Warum sind Leichtbaustrukturen unerlässlich für die Produktentwicklung?

HBK liefert Sensoren, Messelektroniken und Software für die Datenerfassung sowie Analysetools als Produkte oder End-to-End-Lösungen für die Messtechnik-Welt. Diese helfen bei der Beurteilung der strukturellen Integrität von Schall und Schwingung, Effizienz und Leistung sowie vieler weiterer Aspekte von Strukturen, die im Labor, auf dem Prüfstand oder im Fahrzeug getestet werden.

Im Hinblick auf die wichtigsten Trends in Technologie und Industrie, wie Leichtbaukonstruktionen und deren Validierung, spielt HBK eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung des optimalen Ökosystems für die Lebensdauersimulation und Datenerfassung und -analyse bei physischen Tests durch Unterstützung bei der Validierung moderner Strukturen und Konstruktionen auf ihrem Weg zur Massenproduktion.

Um Ihnen Einblicke in und Erfahrungen mit dem herausfordernden Feld der Leichtbaukonstruktionen und deren Validierung zu bieten, haben wir unsere HBK-Experten und Expertinnen zu Leichtbaustrukturen interviewt: HBK-Expertendialog: Leichtbaustrukturen Gianmarco Sironi, Lance Steinmacher, Dr. Andrew Halfpenny, Michelle Hill, Manuel Schultheiß und Sandro Di Natale.

Einführung in den Leichtbau

1. Wie können Leichtbauwerkstoffe und -konstruktionen zu einer nachhaltigen Zukunft beitragen?

Gianmarco Sironi und Lance Steinmacher

Das ist eine schöne Frage für den Anfang. Im Hinblick auf den CO2-Fußabdruck sind Gewichtseinsparungen von entscheidend Bedeutung, um die Auswirkungen auf den Klimawandel zu minimieren. Hier sehen wir Flugzeughersteller, die mithilfe von CAE/CAD verschiedene Verbundwerkstoff-Layups untersuchen, um, wo gewünscht, Festigkeit oder Flexibilität zu beeinflussen. Beispiele hierfür sind die Tragflächen der 787, 777X, bei denen geringeres Gewicht weniger Treibstoffverbrauch bedeutet. Bei Drehflüglern kann man die Verbundwerkstoff-Layups so gestalten, dass sie Steifigkeit in einer Richtung und gewünschte Flexibilität in einer anderen ermöglichen.

Wir müssen aber auch über die Nachteile sprechen. Das Recycling oder die Entsorgung von Verbundstoffen ist viel komplexer oder sogar unmöglich, während herkömmliche Metalle leicht recycelt werden können. Zudem sind bei Verbundwerkstoffen einige der Umformtechniken nicht gerade umweltfreundlich.

 

2. Nennen Sie bitte die drei wichtigsten Branchen für Leichtbaukonstruktionen und die Gründe dafür?

Manuel Schultheiß und Sandro Di Natale

Leichtbaukonstruktionen sind in der Regel in der Luftfahrtindustrie, der Automobilbranche und bei Sportausrüstung zu finden:

  • Luftfahrtindustrie: Die Luftfahrtindustrie hat historisch – aber auch weiterhin – den Anspruch, Leichtbaukonstruktionen zu entwickeln und einzusetzen. Weltweit müssen Fluggesellschaften und Flugzeughersteller Treibstoff aus wirtschaftlichen, aber auch aus ökologischen Gründen einsparen. Da die Treibstoffkosten den größten Anteil am Betrieb eines Flugzeugs haben, werden sich im Laufe der Zeit wahrscheinlich auch geringfügige Gewichtsreduzierungen auszahlen. Die Leichtbaukonstruktion gehört zu den Bereichen, in denen Einsparungen erzielt werden können.
  • Automobilbranche: Die Automobilindustrie wird durch staatliche Begrenzungen der Emissionen von Schadstoffen wie CO2 und NOX – zum Beispiel durch die neue EURO 7-Norm – getrieben. Die Beschränkungen werden immer strenger. Ein wichtiger Aspekt, um sie zu erfüllen, ist die Reduzierung des Gewichts und damit des Energieverbrauchs. Ein weiterer Aspekt ist der steigende Anteil von Elektrofahrzeugen.
  • Sportausrüstung: In Sportausrüstung werden viele Leichtbauwerkstoffe eingesetzt: Skifahren, Mountainbiken, Straßenrennen, Motorräder, aber auch Rennwagen im Motorsport profitieren enorm von Leichtbaustrukturen, die für den Sieg bei Wettbewerben unerlässlich sind. Verbundwerkstoffe haben zu einer deutlichen Erhöhung der Fahrsicherheit beigetragen.

Um dies mit einigen Zahlen zu ergänzen, hier ein kleines Beispiel:

In der Luft- und Raumfahrtindustrie machen sich Leichtbaukonstruktionen auf jeden Fall bezahlt. Die Gewichtsreduzierung um 1 kg spart etwa 0,02 – 0,03 kg Kerosin oder etwa 2 – 3 Cent pro 1000 km. Bei einem Flugzeug wie der 777, das über seine Lebensdauer mehr als 80 Millionen Kilometer fliegt, würde dies über die Lebensdauer etwa 80.000.000 km x 2,5 Cent/1.000 km = 2.000 € pro kg weniger Gewicht bedeuten. Stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das 100 kg leichter ist!

Daher gibt es bei Flugzeugen und Raumfahrzeugen bereits die zweite Generation von Leichtbaukonstruktionen. Mit Kohlenstoff-Nanotubes verstärkte Polymere (CNRP) ersetzen derzeit mit anderen Verbundwerkstoffen hergestellte Bauteile, da sie eine höhere Festigkeit und 30 % weniger Gewicht aufweisen. Bei der neuesten Flugzeuggeneration wird häufig die additive Fertigung eingesetzt, was neue Konstruktionen mit geringerem Gewicht ermöglicht , zum Beispiel für Kabinenhalterungen.

3. Was würden Sie als Leichtbauwerkstoff ansehen und was sind die Vorteile von Leichtbaukonstruktionen?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Die Kategorisierung von Leichtbauwerkstoffen ist ein großes Thema, das man aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten kann:

  • Das Gewicht einzelner Werkstoffe: Normalerweise denken Sie an Materialien wie Aluminium, Titan, Magnesium oder ähnliches sowie Verbundwerkstoffe. Hier hat das Gewicht der Werkstoffe selbst Priorität.
  • Die Gesamtmasse: Einige Werkstoffe werden an sich schwerer sein. Wenn Sie jedoch weniger Material benötigen, wird das Gesamtgewicht trotzdem geringer ausfallen. Ein gutes Beispiel ist das Flugzeugmodell Dreamliner (Boeing 787), das zu 50 % aus Verbundwerkstoffen besteht. Dennoch kommt man nicht um die Verwendung von Stahl herum, weil es gilt, hohen Lasten standzuhalten. Ebenso werden viele Verbundwerkstoffteile mit Aluminium, Titan etc. zusammengefügt. Es geht also nicht darum, den leichtesten Werkstoff auszuwählen, sondern darum, das geeignete Material zu verwenden und es sinnvoll einzusetzen, um das Gesamtgewicht der Struktur zu verringern.

Trotz der Vorteile des Leichtbaus gibt es den Aspekt der Kosteneffizienz. Nicht hinsichtlich des Werkstoffs, sondern hinsichtlich der Kosten für die verbrauchte Energie. Mit einem Kundenstamm, der hauptsächlich aus der Bodenfahrzeug-, Automobil-, Lkw-, Bahn- oder Luft- und Raumfahrtindustrie stammt, werden Sie immer das Problem haben, dass zusätzliche Masse zusätzlichen Kraftaufwand und damit einen höheren Energieverbrauch bedeutet. Leichtbaukonstruktionen können die erforderliche Antriebskraft reduzieren und somit nicht nur Kosten sparen, sondern auch für Umweltfreundlichkeit sorgen.

Neben langfaserigen Verbundwerkstoffen müssen Sie auch Polymere (umgangssprachlich Kunststoff) betrachten. Polymere werden in Automobilbauteilen häufig als Strukturelemente eingesetzt. Auch hier geht es wieder darum, das Material genau dort zu haben, wo Sie es wollen. Hier kommt die additive Fertigung (AM) zum Zuge. AM ermöglicht auch ausgefallenere Geometrien. So spart man viel Zeit und Geld, weil man nicht das ganze überschüssige Material entfernen muss.

 

4. Welche kritischen Parameter müssen bei einer Leichtbaukonstruktion berücksichtigt werden?

Lance Steinmacher

Unternehmen, die solche neuen Werkstoffe entwickeln, schützen in der Regel ihr geistiges Eigentum, um sich einen Wettbewerbsvorteil zu sichern. So sind einige der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen entweder patentiert oder proprietär und durch Geheimhaltungsvereinbarung (NDA) geschützt. Dies gilt für die tatsächlichen Werkstoff-Layups (gehackte Fasern, Fasern, direktional, unidirektional usw.), verwendeten Klebstoffe oder Epoxidharze und den Herstellungsprozess. Infolgedessen sind Informationen zu Verbundwerkstoffen nur begrenzte öffentlich zugänglich.

Neue Ansätze und Technologien

5. Welche Vor- und Nachteile sehen Sie bei Verbundwerkstoffen?

Gianmarco Sironi und Lance Steinmacher

Viele betrachten die Leichtbauweise als Vorteil von Verbundwerkstoffen, aber das ist nicht der einzige: In einigen Anwendungen wurden Verbundwerkstoffe nicht zur Gewichtseinsparung eingeführt, sondern wegen ihrer hervorragenden Leistung hinsichtlich ihres Wechsellastverhaltens.

Ein aus Verbundwerkstoff gefertigtes Hauptrotorblatt eines Hubschraubers ist im Vergleich zu seinem alten Pendant aus einer Aluminiumlegierung nicht besonders „leicht“, bietet jedoch eine deutlich besseres Wechsellastverhalten: seine Dauerfestigkeit in Flugstunden ist um eine Größenordnung höher. Das ist der große Fortschritt, aber es ist nicht der einzige. Metallrotorblätter waren ein Alptraum bei der Wartung und erforderten eine Menge zerstörungsfreier Inspektionen, da sie schnell und ohne vorherige Ankündigung Risse entwickelten, was in der Vergangenheit eine erhebliche Anzahl von Unfällen verursachte. Dank Rotorblättern aus Verbundwerkstoff konnten insbesondere für mittlere und schwere Hubschrauber erhebliche Verbesserungen erzielt werden. Es geht also nicht nur um Gewicht, sondern auch um Flugsicherheit und einfachere und effizientere Wartung.

Andererseits haben Werkstoffe wie Aluminium oder Titanlegierungen immer noch den grundlegenden Vorteil, dass es zu ihrem Wechsellastverhalten genügend Literatur gibt, da sie seit Jahrzehnten untersucht werden. Hoch entwickelte Verbundwerkstoffe sind im Vergleich zu Metallen relativ jung, und Literatur dazu ist noch nicht verfügbar oder, falls vorhanden, etwas begrenzt.

Verbundwerkstoffe sind weder einheitlich noch isotrop, was ihre Charakterisierung zu einer echten Herausforderung macht. Außerdem erhält man mit jedem Austausch einer einzelnen Schicht im Laminat (oder selbst bei Beibehaltung der Schicht, jedoch geänderter Ausrichtung) grundsätzlich einen neuen Werkstoff. Man muss also die Materialermüdung erneut charakterisieren, beginnend mit dem einfachen Baumuster, was viel Zeit und Geld in Anspruch nimmt. Daher sind gute Kenntnisse des Werkstoffs und Möglichkeiten der Simulation gleich zu Beginn der Entwicklung des Laminats sehr zweckdienlich.

 

6. Welche Vor- und Nachteile sehen Sie in der additiven Fertigung?

Sandro Di Natale

Eine allgemeine Antwort auf diese Frage ist schwierig. Unter diesem Begriff sind so viele verschiedene Technologien zusammengefasst. Neben verbraucherorientierten Technologien, die auf Fasern basieren, gibt es die Stereolithographie, Binderjetting und vieles mehr. Aus industrieller Sicht glaube ich, dass das Selektive Lasersintern und -schmelzen (SLS und SLM), das mit Metallpulver arbeitet, zu den vielversprechendsten Technologien gehört.

Die Bauteile, die beispielsweise aus Titanpulver hergestellt werden, verhalten sich ähnlich wie gegossene oder bearbeitete Bauteile. Die Tests erfordern jedoch besondere Aufmerksamkeit, um sicherzustellen, dass die Eigenschaften isotrop sind und der Schichtaufbau nicht beeinflusst wird. Wenn dies gegeben ist, ist das Potenzial für Gewichtseinsparungen und neue Konstruktionen fast unendlich. Leider sind die Pulver immer noch recht teuer und die Produktionsgeschwindigkeit ist langsam. Die neuesten und größten Maschinen können mit Raten von einigen hundert Kubikzentimetern pro Stunde bauen.

 

7. Welche Schlüsselattribute entscheiden, ob die additive Fertigung in der Produktion eingesetzt werden kann?

Sandro Di Natale

Ob die additive Fertigung in der Produktion eingesetzt werden kann, hängt von folgenden Kriterien ab:

  • Komplexität der Produktentwicklung: Neue Konstruktionen, die nicht mit traditionellen Verfahren hergestellt werden können, sind für die additive Fertigung prädestiniert, da es hier grundsätzlich keine Einschränkungen gibt.
  • Werkzeugkosten für herkömmliche Fertigungsmethoden und Stückzahl: Wenn die Anzahl der hergestellten Einheiten hoch ist, zum Beispiel Zehntausende, verlieren die Werkzeugkosten pro Einheit an Bedeutung. Ist die Anzahl geringer, steigen die Werkzeugkosten pro Einheit enorm. Normalerweise liegt der Break-even-Punkt, bis zu dem die additive Fertigung günstiger ist als herkömmliche Verfahren, im Bereich von Hunderten von oder einigen Tausend Einheiten pro Jahr. Aus diesem Grund hat die Luft- und Raumfahrtbranche diese Technologien bereits früh übernommen.

Die Vorteile werden mit Losgröße eins noch deutlicher. In der Medizintechnik sind additiv gefertigte Prothesen und Korrekturstützen etabliert.

 

8. Welche Rolle spielt die Bionik?

Manuel Schultheiß

Die Bionik spielt eine sehr wichtige Rolle, wenn es um Leichtbaustrukturen geht, da wir anhand des Körperbaus von Vögeln gelernt haben, wie man ein Flugzeug baut und es fliegen lässt. 

Wir können noch viel mehr über die Optimierung technischer Entwicklungen am Beispiel der Natur lernen, wenn wir an auf der Außenhaut von Flugzeugen eingesetzte Haihautoberflächen denken, oder an Winglets zur Reduzierung von Turbulenzen an den Enden der Tragflächen von Flugzeugen. Zur Ableitung der optimalen mechanischen Konstruktion mit minimalem Bruchrisiko und geringsten mechanischen Spannungen im Werkstoff kann der gesamte mechanische Aufbau von Pflanzen und Bäumen genutzt werden. Die Natur hat schon immer gelernt und sich optimal an die jeweils vorherrschenden Umgebungsbedingungen angepasst.

Das Spannende an neuen Werkstoffen und Fertigungsverfahren ist, dass sie die Erstellung maßgeschneiderter Konstruktionen vereinfachen. Ein Beispiel ist die additive Fertigung. Dieser Ansatz ermöglicht das Erstellen gleichmäßigerer Rundungen in Konstruktionen mit weniger Spannungskonzentration und optimaler mechanischer Rahmen mit minimalen mechanischen Spannungen und maximalen Standzeiten.

Leichtbau in unserem Alltag

9. Was hat Sie in den letzten Jahren im Bereich Leichtbau, Simulation und Validierung am meisten überrascht?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Zwei Dinge: Der erste Punkt sollte nicht einmal überraschend sein, war es aber doch. Wir setzen viele Werkstoffe ein, die miteinander verbunden werden müssen. In der Vergangenheit haben wir Stahl nur mit Stahl verschweißt, aber nun betrachten wir verschiedene Arten von Verbindungen, wie zum Beispiel selbstdurchstechende Nieten, Schraubverbindungen, Klebstoffe oder hybride Anwendungen, zum Beispiel Klebstoffe mit Nieten. Es gibt viele ausgefallenere Arten der Verbindung und eine höhere Genauigkeit ist erforderlich. In der Vergangenheit wurden Schweißnähte in konservativer Herangehensweise durchgeführt und das störte niemanden. Aber jetzt, da das Gewicht auch in Schweißnähten verringert werden muss, ist dies nicht mehr akzeptabel.

Der zweite Punkt bei der Betrachtung von Qualitäten ist das erforderliche Wissen über Unsicherheiten. Früher wurde in der Entwicklung etwas konstruiert und einfach der so genannte Sicherheitsfaktor angewendet – eine Kombination aus echter Sicherheit und dem „Unsicherheitskoeffizienten“. Das wird nun nicht mehr akzeptiert, es besteht die Notwendigkeit einer Quantifizierung. Ganz vorne dabei sind hier sicherheitskritische Bereiche wie die Atomindustrie, die Luft- und Raumfahrt usw. Ein besseres Verständnis der Herkunft der Sicherheitsmarge ist erforderlich, sowie der Frage, ob sie wirklich so groß ist, wie wir denken. Es geht also nicht mehr darum, eine Zahl vorherzusagen, sondern darum, eine Reihe von Werten zu liefern, damit Menschen mit Sicherheit sagen können, dass sie ein Versagen in jedem tausendsten Fall akzeptieren, und dass es im Versagensfall nicht zu einer Katastrophe kommen kann.

Für die Datenerfassung (DAQ) bedeutet dies, dass Genauigkeit, Präzision der Daten oder die diesbezüglichen Anforderungen steigen. Ein konkretes Beispiel ist unsere aktuelle Arbeit zur probabilistischen Materialermüdung. Die Berechnung der Wahrscheinlichkeit einer Bauteillebensdauer ist nicht neu. Vor zehn Jahren haben wir mit Kunden über diese neue Technologie gesprochen. Zu dieser Zeit sagten die meisten von ihnen jedoch, dass sie nicht einmal wüssten, welche Lasten zu erwarten wären, geschweige denn, wie stark ihre Schwankungen wären. Jetzt sprechen uns dieselben Kunden an und sagen, dass sie dank des Internets der Dinge eine ziemlich gute Vorstellung davon haben, wie groß diese Lasten sind, und sogar ihre Standardabweichung kennen. Mit all diesen zuvor niemals, nun jedoch sehr wohl verfügbaren Daten, haben die letzten zehn Jahre große Veränderungen mit sich gebracht. Das ist der eigentliche Antrieb für die geforderte Genauigkeit. Wir haben nun das Potenzial, den Input der benötigten Daten und die Erfordernis im Leichtbau, dies zu nutzen. Am Anfang mag die Ungenauigkeit der Messung klein sein, sie wächst jedoch exponentiell bis zur Materialermüdung. Das muss nachverfolgt werden.

 

10. Wir sehen eine Menge Entwicklungen und neue Akteure auf dem Markt, die batterieelektrische Fahrzeuge mit schweren Li-Ionen-Batterien herstellen. Können Leichtbaukonstruktionen hier eine Rolle spielen?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Für die Batterie wird aus nicht-chemischer Sicht in allen Fällen ein Fahrgestell oder ein Trägersystem benötigt. Interessant ist dabei, dass wir diese Batterien zum Beispiel als Strukturelemente in Elektroautos einsetzen. Sie sind also Teil der Fahrzeugkonstruktion und das Fahrgestell muss auf die Struktur wirkende Lasten übertragen können. Darüber hinaus federt die massive Batterie selbst nach oben und unten und erzeugt dadurch eine dynamische Last. So sieht sich die Entwicklung vor das komplexe Szenario des Zusammenwirkens von schwerem, schwingendem Gewicht und der Übertragung von Strukturbelastungen gestellt.

Darüber hinaus müssen die Menschen im Innenraum vor Hochspannung geschützt werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung von Metall problematisch sein kann. Neben der Gewichtsreduzierung gewinnen an dieser Stelle nicht-metallische Verbindungen, wie Klebstoffe, an Bedeutung.

Insgesamt sind Tests in diesem Bereich ziemlich schwierig. Wir erhalten gerade eine Menge Fragen, die wir noch nicht beantworten können, aber wir freuen uns sehr darauf, in das Thema einzusteigen.

11. Wie lässt sich in Unternehmen ein „Leichtbau-Mindset“ etablieren?

Gianmarco Sironi und Lance Steinmacher

Es ist so ähnlich wie mit einem „Effizienz-Mindset“. Beim Leichtbau geht es darum, nur so viel Werkstoff zu verwenden wie nötig, um die erforderliche statische Festigkeit und/oder Dauerfestigkeit zu erreichen. In einigen Branchen wie der Luftfahrt wird dieser Denkansatz jedoch oft durch Sicherheits- und Redundanzanforderungen zunichte gemacht. Unserer Meinung nach ist ein „Leichtbau-Mindset“ wichtig, darf jedoch niemals die Oberhand über Sicherheitsüberlegungen gewinnen. Strukturtests sind nach wie vor die effektivste Methode, um sicherzustellen, dass beide Voraussetzungen erfüllt sind.

 

12. Wie können einige Hindernisse beseitigt werden?

Manuel Schultheiß

Kosten und Zeit spielen eine große Rolle. Für Serienbauteile gibt es einige Herausforderungen. Wenn die Fertigungszeit für einzelne Artikel, wie Teile für Motorsportteams oder eine Yacht, nicht so relevant ist, stellt dies kein Problem dar. Es muss jedoch Prozesse geben, die eine schnelle und prozesssichere Produktion dieser Teile ermöglichen. Gerade wenn es um die additive Fertigung und Faserverbundwerkstoffe (zum Beispiel kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRP)) geht, ist dies ein Punkt, der prozesstechnisch nicht zu lösen ist. In diesem Bereich gibt es viele Innovationen.

Ein weiterer Punkt ist das Recycling dieser Werkstoffe. Es gibt den Anspruch, Produkte zu schaffen, die dem Gedanken an eine nachhaltige Zukunft folgen. Wenn Werkstoffe aufgrund ihrer Struktur nicht wiederverwendet werden können, ist dies kritisch. Die Verfolgung naturverträglicherer Ansätze für Fasern und Epoxidharze könnte das Problem lösen.

 

13. Die weltweite Pandemie hat Auswirkungen auf viele Branchen gezeigt und digitale Prozesse beschleunigt. Hat dies einen Einfluss auf Innovation bei Leichtbaustrukturen gezeigt?

Manuel Schultheiß

Wir sollten den Einfluss der Pandemie nicht überbetonen. Ich denke, dass es durch die Pandemie selbst keinen nennenswerten Schub für Leichtbauwerkstoffe oder die Leichtbauweise gibt. Prozesse werden ständig beschleunigt und digitalisiert. Einige Unternehmen mögen die Zeit genutzt haben, um sich selbst „neu zu erfinden“ und hier etwas Neues auszuprobieren.

Simulation und Tests neuer Werkstoffe und Konstruktionen

14. Welche Rolle spielen physikalische Tests unter Berücksichtigung höherer Rechenleistung und verbesserter Simulationstools?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Wenn es um physische Tests geht, denken die meisten Menschen an Tests der Gesamtkonstruktion, wie z. B. eines Hubschraubers, der in Schwingungen versetzt wird oder ähnliches. Wenn Sie sich jedoch das Dreieck (Abbildung 1) ansehen, das den Umfang der Tests darstellt, ist leicht zu erkennen, dass die Tests der Gesamtkonstruktion nur einen kleinen Teil davon ausmacht. Wir unterteilen das Testing in Qualifikationstests, einschließlich der Tests der Gesamtkonstruktion und Parametertests. Wir nutzen unsere Hard- und Software vorwiegend für Parametertests, genauer gesagt, hauptsächlich für Coupon-Tests (Untersuchung von Werkstoffprobenstreifen), die derzeit immer häufiger durchgeführt wird.

Das Hauptziel der Coupon-Tests ist die Ermittlung physikalischer Parameter zu Ableitung physischer Modelle, die dann für Simulationen verwendet werden können. Vor der Entwicklung hin zu mehr Leichtbau war es gängige Praxis, Werkstoffeigenschaften aus Google zu entnehmen – mit einem massiven Unsicherheitskoeffizienten. Heute kann sich das niemand mehr leisten. Es ist deutlich kostengünstiger, 15 - 30k € für Tests auszugeben, als am Ende eine Million überdimensionierte Autos zu erhalten.

Auf der nächsten Ebene des Dreiecks sehen Sie die Elementtests. Selbst auf der Ebene einfacher Leichtbaukomponenten handelt es sich in der Regel um Strukturen, die in irgendeiner Weise gegossen oder gefertigt werden. Wir testen sie bis zum Versagen, bestimmen also Last über Lebensdauer. Diese Werte müssen nun in mechanische Spannung über Lebensdauer konvertiert werden. Dazu gehört die Rückrechnung von Werkstoffeigenschaften durch das Simulationsmodell. Wir erstellen daher ein Finite-Elemente-Modell des getesteten Elements und führen zur Ermittlung der erforderlichen Parameter eine komplexe Optimierung durch. Hier ist es wichtig, bei der Finite-Elemente-Modellierung die gleichen Leitlinien zu verwenden, die unsere Kunden in ihrem Modell der Gesamtkonstruktion zugrunde legen. Nur dann können wir ihnen die gewünschten Ergebnisse liefern.

Die Ebene darüber zeigt die Bauteiltests. Hier wollen wir einige der ganzheitlicheren Parameter berechnen. Beispielsweise ist bei Schwingungen die Dämpfung von entscheidender Bedeutung, weil nur dadurch Energie absorbiert wird. Das müssen wir wissen, und auf der Ebene der Bauteiltests versuchen wir, Parameter für die Simulation zu erhalten.

Qualifikationstests finden in der Regel am Ende eines Entwicklungszyklus statt und ermöglicht uns die Durchführung vieler Messungen zur Überprüfung der Richtigkeit unserer Annahmen. Wenn die Struktur versagt, müssen wir simulieren, warum dies passiert ist, um mithilfe von Simulationen den Versagensgrund beheben zu können, bevor wir in die nächste Runde gehen. Und da die Qualifikationstests am Ende stehen, bedeutet dies, dass jede Änderung für Kunden immens teuer ist. Daher müssen mehr Parametertests durchgeführt werden, um unsere Modelle robuster und genauer zu machen.

In der Abbildung finden Sie eine dritte Kategorie von Tests, die Zuverlässigkeitstests. Während die Parametertests das physikalische Modell über dem Versagen abbilden, sind die Zuverlässigkeitstests eine Abbildung des statistischen Modells über dem Versagen. Bei HBK besteht das Ziel des Testing darin, Informationen darüber zu erhalten, wie viele der Produkte versagen werden, wenn der Kunde beispielsweise eine 10-jährige Garantie gewährt und wie viel das kostet.

 

15. Was sind die Unterschiede bei der Zertifizierung von Leichtbauwerkstoffen und herkömmlichen Metallen?

Manuel Schultheiß

Es gibt verschiedene Zertifizierungsebenen. Schauen wir uns die Werkstoffebene an:

  • Für Materialtests wie CFRP gibt es Normen wie ASTM D 3039/DIN 65378 (tensile), ASTM D 695 (plane compression), ASTM D 3518 (in-plane shear), ASTM D 707 (V-notched rail shear). Diese Normen wurden im Laufe der Jahre erarbeitet und weiterentwickelt. 
  • Für neuere Technologien, wie die Zertifizierung von Werkstoffen für die additive Fertigung, müssen erst noch Normen erstellt werden. Es gibt nicht viele Werkstoffdatenbanken, die für diese Materialien verwendet werden können, was es schwieriger macht, sie heute in Produkten zu einzusetzen.
  • Herkömmliche Standardwerkstoffe können auf Basis langjähriger Erfahrung zertifiziert und viele Normen, zum Beispiel für Coupon-Tests, für verschiedene Lastfälle und Testszenarien herangezogen werden. Unter Bezugnahme auf diese Normen als gemeinsame Sprache ist es für Konstruktionsteams viel einfacher, diese Werkstoffe zu verwenden, als mit neuen Materialien zu entwickeln.

Betrachtet man die Zertifizierung von Strukturen oder ganzen Produkten wie Flugzeugen, gestaltet sich dies noch komplexer. Hier kommen mehr Aspekte ins Spiel als das einfache „Testen von Probenstreifen“ und Definieren von Werkstoffeigenschaften. Diese Zertifizierungen umfassen Entwicklungs-, Fertigungs- und Wartungsaspekte sowie das Gesamtbild.

 

16. Vor welchen Herausforderungen stehen Sie beim Testen neuer Leichtbaustrukturen?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Die Verringerung des Unsicherheitskoeffizienten ist eine große Herausforderung. Ein weiterer Punkt ist jedoch, dass wir nun Bauteile und nicht lediglich Werkstoffe testen. Auch bei Verbindungsstellen haben Sie das Problem, dass Sie für die Vernetzung in Finite Elemente die gleichen Regeln wie die Kunden verwenden müssen, da wir Eigenschaften in Bezug auf ein spezifiziertes Netz angeben. Dies erfordert eine Rückrechnung zur Ermittlung der Eigenschaften.

Auch die große Unterschiedlichkeit von Schweißnähten ist eine Herausforderung. Wenn Autofirma A eine Schweißnaht testen möchte, können Sie sicher sein, dass die Schweißnaht, die Sie für Autofirma B testsn müssen, anders ist. Deshalb müssen für jeden Kunden Mustergeometrien getestet werden. Die Unterschiede liegen aber nicht nur zwischen verschiedenen Kunden, sondern der Kunde muss auch Bauteile produzieren, die später für die Massenproduktion geeignet sind. Die Frage ist hier, ob das für eine vollautomatisierte Massenproduktion funktionieren kann.

Wenn es um Verbundwerkstoffe geht, wird es noch komplexer. Wie definieren wir „Versagen“? Bei Verbindungsstellen ist es einfach, sie brechen entzwei. Verbundwerkstoffe fallen jedoch nicht auseinander, sondern ihre Steifigkeit oder Festigkeit kann abnehmen. Auch auf makroskopischer Ebene sind Verbundwerkstoffe nicht mit Legierungen vergleichbar. Verbundwerkstoffe können auf makroskopischer Ebene aufgrund vieler verschiedener Mechanismen versagen. Sich lösende Fasern, Risse in der Matrix oder Risse in Fasern könnten Schritte auf dem schnell fortschreitenden Weg hin zum Versagen sein. Wenn wir entscheiden, was Versagen ist, müssen wir über mechanische Spannung sprechen. Ist es die Spannung in jedem Volumen, zwischen der Faser und der Matrix, oder nur die Spannung in der Faser? All dies sind noch offene Fragen, und wir müssen uns mehr Mühe geben, sie zu beantworten.

Eine weitere Herausforderung sind die Normen für Verbundwerkstoffe. ASTM- und ISO-Normen stammen häufig von Airbus oder Boeing und sind für die Luft- und Raumfahrt spezifiziert. Aber während die Luft- und Raumfahrt auf hohe Qualität setzt, wird dies zum Beispiel für die Automobilindustrie sehr schwierig, da hier vor allem schnell produzierte und günstige Verbundwerkstoffe wie Textilglasmatten gewünscht sind. Die Modellierung ist in diesem Fall jedoch ein Alptraum: Man kennt die Faserrichtung nicht, was für die Modellierung unerlässlich ist, muss aber dennoch den hohen Standards genügen. Und dann ist da noch die Tatsache, dass es immer noch lediglich Normen für Tests, jedoch nicht für die Interpretation der Daten gibt. Auch hier ist es wichtig, gemeinsam mit Forschungslabors nach Antworten zu suchen.

 

17. Können Sie uns einige Beispiele nennen, wie Sie Werkstoffe qualifizieren und Leichtbaustrukturen testen?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Traditionell bietet HBK Lösungen für Materialtests sowie für das in die Simulation eingehende Flugprofil (Lasten). Die Betriebsfestigkeitsanalyse benötigt drei Eingaben: die Lasten, die Werkstoffe und die Geometrie. Wir können die Geometrie simulieren und wenn sie nicht funktioniert, ändern wir einfach das CAD/FEA-Modell, bis wir ein gutes Ergebnis für die Lebensdauer erhalten. Dann erstellen wir einen Prototyp, testen ihn und korrelieren ihn mit unserer Analyse. Wenn wir richtig gelegen haben, brauchen wir am Ende nur einen Prototyp.

Bei Verbundwerkstoffen stellt sich dies jedoch anders dar, da sie einen viel komplizierteren Simulationspfad haben. Hier ändern sich die Werkstoffeigenschaften aufgrund der Struktur. So etwas wie Verbundwerkstoffe gibt es nicht, sondern lediglich Verbundstoffkomponenten mit sich ändernden Eigenschaften, wo immer Sie hinschauen. Bei einem Verbundstoff gestalten sich die Aufgaben und Ergebnisse viel iterativer. Im Moment verwenden wir wieder die „gute alte Methode“. Wir benötigen viel mehr Prototypen, weil man der Simulation nicht mehr vertrauen kann, da diese Vorgehensweise für Verbundwerkstoffe noch sehr neu ist, im Gegensatz zu Metallen, wo die Simulation ziemlich gut funktioniert.

Selbst 70 Jahre später ähnelt die für die DeHavilland Comet verwendete Entwicklungsmethodik der für das Modell Dreamliner eingesetzten Methode des ‚Design-it – Test-it – Fix-it‘. Es sind weit mehr Prototypen unterschiedlicher Maßstäbe erforderlich, weil die Simulation noch immer nicht angemessen mit Verbundwerkstoffen umgehen kann

18. Gibt es Ihrer Meinung nach immer noch einen Mangel an empirischen Daten im Vergleich zu herkömmlichem Metall?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Zuerst dachten wir, dass es auch für herkömmliches Metall an Daten mangelt. Die Frage hinsichtlich der gegebenen Daten ist: sind sie zuverlässig? Einige der Daten, die Sie aus Normen erhalten, stammen aus den 1960er Jahren oder wurden möglicherweise für unterschiedliche Bereiche gesammelt. Es muss genau betrachtet werden, woher die Daten kommen. Bei Verbundwerkstoffen haben Sie das zusätzliche Problem, dass Sie selbst bei Parametern nicht sicher sein können, ob sie im gesamten Werkstoff gleich sind.

Unsere Kunden sind überwiegend in der Qualifizierung von Bauteilen und Gesamtkonstruktionen tätig. Wir testen Probenstreifen und ziehen daraus die Informationen für Verbundwerkstoffe. Wenn wir jedoch mit Schweißnähten arbeiten, testen wir die Schweißnähte und berechnen anhand der Simulation die Eigenschaften des Probenstreifens. Wenn es sich um einen Verbundwerkstoff handelt, ist es ein Bauteil, das wir testen. Es mag wie ein Probenstreifen aussehen, ist jedoch ein Bauteil.

Hier ist zu erwähnen, dass die additive Fertigung mit Titan und Aluminium wie ein Verbundwerkstoff behandelt wird. Denn wenn Sie zwei Kunden haben, die beide die gleichen Maschinen für die additive Fertigung verwenden, erhalten Sie aufgrund der unterschiedlichen Einstellungen der Maschinen nicht die gleichen Werkstoffeigenschaften. Hier besteht ein enormer Bedarf an weiteren Tests, denn durch AM kommt es auch zu neuen Arten von Defekten wie Porosität oder mangelnde Bindung.

 

19. Welche Mess- und Testgeräte setzen Sie für Leichtbaustrukturen ein?

Michelle Hill und Dr. Andrew Halfpenny

Wir setzen verschiedene Geräte von HBK ein, zum Beispiel Wägezellen, Dehnungsmessstreifen sowie QuantumX zur Datenerfassung, aber auch Prüfmaschinen von Instron und MTS.

Bei den Dehnungsmessstreifen hatten wir das Problem, dass einer der neuen Werkstoffe so gut war, dass er die Dehnungsmessstreifen übertraf. Für HBK bedeutet dies, dass wir unsere Geräte ständig weiterentwickeln müssen, um mit dem Werkstoff Schritt zu halten. Apropos Innovation, wir hatten die Möglichkeit, mit einem Laser-Extensometer zu testen. Er misst kontaktlos im Bereich von Mikrometern und behebt das Problem, dass bei einem Versagen „explosive“ Verbundwerkstoffe die Ausrüstung beschädigen könnten.


Die Experten und Expertinnen von HBK

  • Gianmarco Sironi: Project Leader, Measurement for structural durability testing solutions
  • Lance Steinmacher: Project Leader, Measurement for structural durability testing solutions
  • Dr. Andrew Halfpenny: Director of Technology – nCode-Produkte
  • Michelle Hill: Head of Material Testing
  • Manuel Schultheiß: Product Manager, Test & Measurement Software
  • Sandro Di Natale: Product & Application Manager, Structural Durability Measurement & Testing Solutions

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