheits- und Komfortbedürfnis Wertverständnis, Individualität, Prestige, , g
• Ökonomische AspekteQ lität V lä li hk it R t f dli hk it Qualität, Verlässlichkeit, Reparaturfreundlichkeit
Kosten für Unterhalt, Steuern, Versicherungen
• Ökologische Aspekte Verbrauch (l/100km)
E i i t (k CO /k ) Emissionswerte (kgCO2/km) Lebensdauer Recyclingy g
4IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung4
V b hVerbrauch
[Ste07]
5IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung5
Aufteilung des Energieverbrauchs
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung6
Stellhebel zur Verbrauchs- und Emissionsreduktion
• Motor und Antrieb• Motor und AntriebDirekteinspritzung, Präzisionseinspritzung, Piezo Injection, Turbolader, Getriebewirkungsgrad, Downsizing
E i t
• EnergieträgerBenzin, Diesel, Erdgas, Biogas, Wasserstoff, elektr. Strom
• EnergiemanagementStart-Stopp-Funktion, Bremskraftenergierückgewinnung, elektrisches Fahren
• WärmemanagementWärmemanagementWärmerückgewinnung, Isolation, Reibungsreduktion, Gezielte Kühlung und Aufheizung der Aggregate
• LuftwiderstandFahrwiderstand bei Um- und Durchströmung, Proportionen, Rad-Radhaus-Konfiguration, aktive Aerodynamikg y
• RollwiderstandReifen, Radlager, Bremssystem
• BeschleunigungswiderstandStoff-, Form-, Funktions-, Konzept-, Fertigungsleichtbau
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung7
Luftwiderstand• Überwindung der Luftwiderstandskraft
2L w
1F c A v2
g 2
Rollwiderstand• Überwindung der Rollwiderstandskraft R rF m g f
Beschleunigungswiderstand• Überwindung der Beschleunigungswiderstandskraft
BF m a
g
Überwindung der Beschleunigungswiderstandskraft• Dabei ist Gewicht ist nicht gleich Gewicht, denn Massenträgheit beeinflusst die
Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs
Dyn. Trägheitskraft
Stat. Gewichtskraft
y g
Stat. GewichtskraftRadaufstands-kraft (hinten)
Radaufstands-kraft (vorne) (Quelle: BMW)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung8
Gewichtsabhängige Verbrauchsreduzierung
9(Quelle: VW Konzernforschung)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Einführung9
LeichtbauprinzipienWerkstoffleichtbau (auch Stoffleichtbau) Substitution des Werkstoffs eines Bauteils durch einen anderen Werkstoff mit besseren spezifischen Ei h ft ( B St hl d h Al i i CFK d H b id k t ff )
p p
Eigenschaften (z.B. Stahl durch Aluminium-, CFK- oder Hybridwerkstoffe)
Konstruktiver Leichtbau (auch Formleichtbau)Erreichen des Leichtbauzieles durch konstruktive Maßnahmen (z B durch Fachwerk- Rahmen- undErreichen des Leichtbauzieles durch konstruktive Maßnahmen (z.B. durch Fachwerk Rahmen und Schalenbauweise sowie durch gleichmäßige Ausnutzung des Materialvolumens durch dünnwandige oder hohle Strukturen).
F kti l i htb ( h d ti L i htb )Funktionsleichtbau (auch adaptiver Leichtbau)Integriert zusätzliche Funktionen in eine Bauteilstruktur auf Basis bestimmter physikalisch-technologischer Eigenschaften (z.B. durch Funktionsintegration kann eine einzelne Komponente zwar schwerer werden. Die Einsparung durch die Funktionsintegration wird die Gesamtstruktur jedoch leichterDie Einsparung durch die Funktionsintegration wird die Gesamtstruktur jedoch leichter.
Konzeptleichtbau (auch Systemleichtbau)Betrifft nicht das einzelne Bauteil sondern ein System aus Bauteilen, Strukturen und Baugruppen (gewichtsoptimierte, modulere Auslegung von Karosserie-, Fahrwerks-, und Antriebssystemen)
FertigungsleichtbauBetrifft nicht allein den Werkstoff oder die Konstruktion sondern ergibt sich aus Vorteilen verschiedener
10
Betrifft nicht allein den Werkstoff oder die Konstruktion, sondern ergibt sich aus Vorteilen verschiedener Fertigungs- und Fügeverfahren (z.B. Laserstrahlschweißen, Tailored Blanks/ Tubes, Walzprofile, Hydroforming, Druckguss etc.)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
10Leichtbauprinzipien
11
(Quelle: Daimler AG)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
11Leichtbauprinzipien
Werkstoffleichtbau
Ein 1 m langer Stab mit 30 mm Ø
wiegtDichte
• Stahl: 7,85 g/cm3 5,5 kg
wiegt
g g
• Titan: 4,5 g/cm3 3,2 kg
• Aluminium: 2,70 g/cm3 1,9 kg
• Magnesium: 1,74 g/cm3 1,2 kg
12IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
12Werkstoffleichtbau
Gewichtsbezogene Festigkeit (sog. Ashby-Diagramm)
Keramik
Faserverbund-stoffe Stähle
Titan
eit [
MPa
]
Titan
MagnesiumAluminium
Fest
igke
TechnischeKunststoffe
Kunststoff-hä
Elastomereschäume
(Quelle: Ashby)
13
Dichte [g / cm3]
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
13Werkstoffleichtbau
Ultra Light Steel Automotive Body
Schalenbauweise mit
25% reduziertes Gewicht 80 % höhere Torsionssteifigkeit
als Durchschnittswerte ausgewählter Vergleichskarosserien
Ermöglicht durch den Einsatz von innovativen Stahlprodukten modernen Fertigungstechnologieng g g
Aluminium Space Frame Konzept
(Quelle: ULSAB-AVC / AUDI AG)
14IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
14Werkstoffleichtbau
Stahl
Materialmix in der Karosserie eines PKW
Stahl
AluminiumAluminium Kunststoffe 11% Gewichtsvorteil
15
(Quelle: BMW)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
15Werkstoffleichtbau
Materialmix in der Karosserie eines PKW
Al 9%
St hl 65%
Kunststoffe 18%
Stahl <65% andere Werkstoffe (u.a. Mg) 8%
(Quelle: Daimler AG)
( g)nach Rauh
16IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
16Werkstoffleichtbau
Evolution der Leichtbaukonzepte im Automobilbau
17(Quelle: VW Konzernforschung)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
17Werkstoffleichtbau
Multimaterial-Design als Treiber bezahlbarer Leichtbaukonzepte
18(Quelle: VW Konzernforschung)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
18Werkstoffleichtbau
Crash-Absorption mit geschäumten Strukturen
Sä l BSteifigkeit Torsion
Säule BDachrahmenSäule ASteifigkeit Biegung
Schaumeinsatz
Übergang LT hinten
LT - vorne
Schaumeinsatz
hinten
Schweller
Stoßabsorber
(Quelle: Audi AG)
19
Stoßabsorber
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
19Werkstoffleichtbau
Aluminiumschaum
Mit Al Schaum gefülltes Crash
(Quelle: Audi AG)
20
Deformiertes Crashelement - leer
Mit Al-Schaum gefülltes Crash-Element vor / nach dem Crash
Offen- und geschlossenporigerAluminium-Schaum
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
Quelle: Audi AG
20Werkstoffleichtbau
Polypropylen-PartikelschaumRohmaterialEigenschaften:Eigenschaften:
• hohes Energieabsorptions-vermögenh h Rü k t ll ö
Fahrzeugbau• hohes Rückstellvermögen • gute mechanische Eigenschaften• geringes Gewicht• hohes Isolationsvermögen• gute Temperaturbeständigkeit• geringe Wasseraufnahme
Mehrwegeverpackungen
• geringe Wasseraufnahme• recyclingfähig
g p g
Platten als Konstruktionswerkstoff
GerätechassisFormteile
21
(Quelle: NMB)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
21Werkstoffleichtbau
Raster-Elektronenmikroskop
Polypropylen-Partikelschaum
Raster-Elektronenmikroskop
PP-PartikelschaumQuerschnitt durch einen Grashalm
22IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
22Werkstoffleichtbau
Einsatz von pyrogener Kieselsäure in einer Sandwichstruktur
23
(Quelle: Daimler AG)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
23Funktionsleichtbau
Aktive Schwingungsdämpfung durch sensorgesteuerte keramische Fasermatten
PKW-Dachblech mit integrierten aktiven Dämpfern
(Quelle: VW/LP Adaptronik)
24IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
24Funktionsleichtbau
Anwendungsbereich LuftfahrtAirbus A 380
(Quelle: Airbus)
25IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
25
Anwendungsbereich Luftfahrt
Länge: 73 mLänge: 73 mSpannweite: 80 mGesamtgewicht (take off): 560 t
Airbus A 380
Gesamtgewicht (take off): 560 t
Passagierzahl: 555g
Treibstoff (max.): 310.000 l( )
Gesamtge icht 480 VW GolfGesamtgewicht: 480 VW Golf
26(Quelle: Airbus, VW)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
26
Anwendungsbereich Luftfahrt
Airbus A 380 - Innenansicht
27
(Quelle: Airbus)
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Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
27
Anwendungsbereich Luftfahrt
Vergleich Rumpfdimensionen der Airbus-Familie
A380
A319
7 m
8.47
ø 5.64 m ø 3.95 m6.95 mA380 A300, A310, A330, A340 A319, A320, A321
28
(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
28
Anwendungsbereich Luftfahrt
Leichtbauweisen in der Luftfahrt (Airbus A 380)
29
(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
29
Anwendungsbereich Luftfahrt
Werkstoffinnovationen (Airbus A 380)CFK Druck-Kalotte
GLARE® im oberenNeue Kabinen-
CFK Seitenleitwerk
GLARE® im oberen Rumpf
Werksttoffe
CFK FußbodenträgerIm Oberdeck
CFK Äußere CFK Sektion 19.1
KBE DFesign
CFK Höh l it k
CFK Äußere Landeklappen
CFK Höhenleitwerk
CFK J-Nase
CFK S kti 19CFK Sektion 19
CFK LBW, Rumpf-Unterseite
Mehr & Neue Ti Werkstoffe
Hochgeschwindigkeits-Fräsen
30
CFK Flügelmittelkasten
Flügelrippen Neue Al-Legierungen
Ti-Werkstoffe
Elektronenstrahlschweißen (Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
30
Anwendungsbereich Luftfahrt
Werkstoffinnovationen aus CFK (Airbus A 380)
31
(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
31
Anwendungsbereich Luftfahrt
60
Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt
50A350 XWB7%
40
e in
% Boeing 78752%34%
30
erks
toffe 7%
20
sant
eil
rbun
dwe
A380Ref: Airbus Operations GmbH
10
Gew
ciht
sas
erve
r
A320
A340 300 A340-600
A380Boeing 777
01970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Quelle: Airbus
G F
A300 A310/200A340-300 A340 600
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
32
Jahr(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
32
Anwendungsbereich Luftfahrt
Montage metallischer Rumpfstrukturen (Airbus A 380)in Halbschalenbauweise (Semi-Monocoque)
33
(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
33
Anwendungsbereich Luftfahrt
Montage metallischer Hautfeldfelder
Hautfeld (Panel)
Stringer( )
Schubkamm (Clip)
Spant
34
(Quelle: Airbus)
IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
34
Anwendungsbereich Luftfahrt
StringerNieten: HautfeldFügetechniken metallischer Hautfeld-Stringer-Verbindungen
Nachteile des NietensH h G i ht• Hohes Gewicht
• Hohe Korrosionsanfälligkeit• Zeitintensiver FügeprozessZeitintensiver Fügeprozess
Laserstrahlschweißen: Schweißnaht
35IWT BremenWerkstofftechnik
Werkstoffe des Leichtbaus I (SoSe)
35
Anwendungsbereich Luftfahrt