LeiKom-Handbuch Produkt Instrumente zur Entwick- lung - IfG

Nachhaltige und innovative Produktion
von Leichtbau-Komponenten
LeiKom-Handbuch Produkt
Instrumente zur Entwick-
lung nachhaltiger
Leichtbau-Komponenten
Partner im Projekt LeiKom:
Eisenwerk Brühl GmbH, Brühl
H-Faktor GmbH, Dortmund
IG Metall Vorstand–Zweigbüro Düsseldorf
IfG Institut für Gießereitechnik gGmbH, vorher Verein Deutscher Giessereifachleute e.V., Düsseldorf
NEMAK Wernigerode GmbH, ehemals Rautenbach Aluminium Technologie GmbH
RKW Rationalisierungs- und Innovationszentrum der Deutschen Wirtschaft e.V., Kompetenzzentrum,
Eschborn
Februar 2010

Dieses Verbundvorhaben wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung
und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Forschung für
nachhaltiges Wirtschaften“ gefördert.
Die Projektpartner und alle Beteiligten danken dem BMBF und dem Projektträger
im DLR „Umweltforschung und -technik“ für die große Unterstützung.
2

Inhaltsverzeichnis
1 Nachhaltiges Wirtschaften in Gießereien und anderen Zulieferbetrieben 13
1.1 Nachhaltiges Wirtschaften und das Projekt Leikom 13
1.2 Zweck des Leikom-Bandes „Produktion“ 16
1.3 Bedeutung von leichtbaugerechten Gussteilkonzepten für die Absatzentwicklung in
der deutschen Gießereiindustrie 18
1.4 Zukünftige Entwicklungstrends in den Hauptabnehmerbranchen deutscher
Gießereien 20
1.4.1 Automobilindustrie 20
1.4.2 Maschinen- und Anlagenbau 33
1.4.3 Luft- und Raumfahrt 40
1.5 Mögliche zukünftige Abnehmerbranchen 45
2. Leichtbau-Kenngrößen 49
2.1 Was ist „Leichtbau?“ 49
2.2 Eigengewicht 50
2.3 Nutzlast 51
2.4 Tragfähigkeit 51
2.5 Leistungsgewicht 52
2.6 Spezifische Elastizität 53
2.7 Festigkeits-Dichte-Verhältnis 53
2.8 Leichtbaukennzahlen 55
3. Lösungskonzepte für Leichtbau-Probleme 57
3.1 Werkstoffleichtbau 57
3.2 Konstruktiver Leichtbau (Strukturleichtbau) 58
3.3 Funktionsintegrativer Leichtbau (Systemleichtbau) 59
3

3.4 Leichtbau durch Absenkung von Sicherheitsfaktoren 62
3.5 Leichtbauweisen 63
4. Informationsbeschaffung 66
4.1 Printmedien 66
4.1.1 Fachbücher 66
4.1.1.1 Systematische Darstellungen 66
4.1.1.2 Konstruktions- und Berechnungshilfen 68
4.1.1.3 Materialauswahl 68
4.1.2 Periodische Fachpublikationen 69
4.1.3 Bibliographien von Fachvorträgen und Tagungsbeiträgen 70
4.2 Fachtagungen und Kongresse 70
4.3 Elektronische Ressourcen 73
4.3.1 Internetseiten 73
4.3.2 Software 80
4.4 Forschungs- und Produktionsnetzwerke 80
4.5 Experten und Beratungsbüros 82
4.6 Universitäre Forschungsstellen (europaweit) 83
4.7 Außeruniversitäre Forschungsstellen (europaweit) 87
4.8 Nationale und internationale Förderprogramme 88
5. Systematische Leichtbaukonzeption für Gussteile 90
5.1 Bauteilanalyse – Belastung, Kosten, Gewicht (Bauteilkenngrößen) 93
5.2 Werkstoffauswahl 93
5.2.1 Materialanforderungsliste 95
5.2.2 Auswahlmethoden 96
5.2.3 BIC/λ-Konzept der SFB64 und SFB230 100
5.3 Formfindungskonzepte 102
5.3.1 Der formbestimmende Lastfall 102
5.3.2 Gestaltungsprinzipien 103
5.3.3 Lineare Elastizitätstheorie 105
4

5.3.4 Bionik-Konzepte 106
5.3.5 Rechnergestützte Formfindungsprozesse 107
6. Werkstoff- und fertigungsgerechte Gestaltung 110
6.1 Werkstoffgerechte Gestaltung 111
6.1.1 Normen und Regelwerke 112
6.1.2 Werkstoffeigenschaften 113
6.1.3 Leichtbau-Werkstoffe 114
6.2 Fertigungsgerechte Gestaltung 129
6.2.1 Kriterien für die Auswahl des Gießverfahrens 131
6.2.2 Konstruktive Randbedingungen der Gießverfahren 132
7. Fallstudien 137
7.1 Zylinderkurbelgehäuse (Eisenwerk Brühl GmbH) 137
7.1.1 Einführung/ Aufgabenstellung 137
7.1.2. Projektpartner 138
7.1.3 Vorgehensweise im Projekt 138
7.1.4 Verbesserte Konstruktion 139
7.1.5 Auswirkung der Produktveränderungen und des Leichtbaus 142
7.1.6 Entwickelte und hergestellte Bauteile 146
7.1.7 Beschäftigte und Personalwesen 150
7.2 Zylinderkopf (Nemak Wernigerode GmbH) 151
7.2.1 Aufgabenstellung 151
7.2.2 Projektpartner 151
7.2.3 Voraussetzung unter der das Vorhaben durchgeführt wurde (z.B. Ressourcen,
Einbindung in die Unternehmensstrategie, Vorarbeiten und Vorkenntnisse, etc.) 151
7.2.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn und Ende des Vorhabens
7.2.5 Erzieltes Ergebnis
152
153
7.2.5.1 Strontiumveredlung 153
7.2.5.2 Einfluss der Störelemente Blei und Zinn 154
7.2.5.3 Einfluss von Silizium und Kupfer auf den SDAS-Wert 155
7.2.5.4 Lieferantenoptimierung auf Grundlage der im Projekt erzielten
Ersuchungsergebnissen 159
7.2.5.5 Versuche Wärmebehandlung mit Luftabschreckung 160
7.2.5.6 Gradientenguss 163
5

7.2.5.7 Qualifikation und Personalentwicklung 164
7.2.6 Nutzen für das Unternehmen, insbesondere Verwertbarkeit des Ergebnisses166
8 Wirtschaftliche Aspekte des Leichtbaus 166
8.1 Kosten des Leichtbaus 166
8.2 Materialkosten 170
8.3 Entwicklungskosten und Entwicklungsrisiko 174
8.4 Kosten für Schutzrechte 176
8.5 Wirtschaftlichkeitsaspekte 177
9 Konstruktionskataloge 179
9.1 Leichtbau-Konstruktionselemente 179
9.2 Leichtbau-Konstruktionsbeispiele 182
9.3 Beispielkatalog Bionik 194
9.4 Bionik-Katalog „Stützen und Tragen“ 201
10. Literaturverzeichnis 207
6

Verzeichnis der Abbildungen
Abbildung 1-1: Nachhaltigkeit und Innovation ........................................................................15
Abbildung 1-2: Abnehmeranteile gegossener Komponenten in 2005 nach Branchen sortiert
(auf Basis von Zahlen von DGV, GDM und CAEF) ........................................................19
Abbildung 1-3: PKW-Export nach Regionen und Ländern in 2008 [VDA09]..........................20
Abbildung 1-4: Teilnehmer beim Shell EcoMarathon müssen mit einem Liter Kraftstoff eine
möglichst lange Distanz zurücklegen – der Rekord liegt bei über 3000 km. [DDPI] .....21
Abbildung 1-5: Gussanteile am PKW nach Baugruppen und Werkstoffen [MAV08]..............23
Abbildung 1-6: Druckgegossene, schweißbare Abgaskühler aus Aluminium ersetzen als
Integralbauteile aufwändigere Schweißkonstruktionen [KSP07] ....................................26
Abbildung 1-7: Rahmenvorschlag der Bundesregierung für eine strategiesche Marschroute
zur einer europäischen Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft [BMBF, BMWi 2006]
.......................................................................................................................................28
Abbildung 1-8: Komponenten eines Wasserstoffverbrennungsantriebs für PKW [BMW AG]
.......................................................................................................................................29
Abbildung 1-9: Im Oktober 2009 erreichte der Australier Simon Hackett mit einem rein
elektrisch betriebenen Fahrzeug erstmals eine Reichweite von 501 km im Rahmen des
Wettbewerbs „Global Green Challenge“ [Tesla Motors].................................................30
Abbildung 1-10: Inverter für Toyota Prius Gen. II (links) und III (rechts) mit druckgegossenem
Gehäuse, [GreenCarCongress].....................................................................................32
Abbildung 1-11: Ausgewählte Produktgruppen der EU-Komission [EUP09]..........................34
Abbildung 1-12: links Topologie-Optimierungsvorschlag, rechts fertige Konstruktion eines
Maschinengehäuses [Heidenreich & Harbeck AG] .......................................................35
Abbildung 1-13: Leichtbauroboter im Piloteinsatz bei der Hinterachsmontage [Daimler AG] 36
Abbildung 1-14: Prognose der Windenergieentwicklung in Deutschland bis 2020
(neuinstallierte Leistung) [DEN08].................................................................................37
Abbildung 1-15: Gusskomponenten in einer Windkraftanlage (Quelle: Bosch Rexroth AG)..38
Abbildung 1-16: Als EcoJet getauftes Konzept für zukünftige Passagiermaschinen, die nur
noch halb so viel CO2 emittieren sollen wie heutige Verkehrsflugzeuge. [EasyJet] .......42
Abbildung 1-17: Getriebefans (Geared Turbofan) sollen bis zu 20% weniger CO2 und 50%
weniger Stickoxide emittieren – und dabei gleichzeitig kostengünstiger im Betrieb sein
als herkömmliche Flugzeugturbinen. [Pratt&Whitney, USA] ..........................................43
Abbildung 1-18: Aufbau eines GTF: Im Gegensatz zu einem normalen Strahltriebwerk ist ein
Getriebefan mit einem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe (2) zwischen der Welle für
den Fan (1) und der Welle der Niederdruckturbine ausgestattet. [WIK09]....................43
Abbildung 1-19: Das Versuchsflugzeug „Dimona“ von Boeing wird von einer 20 kW-
Brennstoffzelle angetrieben und emittiert lediglich Wasserdampf [BOE07] ...................44
7

Abbildung 1-20: Projektzeichnung eines mit Doppelturbinen ausgestatteten
Gezeitenkraftwerks „Seaflow“ [Universität Kassel].........................................................46
Abbildung 1-21: Prototyp „Limpet“eines 500 kW-Wellenkraftwerks auf der schottischen Insel
Islay, demnächst sollen weitere Kraftwerke auch an der deutschen Nordseeküste folgen
[AR06].............................................................................................................................47
Abbildung 1-22: Prinzip eines Offshore-Wellenkraftwerks Typ „WaveDragon“ nach dem
Rampenprinzip. In den nächsten Jahren sollen erste Arrays mit dieser Technologie im
Multi-Megawatt-Bereich realisiert werden. [WAVE DRAGON] .......................................48
Abbildung 1-23: Prinzip eines Wellenkraftwerks in Luftkammerbauweise. Die durch das
einströmende Wasser verdrängte Luft treibt eine Turbine an. [Voith Siemens Hydro
Power] ............................................................................................................................49
Abbildung 2-1: E-Modul-Dichte-Verhältnisse für unterschiedliche Werkstoffgruppen [ASH07]
.......................................................................................................................................53
Abbildung 2-2: Festigkeits-Dichte-Verhältnisse für unterschiedliche Werkstoffgruppen
[ASH07] ..........................................................................................................................54
Abbildung 3-1: Integralgussteil aus druckgegossenen Aluminium- und
Magnesiumkomponenten [MAI04]..................................................................................60
Abbildung 3-2: Einteilig gegossene Passagiertür aus einer wärmebehandelten Aluminium-
Legierung [HER03].........................................................................................................60
Abbildung 3-3: Material- und Zeitersparnis durch Integralguss [HER03] ...............................61
Abbildung 3-4: Typische Probleme bei der Krafteinleitung in Tragwerken [KLE00]...............64
Abbildung 3-5: Ablauf der Gestaltungsphase und Kriterien, die berücksichtigt werden müssen
[CON07]..........................................................................................................................65
Abbildung 4-1: Auswahloptionen im Programm MAVEL Autobench / Bodybench.................75
Abbildung 4-2: Benutzeroberfläche der Materialauswahl-SoftwareCES-Selector..................76
Abbildung 4-3: Anzeige der Materialdaten mit Hilfe der Werkstoffsuchmaschine MatWeb....78
Abbildung 4-4: Eingabemaske mit Suchkriterien der Suchmaschine der TU Darmstadt für
zyklische Werkstoffkennwerte ........................................................................................79
Abbildung 4-5: Mit Hilfe des Cambridge Engineering Selectors lassen sich Materialcharts
generieren ......................................................................................................................80
Abbildung 5-1: Lösungsstrategie gemäß VDI-Richtlinie 2221 zum Entwickeln und
Konstruieren technischer Produkte und Systeme [REU07]............................................91
Abbildung 5-2: Vorgehensweise zur Realisierung von Leichtbau-Konstruktionen [KLE00] ...92
Abbildung 5-3: Konstruktionsprozess zur Realisierung von Leichtbau-Konstruktionen [inach
KLE00]............................................................................................................................95
Abbildung 5-4: Systematik der Werkstoffeigenschaften [REU07] ..........................................96
Abbildung 5-5: Vereinfachte Methodik der Werkstoffauswahl für Leichtbau-
Konstruktionsaufgaben [ASH07] ....................................................................................97
8

Abbildung 5-6: Selektionsparameter-Eingabemaske und Darstellungsmöglichkeiten von
Materialcharts [ASH07]...................................................................................................99
Abbildung 5-7: Screenshot der CAMS-Software CES: Links die Liste vorausgewählter
Werkstoffe, rechts die Darstellung in Form eines Bubble-Charts [Granta Design].......100
Abbildung 5-8: Ausschnitt aus einem BIC/λ-Diagramm [FRE97] .........................................102
Abbildung 5-9: Grundsätze und Prinzipien für die Gestaltung technischer Produkte [CON03,
REU04].........................................................................................................................104
Abbildung 5-10: Strategiemodell nach Linde/Hill [HIL99] .....................................................107
Abbildung 5-11: Mit Hilfe der Topologieoptimierung wird aus einem vorgegebenen Bauraum
eine Struktur errechnet, die eine konstante Spannungsverteilung bei optimal geführtem
Kraftfluss gewährleistet. Die Massebelegung in gering beanspruchten Bereiche wurde
eliminiert. [STU03]........................................................................................................108
Abbildung 5-12: Bionische Methoden in der rechnergestützten Topologieoptimierung
[MAT02]........................................................................................................................110
Abbildung 6-1: Randbedingungen bei der Gestaltung von Leichtbau-Gussteilen................111
Abbildung 6-2: Spezifische Materialkosten für verschiedene Werkstoffgruppen im Vergleich
[ASH07] ........................................................................................................................114
Abbildung 6-3: Mit faser- und partikelverstärkte Aluminiumlegierungen lassen sich höhere
Steifigkeit en realisieren, die die Anwendungsgrenzen von Aluminiumlegierungen
erweitern. [GIE05].........................................................................................................117
Abbildung 6-4: Ergebnisse der Schlagversuche an baugleichen Querlenkern aus
unterschiedlichen Werkstoffen [MEN07] ......................................................................123
Abbildung 6-5: Hohlgegossene Kurbelwelle aus SiBoDur [MEN07] ....................................125
Abbildung 6-6: Einsatzgebiete von Kunstoffen in Deutschland im Jahr 2008 [PED08]........126
Abbildung 6-7: Einstufung der Thermoplastischen Kunststoffe [MOE08] ............................126
Abbildung 6-8: Übersichtsdiagramm für verschiedene Kunststoffpreise in Abhängigkeit ihrer
Wärmeformbeständigkeit [MOE08] ..............................................................................127
Abbildung 6-9: Kunststoffanteile im PKW [APM99]..............................................................128
Abbildung 6-10: Entwicklung der Werkstoffverteilung im Automobil [IKA98] .......................128
Abbildung 6-11: Luftkasten und Ladeluftkühler aus glasfaserverstärkten Thermoplasten
[BAS08] ........................................................................................................................129
Abbildung 6-12:Wirtschaftlichkeitsbereich verschiedener Gießverfahren für den Werkstoff
Aluminium in Abhängigkeit von der Losgröße [VDS]....................................................130
Abbildung 6-13: Ablauf des Squeeze-casting-Prozesses [UBE Europe] .............................133
Abbildung 6-14: Grundprinzip des Niederdruckgießens a) ohne und b) mit Gegendruck....135
Abbildung 6-15: Prinzip des Kippgießens am Beispiel NDCS [Nemak Casting Systems] ...136
Abbildung 6-16: Prinzip des Kippgießens mit Kernpaket (Core Package 21) .....................137
Abbildung 7-1: Entwicklung der Zylinderkurbelgehäuse ZKG0 bis ZKG2 ............................139
9

Abbildung 7-2: Geschlossene CAE Kette.............................................................................140
Abbildung 7-3: Definition ZKG und Fertigungsverfahren......................................................141
Abbildung 7-4: Kundenanforderungen .................................................................................142
Abbildung 7-5: Roboter-Handling bei der Kernherstellung...................................................144
Abbildung 7-6: Potential Gewichtreduzierung ZKG2 bei gleiche Geometrie wie ZKG0 .......147
Abbildung 7-7: Abhängigkeit der vom Strontiumanteil .........................................................153
Abbildung 7-8: Gefügeausbildung in Abhängigkeit vom Strontiumgehalt ............................154
Abbildung 7-9: Einfluss des Bleianteils auf die eutektische Temperatur..............................154
Abbildung 7-10: Einfluss des Zinnanteils auf die eutektische Temperatur...........................155
Abbildung 7-11: Zusammenhang zwischen SDAS und Siliziumanteil..................................155
Abbildung 7-12: Zusammenhang zwischen SDAS und Kupferanteil ...................................156
Abbildung 7-13: Abkühlung in Abhängigkeit von Gussteilgeometrie....................................157
Abbildung 7-14: Gefügeausbildung in Abhängigkeit von Silizium- und Kupferanteilen........158
Abbildung 7-15: Einteilung der Lieferanten nach Schwankungsbreite ausgewählter Elemente
.....................................................................................................................................159
Abbildung 7-16: Fehleranalysen am Gussteil zur Qualifizierung der gewonnen Erkenntnisse
.....................................................................................................................................160
Abbildung 7-17: Versuchsaufbau Luftabschreckung............................................................161
Abbildung 7-18: Abkühlung bei verschiedener Probenlage .................................................161
Abbildung 7-19: Erzielte Härtewerte (Forderung >85HB).....................................................162
Abbildung 7-20: Untersuchung zum effizienteren Energieeinsatz bei Wärmebehandlung ..162
Abbildung 7-21: Versuchsaufbau .........................................................................................163
Abbildung 7-22: Stauchversuche .........................................................................................163
Abbildung 7-23: Stauchversuche .........................................................................................164
Abbildung 7-24: Altersstruktur des Unternehme ..................................................................165
Abbildung 7-25:-Entwicklung der Balance der Altersstruktur bis 2017.................................165
Abbildung 8-1 : Materialkostenanteile von Erzeugnissen [REU07] ......................................167
Abbildung 8-2: Festigkeitsbezogene Relativkostenfaktoren [REU07] .................................168
Abbildung 8-3: E-Modulbezogene Relativkostenfaktoren [REU07]......................................169
Abbildung 8-4:Spezifische Werkstoffkosten auf den E-Modul bezogen [ASH07] ................172
Abbildung 8-5: Spezifische Werkstoffkosten auf die Festigkeit bezogen [ASH07]...............172
Abbildung 8-6: Kosten für fortschreitenden Leichtbaugrad [Eisenwerk Brühl] .....................174
Abbildung 8-7: Verteilung des Entwicklungsrisikos zwischen OEM und Zulieferer..............175
Abbildung 9-1: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 1...............................................180
Abbildung 9-2: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 2...............................................181
Abbildung 9-3: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 3...............................................181
Abbildung 9-4: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 4...............................................182
Abbildung 9-5: Flügelstrukturteil aus Aluminium [ZGV03]....................................................183
10

Abbildung 9-6: Verringerter Montageaufwand durch Integralkonstruktion [ZGV03].............183
Abbildung 9-7: Stahl-Stahlguss-Konstruktion (früher) Stahlgussbauteil
(heute) [ZGV00] 184
Abbildung 9-8: Hochgeschwindigkeitsschlitten einer Werkzeugmaschine [ZGV02] ............185
Abbildung 9-9: Gegossener Aluminium-Kolben für Otto-Motoren [BIN05] ...........................186
Abbildung 9-10: Vergleich zwischen altem (links) und verbessertem Design (rechts) [BIN05]
.....................................................................................................................................186
Abbildung 9-11: Hohlgegossene Kurbelwelle aus hochsiliziumhaltigem Gusseisen [MEN07]
.....................................................................................................................................187
Abbildung 9-12: Hohlgegossene Nockenwelle [ZGV04] ......................................................188
Abbildung 9-13: Druckgegossener Querträger aus AlMg-Werkstoffverbund [MAI04]..........190
Abbildung 9-14: Gewichtsreduzierte Baugruppe mit Stirn- und Schließplatte [FRI04].........191
Abbildung 9-15: Ursprüngliche und optimierte Varianten der beiden Bauteile [FRI04] ........192
Abbildung 9-16: Dieselbäre (ursprüngliche und gewichtsoptimierte Variante) [ZGV01.1] ...193
Abbildung 9-17: Blatt einer Riesenseerose ..........................................................................194
Abbildung 9-18: Blattunterseite der Riesenseerose .............................................................194
Abbildung 9-19: VarioStruct-Verbundgussteile aus Aluminiumdruckguss mit eingegossener
Stahlverrippung [RWTH Aachen] .................................................................................195
Abbildung 9-20 : Das kraftliniengerechte Wachstum eines Baums dient als natürliches
Vorbild für die Bauteilgestaltung [DRA09] ....................................................................195
Abbildung 9-21: Lagertraverse für Werkzeugmaschine, Material: EN-GJS-400, Gewicht: 500
kg, Abmaße: 1475x970x800 mm [GIE07] ....................................................................196
Abbildung 9-22: Die faserdurchsetzte Schale der Kokosfrucht bietet ausreichenden Schutz
gegen das Aufplatzen beim Aufprall [RWTH Aachen]..................................................197
Abbildung 9-23: faserverstärktes Strukturbauteil [RWTH Aachen] ......................................198
Abbildung 9-24: Feinstrukturierte Haifischschuppen [Eye of Science].................................199
Abbildung 9-25: Pumpenlaufrad mit mikrostrukturierter Oberfläche [Grohno GmbH] ..........199
Abbildung 9-26: Struktur eines Elefantenschädels [MAI05] .................................................200
Abbildung 9-27: Durch strukturbionische Optimierung und den Einsatz von Großkernen
konnte das Gewicht dieses Maschinenbettes von 13,5 auf 9 t reduziert werden. [MAI05]
.....................................................................................................................................200
11

Verzeichnis der Tabellen
Tabelle 1-1: Einsatzbereiche und Gewichtoptimierungspotenziale von
Fahrzeugkomponenten aus Metallguss im PKW-Bereich am Beispiel des VW Golf Bj.
2003 ...............................................................................................................................23
Tabelle 6-1: Normen für Gusswerkstoffe..............................................................................112
Tabelle 6-2: Gefüge, Eigenschaften und Anwendungsbereiche von hochsiliziumlegierten
Gusseisenwerkstoffen [MEN07] ...................................................................................124
Tabelle 6-3: Mechanische Kennwerte in Abhängigkeit vom eingesetzten Gießverfahren
[YOU00]........................................................................................................................134
Tabelle 7-1: Legierungsvariation Si......................................................................................157
Tabelle 7-2: Legierungsvariation Kupfer ..............................................................................158
Tabelle 8-1: Relativkostenfaktoren für Gusseisen- und Stahlgusswerkstoffe nach [KUR04]
.....................................................................................................................................170
12

1 Nachhaltiges Wirtschaften in Gießereien und anderen Zulieferbetrieben
1.1 Nachhaltiges Wirtschaften und das Projekt Leikom
In einer Informationsschrift des Bundesministeriums für Bildung und Wissenschaft BMBF aus
2004 heißt es:
Nachhaltigkeit gilt als spröder Begriff. Aber sie hat klare und breit akzeptierte Ziele: Wir wollen
mit dem Blick über eine Generation hinaus die natürlichen Ressourcen schützen, den
sozialen Zusammenhalt erhalten und stärken und die wirtschaftliche Leistungskraft fordern,
die auch für kommende Generationen Wohlstand sichert.
Im Rahmen der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung Unterstützt das BMBF zielgerichtet
die Erforschung, Entwicklung und Vermittlung von Innovationen für das nachhaltige
Wirtschaften. Wichtige Ansatzpunkte sind der effiziente Einsatz von Rohstoffen und Produktionstechnologien,
Alternativen für umweltschädigende Einsatzstoffe, die Senkung von
Verbrauch und Emissionen, die Entwicklung umweltfreundlicher Produkte und die bessere
Wiederverwendbarkeit von Waren und Materialien.
Übergreifendes Ziel ist, den Standort und die Arbeitsplatze besonders der kleinen und mittelständischen
Unternehmen zu sichern und auszubauen. Technologische Innovationen mit
hohen Umweltentlastungspotenzialen benötigen das komplexe fachliche Know-how verschiedener
Disziplinen, aber auch die Akzeptanz der Verbraucher. Wo Wissenschaft und
Unternehmen gemeinsam und interdisziplinär forschen und entwickeln und die Gesellschaft
frühzeitig einbinden, sind Praxisbezug, Zukunft und Nachhaltigkeit gesichert [BMB04].
Die Gewichtsreduzierung bei vielen technischen Produkten, wie Fahrzeugen und Maschinen,
und ihren Komponenten führt unmittelbar zu vielfältigen ökologischen und ökonomischen
Vorteilen in der gesamten Wertschöpfungskette: weniger Rohstoffe, weniger Transport,
energieeffizientere Fertigung, energieeffzientere Verwendung, weniger Prozessrückstände,
d.h. weniger Recycling oder Abfälle zur Entsorgung.
Die Hersteller von Komponenten und Zulieferer der Endprodukthersteller Automobilindustrie,
Maschinenbau etc. sind typische mittelständisch strukturierte Industriezweige, die sich außer
in der Betriebsgröße auch hinsichtlich Technologie, Arbeitssystemen und Vorgehen bei Produktentwicklung,
Beschäftigtenstruktur etc. ähnlich sind: Gießereiindustrie, Schmiedeindustrie,
Kunststoff-Spritzgießereien u. a. Als Zulieferer nehmen sie eine volkswirtschaftliche
Schlüsselstellung ein.
13

Im Vorhaben LeiKom sind in Gießereien leichtere Komponenten entwickelt worden und mit
neuartigen Technologien realisiert werden. Dabei sind neben technologischen auch wirtschaftliche
und soziale Verbesserungen verfolgt worden.
Es sind dies zwei technologisch sehr fortschrittliche Unternehmen gewesen, die die für
Gussproduktion typische Verfahrens- und Werkstoffvielfalt widerspiegeln. In der Firma Eisenwerk
Brühl GmbH sind im Sandgießverfahren neuartige Zylinderkurbelgehäuse aus
Gusseisen und in der Firma Nemak Wernigerode GmbH, ehemals Rautenbach-Guss, sind
Zylinderköpfe im Kokillengießverfahren aus Aluminiumguss entwickelt worden.
Die Ergebnisse aus diesen Modellbetrieben und aus betriebsübergreifenden Arbeiten haben
zu Methoden und Instrumenten geführt, die für Gießereien - und in entsprechender Nutzung
auch für ähnliche Betriebe - hilfreich sind.
Sie sollen den einzelnen Unternehmen ermöglichen, sich nachhaltig aufzustellen – hinsichtlich
ihrer Erzeugnisse, hinsichtlich der Gestaltung ihrer Arbeitssysteme und ihrer Belegschaft
– um auch für den internationalen Wettbewerb in Zukunft gerüstet zu sein.
Ausgangsbasis für die Entwicklung von nachhaltigen Prozessen war im Projekt LeiKom ein
Ansatz basierend auf drei gleichwertigen und sich gegenseitig beeinflussenden Schnittstellen:
- Technik
- Organisation
- Mensch
Innovationen sind als Dreiklang zwischen technischer, organisatorischer und humaner Innovation
zu gestalten (Abbildung 1-1).
14

Schnittstelle Technik - Organisation
- ressourcenoptimierte Prozesse
- stoffkreislaufoptimierte Prozesse
- Flexibilität
-Qualität
- Kommunikation/ ... Wissen
- …
Organisation
Technik
Nachhaltigkeit
und
Innovation
Schnittstelle Organisation - Mensch
gesundheitsförderliche Arbeitsorganisation (AO), altersstabile AO
qualifikationsförderliche AO, lernförderliche AO, wissensgenerierende AO
Abbildung 1-1: Nachhaltigkeit und Innovation
Schnittstelle Mensch - Technik
- gesundheitsförderliche Technikgestaltung
- altersstabile Anforderungen
- Qualifikationsförderliche Technikgestaltung
- lernförderliche Technikgestaltung
- wissensgenerierende Technikgestaltung
Mensch
Die in Leikom entwickelten Instrumente, die den Unternehmen helfen sollen, sich zukunftsfähig
aufzustellen, decken die drei wesentlichen Bereiche Produkt, Produktion und Personal
ab.
Ausgegangen wird dabei von dem Gedanken, dass eine Gießerei – genauso wie ein anderes
ähnliches Zulieferunternehmen - zunächst den zukünftigen Markt für seine Leichtbau-
Produkte erkennen muss. Man muss die Anforderungen an die Art der Bauteile, ihre Qualität
sowie die Konditionen, unter denen sie abgenommen werden, abschätzen. Man muss den
Markt und die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten prognostizieren. Für diese anspruchsvolle
Aufgabe bietet der LeiKom-Band „Instrumente zur Entwicklung nachhaltiger
Leichtbaukomponenten“ vielfältige Hilfen.
Liegt dann die Prognose für die zukünftige Nachfrage vor, so ist für jeden Betrieb, jede Gießerei,
individuell die zur Produktion der zukünftig nachgefragten Bauteile notwendige Fertigungstechnik
sowie der Personalbedarf zu entwickeln.
Empfehlungen und Hilfen zur zukunftsgerechten Ausrichtung der Fertigungstechnik bietet
der LeiKom-Band „Instrumente zur Entwicklung von Gießereien zu nachhaltigen Produzenten“
an.
Der LeiKom-Band „Instrumente zur Entwicklung von Personalwesen und Ausbildung für
nachhaltige Gießereien“ bietet Hilfe an, bei der Schaffung eines zukunftsorientierten Personalwesens,
beispielsweise hinsichtlich langfristig angelegter Altersstrukturen und der Qualifikationen
der Beschäftigten. Darüber hinaus gibt der Band Empfehlungen zu einer Neugestaltung
der Ausbildungsinhalte für den Beruf „Gießereimechaniker“.
15

Die drei Bände sind so gestaltet, dass sie unabhängig voneinander genutzt werden können.
Trotzdem decken sie nur gemeinsam das breite Arbeitsfeld für den ab, der sein Unternehmen
und seine Belegschaft nachhaltig und zukunftssicher ausrichten möchte.
1.2 Zweck des Leikom-Bandes „Produktion“
Im Projekt LeiKom hat das RKW im Jahr 2007 eine qualitative Befragung zur Zukunftsentwicklung
der Gießerei-Unternehmen in Deutschland durchgeführt [RKW08]. Um eine möglichst
große Bandbreite von Fachwissen abzudecken, wurden Experten aus Unternehmen,
Verbänden und Wissenschaft befragt. Zwölf der Experten haben sich teilweise sehr ausführlich
wurde schriftlich zu neun Fragebereichen mit einem Zeithorizont bis zum Jahr 2020 befragt.
Die Auswertung der Fragebögen zeigt eine Vielzahl von interessanten Entwicklungen und zu
erwartende Trends auf. Die Ergebnisse sind eine wichtige Grundlage für die Entwicklung der
Leikom-Instrumente „Produkt“, „Prozess“ und „Personal“ gewesen.
Im Folgenden die die „Produkt“-bezogenen Ergebnisse dargestellt.
Unternehmensstrategie – Kernkompetenzen und Fertigungstiefe
Um strategisch richtig aufgestellt zu sein, müssen die Gießer einerseits die Fertigungstiefe
und damit die Produktwertschöpfung durch die Erschließung vor- und nachgelagerter Prozesse
deutlich erhöhen (wie zum Beispiel Bauteilentwicklung und Montage). Auf der anderen
Seite müssen die Unternehmer ihre Kernkompetenzen stärker fokussieren, um wettbewerbsfähig
zu bleiben. Ein Angebot von Dienstleistungen rund um die Produkte wurde angeregt
(all inklusive–Angebote, Komplettlieferungen). Die strategische Ausrichtung ist natürlich stark
abhängig von der Art des Unternehmens, zum Beispiel für Einzel- und Seriengießer oder
Eisen- und Aluminiumgießer. Daher wird eine Differenzierung nach Unternehmenstypen erforderlich
sein. Es ist davon auszugehen, dass die Einzel- und Kleinserienfertigung vorwiegend
für regionale Märkte und die Fertigung in großen Serien für den Weltmarkt weiterhin
wettbewerbsfähig sein werden.
16

Steigende Kundenanforderungen erfordern Kompetenzausbau
Die zu erwartenden Kundenanforderungen, wie beispielsweise:
• steigende Komplexität,
• Technologiefortschritt (Maßgenauigkeit, Automation),
• Variantenvielfalt,
• hohe Qualität und
• Liefertreue
erfordern eine stetige Weiterqualifizierung der Beschäftigten, um innovativ und produktiv
dem Wettbewerb der Zukunft begegnen zu können. Um eine bessere Kundenorientierung
erreichen zu können, müssen die Unternehmen die eigenen F&E- Aktivitäten stärken.
Deutschland wird weiterhin ein starker Gießereistandort bleiben, da die meisten Kunden den
Komplettpreis und nicht bloß die Einkaufskosten vergleichen. Das hält die deutschen Gießereien
wettbewerbsfähig.
Kooperationen vielfältigster Art
Besonders deutlich zeichnet sich ein verstärkter Kooperationstrend ab. Um auf den globalisierten
Märkten wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es erforderlich, Allianzen zu bilden. Diese
sollen dazu dienen, Märkte zu halten und neue Abnehmerbereiche zu erschließen. In bestimmten
Bereichen - wie beispielsweise Produktentwicklung oder Rohstoffeinkauf - werden
Kooperationen innerhalb der Lieferkette als zukunftsfähige Aktivitäten betrachtet. Gemeinsame
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit Endkunden und Zulieferern sowie gemeinsame
Einkaufstrategien sind denkbar. Da es auf der Beschaffungsseite nur wenige große
Lieferanten gibt, können mit Einkaufskooperationen günstigere Preise erzielt werden.
Übersicht der Handlungsempfehlungen der befragten Experten:
Kooperation und Kundenorientierung
• Aufbau von Handelsnetzwerken bis hin zu Zweigniederlassungen im Ausland
(Erschließung neuer Märkte)
• Ausbau der internen Sprach- und Kulturkompetenz
• intensive und strukturierte Sammlung von Kundendaten
• enge Kooperationen mit Partnern in Clustern und Wertschöpfungskette
• Entwicklung gemeinsamer Einkaufsstrategien und F&E- Aktivitäten
17

• intensive Kooperation mit Wissenschaft, sowohl mit Natur- und Technik als auch
mit Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, zur Weiterentwicklung des ganzen
Unternehmens und aller Beschäftigtengruppen
Produkte / Technologie
o breite Produkt- und Verfahrenspalette anstreben
o verstärkte Anstrengungen zur Akquisition hochkomplexer Teile
o aktive Erweiterung der Wertschöpfungskette (Stärken-/ Schwächeprofil erarbeiten)
o Kombination von Produktentwicklung und -fertigung im eigenen Hause
o weiterhin hohes Qualitätsbewusstsein und Termintreue
Die Schaffung eines Instrumentes für die Entwicklung nachhaltiger Leichtbau-Komponenten
deckte einen dringenden Bedarf.
1.3 Bedeutung von leichtbaugerechten Gussteilkonzepten für die Absatzentwicklung
in der deutschen Gießereiindustrie
Die Hälfte aller Eisengusserzeugnisse, drei Viertel aller Aluminiumgusserzeugnisse und
mehr als 80% aller Magnesiumgusserzeugnisse aus deutschen Gießereien gingen 2005 in
den Fahrzeugbau (Abbildung 1-2). Dies unterstreicht die immense Bedeutung des Automobilsektors
als Schlüsselbranche und des Erhalts heimischer bzw. europäischer Fertigungsstandorte
für die Absatzentwicklung in deutschen Gießereien. Mit einem Pkw-Anteil von 90%
an der gesamten im Inland produzierten Stückzahl von Kraftfahrzeugen (restl. 10% NFZ) ist
im Wesentlichen die Entwicklung im Pkw-Segment treibende Kraft für zukünftige Anforderungen
an Gussprodukte [VDA09].
18

Abbildung 1-2: Abnehmeranteile gegossener Komponenten in 2005 nach Branchen
sortiert (auf Basis von Zahlen von DGV, GDM und CAEF)
Zweiter tragender Pfosten des Gussabsatzes ist neben der Automobilindustrie der Maschinen-
und Anlagenbau, der jedoch direkt und indirekt ebenfalls stark von der Automobilindustrie
als Auftraggeber abhängt. Bauwirtschaft sowie Luft- und Raumfahrt stellen Absatzsegmente
mit untergeordneter Bedeutung für den Gesamtabsatz von Metallgussteilen dar. Für
die Bauwirtschaft werden hauptsächlich Eisen-, Temperguss- und Kupfergussteile hergestellt,
für die Leichtbau keine primär zu erfüllende Anforderung ist. Dennoch kann auch hier
durch leichtbaugerechte Konstruktionen Material eingespart und so eine Verminderung der
Herstellungskosten erreicht werden.
In der Luft- und Raumfahrt hingegen werden hochleistungsfähige Gussteile wie Turbinenkomponenten
und Strukturverstärkungen nachgefragt, deren Gewichtminderungspotenziale
bis zum Äußersten ausgeschöpft werden. Da jedes Kilogramm Mehrgewicht sich hier viel
extremer als bei anderen Beförderungsarten auf die Transportkosten auswirkt, besteht eine
ausgeprägte Bereitschaft, die Kosten für Hochleistungs- und Leichtbauwerkstoffe aufzubringen.
Obwohl Luft- und Raumfahrt für den Gesamtabsatz von Metallgussteilen nur eine untergeordnete
Rolle spielen, so stellt diese Branche umso mehr einen Innovationsmotor dar,
dessen Entwicklungen häufig später auch in anderen Branchen Einzug halten. Ein aktuelles
Beispiel ist z.B. der Einsatz von Thermoelektrischen Generatoren für die Bordnetzversorgung
in PKW, die mit Abwärme aus dem Abgasstrang gespeist werden. Diese Module werden
seit 40 Jahren in Raumsonden der NASA eingesetzt.
19

1.4 Zukünftige Entwicklungstrends in den Hauptabnehmerbranchen deutscher
Gießereien
1.4.1 Automobilindustrie
Mit über 50% Anteil am Absatz von Gussprodukten aus Gusseisen und nahezu drei Vierteln
des Absatzes von Leichtmetall-Gussteilen war die Automobilindustrie in 2005 wichtigster
Abnehmer für Gussprodukte aus deutschen Gießereien.
Da nur etwa ein Viertel aller NE-Metallgusserzeugnisse in den Export geht, ist die Inlandsproduktion
nach wie vor wichtigster Produktionsmotor für die deutsche Gießereiindustrie.
Dennoch hängt auch der Absatz von Gussprodukten aufgrund der starken Exportorientierung
der deutschen Automobilindustrie stark von der Konjunktur in den Absatzmärkten ab.
So wurden von den in 2008 in Deutschland hergestellten 5,5 Mio. Fahrzeugen knapp 75 %
(4,1 Mio. Fahrzeuge) ins Ausland exportiert, überwiegend in Staaten der EU-25 und den
amerikanischen Markt. Starkes Wachstum konnten PKW-Exporte nach Osteuropa und Asien
verzeichnen (Abbildung 1-3).
Abbildung 1-3: PKW-Export nach Regionen und Ländern in 2008 [VDA09]
Nur knapp die Hälfte aller von deutschen Herstellern gefertigten Kraftfahrzeuge wurde in
2008 noch im Inland gefertigt. Im globalen Standortwettbewerb mögen die Automobilisten
zwar von günstigen Kostenfaktoren an ausländischen Standorten profitieren, Gießereien und
Systemzulieferer sehen sich jedoch in vielen Absatzmärkten mit Handelshemmnissen konfrontiert,
die einheimische Zulieferer in diesen Märkten begünstigen.
20

Für die EU-25-Staaten als wichtigstem Absatzmarkt der deutschen Automobilindustrie war
die Diskussion um CO2-Emissionenen und Flottenverbräuche in den letzten Jahren wegweisend.
Die Vorgabe der EU-Kommission, die CO2-Emissionen der Fahrzeugflotten bis zum
Jahre 2012 im Durchschnitt um mehr als 20 % auf 130 g/km zu reduzieren, hat den Innovationsdruck
gerade auch auf die deutschen Automobilhersteller verstärkt und zu erheblichen
Einbrüchen im Premiumsegment geführt. Auf fast allen einschlägigen Messen und Veranstaltungen
der Branche waren in 2007 wieder Sparkonzepte zu bewundern, vom 600 kg leichten
Loremo mit Kunststoff-Außenhülle über den VW Polo Blue Motion bis hin zu einer möglichen
Neuauflage der BMW Isetta. Schon jetzt sind bei Neuwagen mit aufgeladenen Otto- oder
Dieselmotoren Verbrauchswerte zwischen fünf und sechs Litern pro 100 km Stand der Technik.
Theoretisch sind sogar Verbräuche von deutlich unter 1,0 l im Bereich des Möglichen bei
extrem optimierten Leichtbau-Fahrzeugen, wie sie z.B. beim Shell Eco Marathon 2007 in der
Klasse „Urban Concept“ vorgestellt wurden (Abbildung 1-4).
Abbildung 1-4: Teilnehmer beim Shell EcoMarathon müssen mit einem Liter Kraftstoff
eine möglichst lange Distanz zurücklegen – der Rekord liegt bei über 3000 km. [DDPI]
Auch internationale Hersteller versuchen sich im Hinblick auf nachhaltige Fortbewegungskonzepte
gegenseitig zu überbieten. In Norwegen ging 2007 das ursprünglich von Ford mitentwickelte
Elektroauto Think_City in Serie, dass bei einer Reichweite von 180 km eine
Höchstgeschwindigkeit von 100 km/h ohne Emissionen ermöglicht (sofern die zum Laden
21

verwendete elektrische Energie aus regenerativen Quellen gewonnen wird). Tata Motors
stellte Anfang 2008 auf der der Autoexpo in Neu-Delhi sein neues Kleinwagen-Konzept Nano
vor, der als preisgünstiges Einstiegsmodell für den indischen Markt mit 33 PS-Ottomotor und
65 km/h Höchstgeschwindigkeit bereits für umgerechnet ca. 2000 € das Käuferpotential einkommensschwächerer
Schichten erschließen soll.
Wichtige Impulse sowohl für die Nachfrage nach verbrauchs- und emissionsarmen Neuwagen
als auch für die Erforschung und Entwicklung innovativer, leichtbaugerechter Fahrzeugkonzepte
und deren Umsetzung in verkaufsfähige Produkte gehen von der kontinuierlichen
Verschärfung der gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich Schadstoffemissionen in
der EU und anderen Staaten und von den weltweit steigenden Preisen für fossile Kraftstoffe
aus. In der Praxis dürfte sich der Durchschnittsverbrauch von Neuwagen in den kommenden
Jahren zwischen vier und fünf Litern einpendeln. Aus dem Emissionsziel der EU für 2012
von 120 g CO2/km ergibt sich eine Obergrenze für den Kraftstoffverbrauch von 5,0 l Benzin
oder 4,5 l Diesel pro 100 km. Die 30 sparsamsten PKW-Modelle in 2007 weisen einen Kraftstoffverbrauch
von 3,4 bis 5,0 Litern auf 100 km und einen CO2-Ausstoß von 90 bis 118
g/km aus [CO2008]. Deutsche Hersteller boten in 2008 über 80 Modelle mit einem Kraftstoffverbrauch
von weniger als 5 l/100 km an. Dies wird für künftige PKW-Generationen der zu
erreichende Benchmark sein. Zusätzlich erhebt die EU ab 2012 für alle Neuwagen, die mehr
als 133 g CO2/km emittieren ein Bußgeld von 95 € / g CO2, um welches überschritten wird
[EUR08]. Somit würde sich ein aktuelles Durchschnittsmodell deutscher Hersteller, welches
im Schnitt 170 g CO2/km emittiert um 3325 € gegenüber einem Modell verteuern, welches
die Grenzwerte einhält. Ab 2020 gilt dann ein Grenzwert von 95 g CO2/km für alle Neufahrzeuge,
wodurch sich die Anschaffungskosten für ein aktuelles Durchschnittsmodell um fast
6000 € erhöhen würden. Da diese Regelungen für alle innerhalb der EU verkauften Fahrzeuge
gelten, sind nicht nur deutsche und europäische, sondern auch ausländische Hersteller
betroffen. Zum Teil haben diese jedoch wesentlich früher als ihre deutschen Konkurrenten
auf spritsparende Technologien gesetzt, wodurch sie sich Wettbewerbsvorteile verschafft
haben, die deutsche und europäische Hersteller derzeit erst anfangen aufzuarbeiten.
Von den 12 Mio. von deutschen Automobilherstellern im Jahr 2008 im In- und Ausland produzierten
KFZ entfielen 10,8 Mio. Einheiten (90 %) auf die Produktion von Pkw und nur 1,2
Mio. Einheiten auf die NFZ-Herstellung (10%). Metallgussteile machen bei aktuellen PKW-
Modellreihen im Mittelklassesegment ca. 15-20 % des Fahrzeuggewichtes aus, im Nutzfahrzeugbereich
sogar noch darüber. Dabei konzentriert sich der Einsatz von Gussteilen aus
metallischen Werkstoffen auf die Bereiche Fahrwerk (PKW ca. 50%), Antriebsstrang (PKW
ca. 10%) und Triebwerk (PKW ca. 30%), wie eine Auswertung anhand des VW Golf der Baureihe
2004 als repräsentativem Beispiel des Volumensegments zeigt [MAV08], (Abbildung
22

1-5). Für zukünftige PKW-Modellreihen wird seitens der europäischen Automobilhersteller
eine Gewichtsreduzierung von bis zu 20 % angestrebt, die zum einen durch den verstärkten
Einsatz von Kunststoff- und Faserverbundwerkstoffen im Bereich der Außenhaut und zum
anderen durch verstärkte Forderungen nach weiteren Gewichtseinsparungsmaßnahmen im
Bereich Motor und Antriebsstrang realisiert werden soll.
Anteil der unterschiedlichen Fahrzeugbaugruppen am
Gesamtgewicht der Gussteile in einem VW Golf (Mavel)
Fahrwerk; 52,16%
Aircon; 2,22%
Chassis; 0,58%
Exterior; 1,64%
Interior; 1,09%
Engine; 32,02%
Antriebsstrang; 9,64%
Anteile der Gusswerkstoffe am Gesamtgewicht der
Gussteile in einem VW Golf (Mavel)
Magnesium Castings; 1,94%
Aluminium Castings; 57,35%
Other non-ferrous; 5,45%
Steel Castings; 3,65%
Iron castings; 31,61%
Abbildung 1-5: Gussanteile am PKW nach Baugruppen und Werkstoffen [MAV08]
Die Einsatzbereiche von Gussteilen, ihr jeweiliger Anteil am Gesamtgewicht und ihr geschätztes
Optimierungspotenzial durch konsequenten Leichtbau sind für die Bereiche Personenkraftwagen
am Beispiel des VW Golf 1.6 FSI (2003er Baureihe) sowie für einen Mercedes
Actros nachfolgend aufgelistet (Tabelle 1-1).
23

Tabelle 1-1: Einsatzbereiche und Gewichtoptimierungspotenziale von Fahrzeugkomponenten
aus Metallguss im PKW-Bereich am Beispiel des VW Golf Bj. 2003
Bauteilbezeichnung Werkstoff Gewichts- Optimierungspotenzial
anteil durch Leichtbau
Triebwerk
Zylinderkurbelgehäuse (R4) Aluminium 16,9 kg 5-10% (dünnere Wandstärken)
Zylinderkopf (R4) Aluminium 10,4 kg 5-10%
Zylinderkopfabdeckung Aluminium 2,4 kg 5-10%
Kurbelwelle Gusseisen 12,6 kg 5-10% (Hohlbauweise)
Nockenwelle (2x) Schmiedestahl 4,8 kg 10 %
Nockenfolger (16x)
Schlepphebel (16x)
Pleuel (8x) Gusseisen 2,3 kg
Schwungrad Gusseisen 6,5 kg 20-30% (Subst. durch
Aluminium)
Kurbelwellenlager Stahlguss 2,1 kg
Zahnriemenabdeckung Aluminium 3,9 kg
Einspritzpumpengehäuse Aluminium 2,2 kg 25-40% (Magnesium)
Ölpumpengehäuse Aluminium 1,3 kg 25-40% (Magnesium)
Ölwanne Aluminium 2,2 kg 25-40% (Magnesium)
Drosselklappengehäuse Aluminium 0,8 kg 25-40% (Magnesium)
Abgaskrümmer Stahlverschweißung 2,7 kg
Antriebsstrang
Getriebegehäuse Aluminium 5,2 kg 25-40% (Magnesium)
Getriebeabdeckung Magnesium 1,2 kg
Kupplungsgehäuse Aluminium 6,4 kg 25-40% (Magnesium)
Vorderachs-Differenzial Stahlguss 3,4 kg
Gear Selector Aluminium-Stahl 0,7 kg 5-10% (Magnesium-
Stahl)
Fahrwerk
Vorderradträger Aluminium 9,9 kg
Achsschenkel (2x) Gusseisen 8,6 kg
Schwenklager Aluminium 0,3 kg (4,4
kg)
Querlenker (2x) Schmiedestahl 9,4 kg
24

Führungslenker
Lenksäule Aluminium 1,4 kg 25-40% (Magnesium)
Fahrschemel Aluminium
Räder / Bremse
Bremsscheiben (4x) Gusseisen 21,8 kg
Bremssättel (4x) Gusseisen 12,3 kg
Bremssattelhalter
Radnabe (2x) 4,0 kg
Felgen (4x) Aluminium 33,6 kg
Karosserie, Exterieur und Interieur
Instrumententafelträger Kunststoff 8 kg
Türtafeln
Türgriffe (4x) Aluminium 0,8 kg
Scheinwerferhalterung
Lenkrad Magnesium 1,0 kg
Rahmen für Außenspiegel (2x) Aluminium 1,0 kg
25-40% (Magnesium)
Klimaanlagenkompressorgehäuse Aluminium 3,7 kg 25-40% (Magnesium)
Türrahmen
Spaceframe-Knotenpunkte
Generatorgehäuse Aluminium 1,1 kg 25-40% (Magnesium)
Insbesondere bei Bauteilen mit geringer thermischer und mechanischer Beanspruchung wie
Gehäusen, Verschalungen, Ölwanne, Abdeckungen ist daher zukünftig mit einer verstärkten
Konkurrenz durch Kunststofflösungen zu rechnen [JES08]. Aber auch bei Bauteilen wie Ansaug-
und Abgaskrümmern, die bisher häufig aus Gusswerkstoffen gefertigt wurden, ist mit
einem Verdrängungswettbewerb durch Kunststoff- und Blechbauweisen zu rechnen.
Weitere Sparpotenziale hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs sollen durch Optimierung des
Antriebsstrangs mit Hilfe längerer Übersetzung, Doppelkupplungs-, Sechs- und Sieben-
Gang-Getrieben und eine verbesserte Abwärmenutzung erreicht werden, denn nach wie vor
gehen fast zwei Drittel des Energieinhalts des Kraftstoffs als nicht genutzte Abwärme verloren
[TRE08]. Es existiert eine Reihe von Vorschlägen zur effizienteren Abwärmenutzung, die
von Wärmespeichern zur schnelleren Motorvorwärmung nach einem Kaltstart über Wärmekraftmaschinen
(Abgasturbine) zum Betrieb von Nebenaggregaten bis hin zur Abgasturboaufladung
und Katalysatorvorwärmung reichen. Eine Nutzung der Abwärme zur Luft- oder
25

Gemischvorwärmung könnte z.B. auch die Anforderungen an Werkstoffe und Komponenten
im Ansaugstrang wieder deutlich nach oben schrauben [BAS06, VDA08.1], Abbildung 1-6.
Abbildung 1-6: Druckgegossene, schweißbare Abgaskühler aus Aluminium ersetzen
als Integralbauteile aufwändigere Schweißkonstruktionen [KSP07]
Darüber hinaus wird sich der Trend zum Downsizing aufgeladener Otto- und Dieselmotoren
verstärken, da mit zunehmendem Ladedruck geringere Hubräume benötigt werden. Bereits
jetzt ist ein deutlicher Anstieg des Anteils an Zwei-, Drei- und Vierzylindermotoren mit Direkteinspritzung
und Abgasturboaufladung zu beobachten. Schichtladeverfahren werden künftig
eine zunehmende Bedeutung bei der Gemischbildung in Ottomotoren erlangen. Auch die
Senkung der Reibungsverluste in Motor und Antriebsstrang steht im Fokus der Entwicklungsanstrengungen
der OEM.
Betrachtet man den gesamten Produktlebenszyklus moderner PKW, so macht der Kraftstoffverbrauch
über 80% der Gesamtenergiekosten aus. Bei NFZ liegt der Anteil aufgrund der
wesentlich höheren Gesamtlaufleistung noch deutlich höher [VOL02].
Mit über 50% stellt die Fahrzeugmasse neben dem Fahrverhalten den wichtigsten Einflussfaktor
auf die Gesamtemissionen von Kraftfahrzeugen dar, da sie sowohl in den Verbrauch
zum Aufbau kinetischer Energie als auch in den Rollwiderstand eingeht. Allgemein wird ein
Mehrverbrauch von 0,3 bis 0,6 l Kraftstoff pro 100 kg Fahrzeuggewicht bzw. Zuladung angegeben
[BAS07, VDA09]. Für den gesamten Streckenverbrauch (in g/km) wird folgender Zusammenhang
angegeben:
26

Be =
∫
1
be
⋅ ( FR
+ FL
+ F
η
u
∫
kin
v ⋅ dt
+ F
Be= Streckenverbrauch in g/km
pot
+ B ) ⋅ v ⋅ dt
be = spezifischer Verbrauch des Antriebsaggregats
in g/kWh
ηü = Wirkungsgrad des Antriebsstrangs in %
r
FL=Luftwiderstand
Fkin=Beschleunigungswiderstand
Fpot=Steigungswiderstand
FR = Rollwiderstand
Aktuell konzentrieren sich die Forschung und Entwicklungsanstrengungen der PKW-
Fahrzeughersteller bei Verbrennungsmotoren auf die Verbrauchsoptimierung von Ottomotoren.
Aufgeladene Ottomotoren mit Direkteinspritzung sind bereits heute in den Modellreihen
fast aller großen PKW-Hersteller im Einsatz und werden zukünftig die bisherigen Triebwerke
vollständig ersetzen. Wie beim Dieselmotor wird auch der verbrauchsoptimierte Ottomotor
höhere Anforderungen an Werkstoffe, Kühlkonzepte und Komponentenzuverlässigkeit
stellen als bisher. Schlüsseltechnologien werden Werkstoffe sein, die die extremen brennraumseitigen
Bedingungen aushalten, sowie kleine und kompakte Turbolader, denen analog
zur Entwicklung des Segments Aufgeladene Benzin-Direkteinspritzer weltweit ein Wachstum
von 40% bis 2013 vorausgesagt wird. Entsprechend investieren derzeit deutsche und internationale
Systemlieferanten massiv in den Ausbau ihrer Turbolader-Fertigung, um die erwartete
Nachfrage in Europa und in den Wachstumsmärkten in Asien zu befriedigen [TRE08].
Noch 2006 war das emissionsarme Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb erklärtes langfristiges
Ziel der Automobilhersteller. Hierzu existieren unterschiedliche Konzepte mit Verbrennungsmotoren
oder mit Elektromotoren in Kombination mit Brennstoffzellen, die bereits erfolgreich
in Forschungsfahrzeugen, Prototypen, Kleinst- (Mazda RX-8 Hydrogen RE) und Kleinserien
(BMW Hydrogen 7) umgesetzt wurden. Größtes Hindernis ist neben den Problemen bei der
Wasserstoffspeicherung das Fehlen einer ausreichenden Wasserstoff-Infrastruktur und effizienter
Versorgungskonzepte. Voraussetzung für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft ist
das Vorhandensein und die weitere Erschließung regenerativer Energiequellen (z.B. in Form
von Windkraft, Solarthermie, Gezeitenkraftwerken), die eine CO2-neutrale und kernkraftfreie
Wasserstoffproduktion ermöglichen. Selbst beim derzeitigen Tempo des Ausbaus der Energieerzeugung
aus erneuerbaren Energiequellen ist eine wesentliche Veränderung der Ausgangssituation
für die flächendeckende Versorgung mit nachhaltig erzeugtem Wasserstoff
nicht vor 2020 zu erwarten. Im Rahmen ihrer Kraftstoffstrategie will die deutsche Bundesregierung
bis 2016 500 Mio. Euro in Form eines nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff-
und Brennstoffzellenwirtschaft bereitstellen, um anwendungsorientierte Forschungsund
Entwicklungsaktivitäten im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie sowie
27

entsprechende Demonstrationsvorhaben zu fördern. Das Innovationsprogramm soll den ersten
Schritt auf einer strategischen Roadmap darstellen, deren langfristiges Ziel der Aufbau
einer funktionierenden europäischen Wasserstoffwirtschaft bis 2050 ist. Probleme bestehen
derzeit vor allem bei der Wasserstoffbereitstellung, die mit einem Elektrolysewirkungsgrad
von ca. 70% nur mit regenerativen Energiequellen wirtschaftlich und ökologisch vertretbar
ist. Kombiniert mit dem Wirkungsgrad eines Wasserstoffverbrennungsmotors ergäbe sich ein
im Vergleich zu anderen Fortbewegungskonzepten deutlich geringerer Gesamtwirkungsgrad
von lediglich etwas über 30%, beim Brennstoffzellenfahrzeug sogar noch darunter [WIK01],
Abbildung 1-7.
Abbildung 1-7: Rahmenvorschlag der Bundesregierung für eine strategische Marschroute
zur einer europäischen Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft [BMBF,
BMWi 2006]
Beim Wasserstoffverbrennungsmotor existiert derzeit eine Reihe technischer Probleme,
die eine grundlegende Überarbeitung der bestehenden Motorenkonzepte insbesondere hinsichtlich
der verwendeten Werkstoffe in Brennraumnähe erforderlich machen (Abbildung
1-8). Von einigen Herstellern wurde aufgrund der besseren Steuerung des Verbrennungsprozesses
bereits eine Renaissance des Wankelmotors für den Wasserstoffverbrennungsmotor
vorausgesagt (aktuell im Mazda RX-8 Hydrogen RE in Anwendung). Vorteile gegenüber
dem Ottomotor bestehen hinsichtlich der Emissionen und des Motorwirkungsgrads, der
mit ca. 45% deutlich über dem Wirkungsgrad aktueller Otto- und Dieselmotoren liegt. Ge-
28

genüber dem Brennstoffzellenantrieb wird dem Wasserstoffverbrennungsmotor zudem eine
bessere Fahrdynamik bescheinigt.
Abbildung 1-8: Komponenten eines Wasserstoffverbrennungsantriebs für PKW [BMW
AG]
Aufgrund des unerreichten Wirkungsgrads von Elektromotoren (ca. 80-90%), der verschiedenen
Möglichkeiten der Energierückgewinnung sowie der Tatsache, dass sich reine Elektroantriebe
durch ihre Emissions- und Geräuscharmut auszeichnen, hat das Elektroauto im
Zuge der Klimadebatte stark profitiert.
Der Einsatz von Elektromotoren in Fahrzeugen mit Hybridantrieb (Hybridelektrofahrzeug)
stellt die derzeit technisch ausgereifteste Lösung dar. Zukünftige Entwicklungen im Bereich
alternativer Antriebsaggregate werden mittelfristig eine Erhöhung des Anteils von hybriden
Antriebskonzepten einschließen, die derzeit bereits sowohl im PKW-Bereich als auch im
NFZ-Bereich (z.B. bei Omnibussen) zunehmende Bedeutung erlangen. Studien bescheinigen
dem Hybridantrieb einen Anteil von über 6 % am weltweiten PKW-Absatz bis 2012 und
für den US-amerikanischen Markt sogar bis zu 50% im Jahr 2022 [BAS07]. Das Thema
Leichtbau hat beim Hybridelektrofahrzeug eine besondere Bedeutung, da eine Kompensation
bzw. Begrenzung des Gewichts der für die Energieumwandlung, -übertragung, -
speicherung, Antriebssteuerung sowie für die Kraftübertragung und Elektromotor(en) erfor-
29

derlichen Komponenten notwendig ist, um die Vorzüge dieser Antriebsvariante voll auszunutzen.
Allein Batterie (NiMH) und Energiewandler wiegen beim Toyota Prius II zusammen
rund 100 kg, zusammen mit dem Gewicht des Elektromotors ergeben sich leicht 150 bis 200
kg Mehrgewicht für den zusätzlichen Elektroantrieb, die an anderer Stelle kompensiert werden
müssen.
Reine Elektrofahrzeuge ohne Verbrennungsmotor galten noch vor kurzem als Utopie, da es
an der Speicherkapazität für die elektrische Energie mangelte, um Reichweiten von mehr als
100 km zu überbrücken. Hybridkonzepte, die auf der IAA 2007 präsentiert wurden, konnten
mit Antriebsleistungen von bis zu 150 kW und einer Reichweite von lediglich 30 km im reinen
Elektrobetrieb aufwarten [VOL07]. Bereits 2009 wurden auf dem Genfer Automobilsalon
Elektrofahrzeuge mit deutlich höheren Reichweiten präsentiert. Entwicklungsengpass ist
weiterhin die Zwischenspeicherung der rückgewonnenen Antriebsenergie. Im Oktober 2009
knackte ein in Serie hergestelltes Elektrofahrzeug erstmals die 500 km-Marke.
Abbildung 1-9: Im Oktober 2009 erreichte der Australier Simon Hackett mit einem rein
elektrisch betriebenen Fahrzeug erstmals eine Reichweite von 501 km im Rahmen des
Wettbewerbs „Global Green Challenge“ [Tesla Motors]
Mit dem klaren Ja der europäischen und amerikanischen Regierungen zur Elektromobilität
und der Forcierung der Entwicklungsanstrengungen seitens der OEM und der Zulieferer hat
sich die Batterietechnik für Elektrofahrzeuge quasi im Zeitraffer weiterentwickelt, so dass
30

heute Reichweiten von 500 km und Ladezeiten von nur noch wenigen Minuten auch ohne
kraftstoffbetriebene Range Extender 1 in greifbare Nähe gerückt sind. Fast alle internationalen
Automobilhersteller haben inzwischen für die kommenden Jahre die Einführung von Vollelektrofahrzeugen
für den Massenmarkt angekündigt. VW und Mercedes wollen spätestens
ab 2010 mit batteriebetriebenen Elektroversionen ihrer Modelle auf den deutschen Markt,
BMW startet bereits 2009 in den USA mit der Erprobung des Mini E im Straßenverkehr mehrerer
Großstädte, 2011 will dann auch die deutsche GM-Tochter Opel das in den USA entwickelte
Elektromobil „Volt“ auf den deutschen Markt bringen, allerdings mit nur 60 km Reichweite
im rein elektrischen Betriebsmodus.
Mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, der auf der Strategiekonferenz der
Bundesregierung im November 2008 gemeinsam mit Vertretern der Industrie beschlossen
wurde, sind die Weichen grundlegend umgestellt worden. Bis 2020 will die Bundesregierung
insgesamt 500 Mio. € an Fördergeldern und Steuererleichterungen in Forschung, Entwicklung
und Vertrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen investieren und rd. 1 Mio. Elektrofahrzeuge
auf bundesdeutsche Straßen bringen [BMWI09]. Schon jetzt wird die Entwicklung leistungsfähiger
Li-Ionen-Batterien, die gegenüber Nickel-Metallhybrid-(NiMH-)Batterien auf eine
fast doppelt so hohe Leistungsdichte kommen, mit 60 Mio. € gefördert. Erklärtes Ziel der
Bundesregierung ist es, bis zum Jahr 2020 auf über eine Million zugelassener Elektrofahrzeuge
zu kommen [ELE08]. Der Energiebedarf der Elektroautos soll über regenerative Energieträger
wie Wind- und Wasserkraft oder über billigeren Nachtstrom gedeckt werden, wobei
die Ladestationen zugleich als Puffer für das Energienetz in Zeiträumen mit niedriger Stromnachfrage
dienen sollen. Bei zwei Millionen Elektroautos mit einer mittelstarken Motorisierung
rechnen Vertreter der Stromwirtschaft mit einer Erhöhung des Strombedarfs um nicht
mehr als ein bis zwei Prozent.
Experten des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe
rechnen mit mindestens acht Mio. Elektro- und Hybridfahrzeugenfahrzeugen, die im Jahr
2050 auf deutschen Straßen rollen, in einem optimistischeren Szenario sogar von bis zu 45
Mio. Fahrzeugen, welches eine weitgehende Verdrängung des Verbrennungsmotors als Antriebsaggregat
in PKW bedeuten würde [ISI08]. Diese Auffassung bestätigt auch Ferdinand
Dudenhöffer vom Center of Automotive Research (CAR) der FH Gelsenkirchen. Er hält in
einer noch unveröffentlichten Studie die Ablösung des Verbrennungsmotors als alleiniges
Antriebsaggregat bei PKW bis zum Jahre 2025 für möglich [AFP08]. Für die Gießereiindustrie
würde ein Einbruch bei der Fertigung von Motorenkomponenten spürbare Folgen haben:
Bei durchschnittlich 60 bis 80 kg Guss im Bereich des Motors und der Motorumgebung hängen
mehr als 800 Mio. € oder rund 6 % des Umsatzes mit Metallgussteilen direkt vom Ge-
1 Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor zum Wiederaufladen des Akkus während der Fahrt
31

schäft mit Verbrennungsmotoren für PKW ab. Der Zusatzbedarf an Gussteilen für Hybridfahrzeuge
umschließt Gehäuse für Energiewandler und Elektromotoren sowie Halter, Gehäuse
und Arretierungskomponenten für die Akkuzellen (Abbildung 1-10). Aufgrund des
hohen Batteriegewichts, welches bis zu einem Drittel des Gesamtfahrzeuggewichts ausmachen
kann und durch Gewichtseinsparungen an anderer Stelle kompensiert werden muss, ist
mit einem insgesamt geringeren Gewichtsanteil an Gusskomponenten in Elektrofahrzeugen
auszugehen.
Abbildung 1-10: Inverter für Toyota Prius Gen. II (links) und III (rechts) mit druckgegossenem
Gehäuse, [GreenCarCongress]
Auch wenn für die Nutzfahrzeugbranche eine flächendeckende Einführung von Hybridoder
Vollelektroantrieben auf absehbare Zeit nicht als sinnvoll erachtet wird, so werden auch
hier Zwänge zur Gewichtseinsparung, zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads und zum
Downsizing deutlicher zu Tage treten. Prinzipiell greifen hier dieselben Maßnahmen wie bei
der Verbrauchsoptimierung von PKW, wenngleich die Einsparpotenziale aufgrund der höheren
Komponentengewichte und Laufleistungen hier deutlich höher ausfallen. Mittelfristig erklärtes
Ziel der Hersteller sind Einspritzdrücke bis 3000 bar und eine verbesserte Abgasnachbehandlung
mit Hilfe von SCR-Katalysatoren, Abgasrückführung (AGR) oder kombinierten
Systemen zur Reduzierung des NOx-Ausstoßes, um die schärferen EU-Grenzwerte zu
erreichen.
32

1.4.2 Maschinen- und Anlagenbau
Der deutsche Maschinen- und Anlagenbau ist wie die Automobilindustrie stark exportabhängig.
77,2 % des Umsatzes von insgesamt rund 167 Mrd. € wurden 2006 im Ausland erbracht,
davon knapp zwei Drittel in Europa, 22% in Asien und 15% in Amerika, wobei sich die Exportanteile
in den letzten drei Jahren kaum verändert haben.
Als wichtige gussintensive Maschinen- und Anlagenbausparten sind folgende Abnehmerzweige
anzusehen:
� Antriebs- und Energietechnik (Windkraft, Großdieselmotoren, Kraftwerkskomponenten)
� Werkzeugmaschinen
� Maschinen für die Aufbereitungs- und Explorationstechnik (Bergbau, Ölförderung)
� Textilmaschinen
� Gebäude- und Industrie-Armaturen
� Maschinen für die Gummi- und Kunststoffindustrie
� Holzbe- und Verarbeitungsmaschinen
� Papierherstellungs-, Verarbeitungs- und Druckmaschinen
� Kompressoren und Pumpen
� Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen
� Maschinen für die Agrartechnik
� Maschinen für die Hütten- und Gießereitechnik
Zusammen nahmen die verschiedenen Sparten des Maschinen- und Anlagenbaus in 2007
(letzte verfügbare Daten) 24% der Gesamtproduktion von Gussteilen aus Eisengusswerkstoffen
ab. Dies entspricht einer Tonnage von 1,15 Mio. t Eisenguss. Für den NE-Metall-
Bereich dürfte der Anteil bei unter 10% oder 100.000 t liegen. Diese Daten beruhen auf einer
Schätzung, da statistische Daten nur unvollständig erhoben werden.
In der Vergangenheit genoss das Thema Leichtbau im Maschinen- und Anlagenbau wenn
überhaupt nur einen untergeordneten Stellenwert. Durch die Verteuerung von Energie sowie
politische Vorgaben wie die EU-Ökodesign-Richtlinie und das Gesetz über die umweltgerechte
Gestaltung energiebetriebener Produkte (EBPG) wächst der Druck auf die Maschi-
33

nen- und Anlagenhersteller, die Energieeffizienz ihrer Produkte an den Stand der Technik
anzupassen.
Somit dürfen in Zukunft nur Produkte, die die Anforderungen der EU erfüllen, mit einer CE-
Kennzeichnung versehen und in den Umlauf gebracht werden [BMW09]. Die neueste Generation
von CAE-Entwicklungstools bietet bereits entsprechende Werkzeuge zur ökologischen
Bilanzierung und zum Lebenszyklusmanagement geplanter Produkte.
Zurzeit werden folgende Bereiche (Produktlose) im Zuge der Festlegung weiterer Durchführungsmaßnahmen
des EBPG untersucht:
Abbildung 1-11: Ausgewählte Produktgruppen der EU-Komission [EUP09]
Die EU-Kommission legt alle 3 Jahre ein neues Arbeitsprogramm vor, in dem festgelegt wird,
welche Gruppen als nächstes behandelt werden sollen. Sie kann dazu eine Studie zur Erstellung
einer Prioritätenliste beauftragen. Eine solche Prioritätenliste entsteht auf Basis von
Datenanalysen und Akteursbefragungen. Die Kommission wählt dann die Produktgruppen
aus, die tatsächlich behandelt werden. Derzeit werden für 20 Produktgruppen Ressourcen
schonende Maßnahmen definiert bzw. ausgearbeitet. Für den Bereich Werkzeugmaschinenbau
werden aktuell Richtlinien erarbeitet.
34

Werkzeugmaschinenindustrie
Der Werkzeugmaschinenbau trug mit einem Umsatz von 14,18 Mrd. Euro in 2008 einen Anteil
von 6,9 % zum Gesamtumsatz des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus bei
[VDMA09]. Mehr als die Hälfte des Umsatzes im Werkzeugmaschinenbau entfallen auf die
Produktsparte “Spanende und abtragende Werkzeuge“, bei denen ein Großteil der Massen
unbeweglich ist. Hier verfolgen Leichtbauansätze in der Regel das Ziel einer Kostenoptimierung
durch Materialeinsparung. Beispielsweise werden seit einigen Jahren bionische Methoden
für die Optimierung von Großmaschinenbetten genutzt, um strukturell gering beanspruchte
Bauteilbereiche zu verschlanken. Ziel ist ein Optimum von Steifigkeit und Dämpfung
es bei geringst möglichem Materialeinsatz.
Abbildung 1-12: links Topologie-Optimierungsvorschlag, rechts fertige Konstruktion
eines Maschinengehäuses [Heidenreich & Harbeck AG]
Für bewegliche Massen wie z.B. Presswerkzeuge, Roboterarme und mobile Arbeitsmaschinen
spielt Leichtbau eine noch wesentlich größere Rolle. Laut einer Untersuchung des Instituts
für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der TU
Darmstadt machen Stromkosten bis zu 20 % der Lebenszykluskosten von Werkzeugmaschinen
aus [KUT09]. Durch den prognostizierten Preisanstieg am Strommarkt und die EU Energieeffizienzrichtlinie
ist der Druck auf die Hersteller von Werkzeugmaschinen deutlich gestiegen.
Zur Erhöhung der Energieeffizienz wird daher intensiv an Energierückgewinnungssystemen,
Standby-Funktionen und Übersetzungsoptimierung gearbeitet.
Für Anwendungsbereiche mit geringen Lastanforderungen wurden in verschiedenen Forschungsprojekten
Leichtbau-Roboterarme entwickelt, deren Eigengewichts-Nutzlast-
Verhältnis bei unter 1 liegt. Bei diesen Konstruktionen wurden die Metallgehäuse, die typi-
35

scherweise aus Gusseisen mit Kugelgraphit oder Aluminium-Gusswerkstoffen bestehen
durch strukturoptimierte CFK-Gehäuseschalen ersetzt. Zusätzlich wurden die Getriebeübersetzungen
optimiert [MAS06, DEP09, KRO09].
Abbildung 1-13: Leichtbauroboter im Piloteinsatz bei der Hinterachsmontage [Daimler
AG]
Windenergieanlagenbau
Mit ca. 5,5 Mrd. € Umsatz in 2006 befinden sich die Hersteller von Windenergieanlagen in
Deutschland auch weiterhin auf Wachstumskurs. Die Exportquote lag 2006 bei 75%. Bis
2010 wird aufgrund des massiven weltweiten Ausbaus von Windenergieanlagen mit einer
Verdopplung des Umsatzes auf über 10 Mrd. € gerechnet, wovon 87% auf das Ausland bezogen
sind.
In 2007 wurden in Deutschland 883 Windenergieanlagen mit einer durchschnittlichen Leistung
von 2 MW neu installiert, was einen Gesamtzubau von 1.668 MW Windleistung ergibt
[DEW08]. Hingegen wurden in 2007 lediglich 108 MW in Repowering-Projekte investiert
[HSH08]. Geht man hierbei entsprechend der Veränderung der Anlagengröße von einer
Durchschnittsleistung von 2-3 MW pro Anlage aus, so resultiert daraus ein Umfang von nur
wenigen dutzend Anlagen, die durch Repowering in Deutschland jährlich errichtet werden
(Abbildung 1-14).
36

Abbildung 1-14: Prognose der Windenergieentwicklung in Deutschland bis 2020 (neuinstallierte
Leistung) [DEN08]
In einer typischen Windkraftanlage mit 2 MW Leistung sind gut ein Dutzend Gussteile mit
einem Gesamtgewicht von ca. 30 bis 40 t verbaut (ca. 20 t Guss pro MW Spitzenleistung).
Bei einem angenommenen Verkaufspreis von 1500 bis 2000 € pro t GJS oder Stahlguss
betrug der Umsatz mit Gussteilen für den inländischen Windkraftmarkt geschätzt zwischen
50 und 67 Mio. € und der Umsatz mit Komponenten für den Export das drei- bis vierfache.
Dies entspricht jedoch lediglich einem Anteil von 1,5 bis 2 % am Gesamtumsatz der deutschen
Gießereien (Abbildung 1-15).
37

Abbildung 1-15: Gusskomponenten in einer Windkraftanlage (Quelle: Bosch Rexroth
AG)
Aufgrund der politischen Zielsetzung der Bundesregierung, den Anteil regenerativer Energiequellen
am Gesamtenergiemix von derzeit 12,5 % auf mindestens 25 % zu verdoppeln,
wird mit einer Verdreifachung der installierten Windleistung in Deutschland bis zum Jahr
2020 gerechnet [HSH08, DEN05].
Deutliche Zuwächse bei der in Deutschland installierten Windleistung sind in den kommenden
Jahren bis 2020 hauptsächlich im Offshore-Bereich (+20.000 MW) und zu einem geringen
Anteil aus Repowering-Projekten (+6.300 MW) und der Neuerrichtung von Onshore-
Anlagen (+5.000 MW) zu erwarten. [DEN05]. Der hierfür geschätzte Umsatz mit Gussteilen
beträgt je nach Entwicklung der mittleren Anlagengröße und Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials
zwischen geschätzten 40 und 100 Mio. €/Jahr allein für den inländischen Markt.
Wenn von einer positiven Entwicklung des Entwicklung des Exportgeschäfts ausgegangen
wird, dürfte der Gesamtumsatz mit Gussteilen für Windenergieanlagen mit zwischen 160 und
400 Mio. € pro Jahr ausmachen.
Insgesamt ist in den nächsten Jahren mit einem moderaten bis guten Zuwachs beim Geschäft
mit Gussteilen für WEA zu rechnen. Da die Errichtung von Windparks zum Großteil
von staatlichen Investitionen getragen wird, ist zudem mit einer stabilen Entwicklung unabhängig
von der jeweiligen Wirtschaftslage zu rechnen. Deutlich beschleunigen wird sich die
Entwicklung jedoch nur, wenn es gelingt, das Bottleneck Netzintegration/Einspeisung/Zwischenspeicherung
mittelfristig aufzuweiten. Daher wird derzeit intensiv an
Zwischenspeicherlösungen geforscht, die von Salzwärmespeichern oder Kältespeichern
38

über Pumpspeicherwerke bis hin zu einer Integration in eine flächendeckende Wasserstoffwirtschaft
reichen [LAN09]. Die Verfügbarkeit von effizienten Zwischenspeicherlösungen wird
daher für den weiteren Ausbau der Windkraft in Europa entscheidend sein.
Allerdings gibt es auch im Bereich Windenergieanlagen starke Bestrebungen der WEA-
Hersteller, zukünftige Anlagen kompakter zu gestalten und damit den Materialeinsatz zu verringern.
Neben Anlagen mit Direktgetriebe wurde vor kurzem eine weitere Bauform vorgestellt,
die als Super-Compact-Drive bezeichnet wird und eine verkürzte Getriebestufe zwischen
Trägerkopf und Gondel schaltet [VDI09]. Aufgrund des zunehmenden Kostendrucks
ist damit zu rechnen, dass sich kompaktere Bauweisen in Zukunft mehr und mehr durchsetzen
werden.
Auf der Leitmesse „HUSUM WindEnergy“ gab es in 2008 einen Zusammenschluss von Gießereien,
die als Zulieferer für die Windenergieanlagenhersteller Gusskomponenten liefern.
Zudem wurde von Seiten der Hersteller der Wunsch geäußert, dass künftige WEA leichter
und wartungsfreundlicher sein müssen. Auf der Werkstoffseite bedeutet dies, dass Anstrengungen
zur Vermeidung von Schadensfällen durch Ermüdung und Witterungseinflüsse verstärkt
werden müssen. Leichtbauforderungen führen bereits heute dazu, dass bei Siemens
Energy Windräder mit direkter Kraftübersetzung erprobt werden. Durch den Wegfall des Getriebes
sollen Gewicht und Wartungsaufwand reduziert werden. Andere Hersteller setzen auf
eine Verbesserung des Wirkungsgrads durch Drehmomentwandler und Planetengetriebe
[LAN08]. Dem gerade bei großen Multi-Megawatt-Anlagen überproportional ansteigenden
Gewicht des Turmkopfes soll durch Leichtbaustrukturen begegnet werden. Ein Gewichtseinsprung
von bis zu 20% durch Strukturoptimierung wird in diesem Bereich als möglich erachtet
[GRO08]. Türme in Holzbauweise sollen künftig nicht nur Gewicht einsparen, sondern
auch Aufwand und Kosten für die Errichtung größerer Anlagen ab 80 m Turmhöhe senken
[VOS08]. Leichtbau durch Einsatz von Aluminium-Gusswerkstoffen und anderen Leichtmetall-Gusswerkstoffen
hat sich hingegen bei den Windenergieanlagenherstellern bisher nicht
durchsetzten können, obwohl der Werkstoff gerade für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen
prädestiniert wäre.
Textilmaschinenbau
Nach Jahren boomenden Exportgeschäfts befand sich der deutsche Textilmaschinenbau
Mitte 2009 in einer schweren Absatzkrise, die als Folge der weltweiten Finanzkrise und dem
drastischen Absatzeinbruch der klassischen Textilnationen entstanden ist. Gleichzeitig finden
die Hersteller von Textilmaschinen neue Absatzmärkte im Bereich technischer Textilien, so
39

z.B. für Faserverbundwerkstoffe, die nicht nur in der Luft- und Raumfahrttechnik, sondern
zunehmend auch in anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Dem Thema Leichtbau
kommt im Textilmaschinenbau kein herausragender Stellenwert zu, dennoch ist Leichtbau
eine von mehreren Möglichkeiten, die Forderungen der EG-Öködesignrichtlinie umzusetzen
und die Energieeffizienz zu steigern.
Antriebstechnik, hydraulische Systeme, Strömungsmaschinen
Die Bereiche Antriebstechnik, hydraulische Systeme und (inklusive Strömungsmaschinen für
die Luft- und Raumfahrt) des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus wiesen nach fünf Jahren
kontinuierlichen Wachstums im Jahr 2007 einen Umsatz von insgesamt 22 Mrd. Euro
aus. Rund zwei Drittel des Umsatzes basierte auf Exporten, wobei die Sparte Antriebstechnik
tendenziell stärker exportabhängig ist [VDM08a]. Im Fokus der Entwicklungsanstrengungen
steht vor allem das Thema Energieeffizienz, zu dem der Fachverband Antriebs- und
Fluidtechnik des VDMA einen Maßnahmenkatalog entwickelt hat, der Maßnahmen wie Minimierung
von Reibungs- und Drosselverlusten, Bremsenergierückgewinnung, stufenlose
Drehzahlregelung, Drehzahlreduzierungskonzepte bei Antriebsmotoren und Hybridantriebssysteme
enthält [VDM08b]. Wie bei allen Maschinen und Anlagen, in denen es zu zyklisch
auftretenden Beschleunigungs- und Bremsvorgängen kommt, ist auch die Reduktion der
bewegten Massen ein wichtiger Lösungsansatz. Überall dort, wo Antriebssysteme in mobilen
Systemen eingesetzt werden, spielt auch das Gesamtgewicht des Antriebs eine Rolle, welches
z.B. durch Verringerung der Gehäusewanddicken oder Substitution durch leichtere
Werkstoffe reduziert werden kann.
1.4.3 Luft- und Raumfahrt
Wichtigste Trends: - Emissionsminderung
- Alternative Antriebe (E-Flight-Expo, Wasserstoffantrieb)
- Lärmminderung
- Erhöhung der Reisegeschwindigkeit bei Helikoptern
- Leichtbauwerkstoffe (AlLi- und Ti-Legierungen, CFK)
Auch wenn der Anteil an Gussprodukten, die für den Bereich Luft- und Raumfahrt hergestellt
werden verschwindend gering ist, lohnt sich ein Blick auf diese Branche, die seit jeher unter
dem stärksten Druck steht, Leichtbau zu betreiben und daher traditionell als Innovationsmotor
für Leichtbauanwendungen im Automobilbau und anderen Industriezweigen fungiert.
40

Trends die hier gesetzt werden, werden heute schneller denn je in die nächsten Generationen
von Personenkraftwagen, Produktionsanlagen oder Konsumgütern übernommen.
Mit der Verabschiedung der „Richtlinie zur Einbeziehung des Luftverkehrs in das EU-
Emissionshandelssystem“ durch das Europäische Parlament und den Europarat im Juli 2008
wurde die Teilnahme aller Luftfahrtgesellschaften, die auf Flughäfen innerhalb Europas starten
oder landen am EU-Emissionshandelssystem von 2012 an obligatorisch. Die Richtlinie
sieht ein Reduktionsziel für den Ausstoß von Kohlendioxid, Stickoxiden, Wasserdampf sowie
Sulfat- und Rußpartikeln der gewerblichen Luftfahrt von zunächst 3% gegenüber den Durchschnittswerten
von 2004 bis 2006 für das Jahr 2012 und ab 2013 von 5% vor. Obwohl zunächst
85% der Zertifikate zur kostenlosen Verteilung vorgesehen sind, beziffern Kritiker die
Mehrkosten für die Luftfahrtgesellschaften auf 15 Mrd. €, von denen die Gesellschaften zunächst
beabsichtigen, sie an die Kunden weiterzugeben. Die EU hofft, dass durch die Umsetzung
der Richtlinie bis Ende 2009 mittelfristig ein Wettbewerb um die effizientesten Antriebstechnologien
in der zivilen Luftfahrt und damit um die niedrigsten Kosten und Ticketpreise
in Gang gebracht wird und hofft auf Investitionen in grüne Technologien wie Getriebe-
Fans (Geared Turbofans), regenerative Treibstoffe oder Brennstoffzellen als Zusatzenergiequellen
für die Bordstromversorgung. Gleichzeitig arbeitet sie daran, ein weltweites Emissionshandelsabkommen
für die Luftfahrt zu erreichen.
Dass die derzeitig vereinbarten Einsparziele nur der Anfang sein können, wird selbst von
Vertretern der Luftfahrtindustrie offen zugegeben. Um den Treibhauseffekt zu stoppen und
den Temperaturanstieg auf der Erdoberfläche auf im Mittel 2°C zu begrenzen, müssten die
Emissionen der kommerziellen Luftfahrt weltweit bis 2020 um 50% gesenkt werden. Dieses
Ziel hat sich die Luftfahrtindustrie selbst gesetzt, und eine Umsetzung scheint dringend nötig
angesichts des erwarteten Flottenausbaus von derzeit 14.000 auf 25.000 Verkehrsflugzeuge
im Jahr 2020. Der International Air Travel Association (IATA) fordert daher sogar, bis 2050
gänzlich emissionsfreie Technologien zur Marktreife zu entwickeln. [JOH08]
Die Technologien hierfür liegen heute bereits in den Schubladen der NASA, wo intensiv an
Hochtemperatur-Supraleiter-(HTS-)Triebwerken geforscht wird. Diese Elektrotriebwerke auf
Basis von Kupferoxid-Verbindungen weisen einen extrem hohen Wirkungsgrad auf und
könnten in Kombination mit einer Wasserstoffturbine oder Brennstoffzellen emissionsfrei mit
Energie versorgt werden. [DIL07]
Auch von Seiten der Airlines werden die Forderungen nach „sauberen“ Technologien lauter.
So stellte EasyJet kürzlich sein Konzept für die übernächste Generation von kleinen Passagierflugzeugen
vor, deren CO2-Ausstoß nur noch die Hälfte der heute aktuellsten und sau-
41

ersten Verkehrsflugzeuge betragen soll. Pro Fluggast sollen die CO2-Emissionen für einen
Mittelstreckenflug mit 47 g/km noch nicht einmal halb so hoch liegen wie bei der Benutzung
eines Hybridelektroautos. Das Konzept setzt dabei auf eine Verbrauchsenkung durch den
Einsatz von offenen Heckrotoren (-25%), Strömungsoptimierung (-10%) und Leichtbauweise
(-15%), (Abbildung 1-16).
Abbildung 1-16: Als EcoJet getauftes Konzept für zukünftige Passagiermaschinen, die
nur noch halb so viel CO2 emittieren sollen wie heutige Verkehrsflugzeuge. [EasyJet]
Besondere Hoffnungen hinsichtlich der Emissions- und Verbrauchsminderung ruhen derzeit
auf dem von Pratt & Whitney und der deutschen MTU Aero Engines gemeinsam entwickelten
Getriebefan, einem modifizierten Strahltriebwerk, bei dem durch ein Untersetzungsgetriebe
die Antriebswellen von Fan und Niederdruckturbine oder von zwei gegenläufigen Fans
unabhängig voneinander im jeweils optimalen Drehzahlbereich betrieben werden können.
Durch diese Maßnahme benötigt das Triebwerk laut Angaben des Herstellers für eine vergleichbare
Leistung rund 15% weniger Treibstoff als die heutigen Triebwerke, in Kombination
mit einem Wärmetauscher, der die Abgaswärme zur Vorwärmung der Verbrennungswärme
nutzt, sogar noch mehr. Diese neu entwickelten Triebwerke werden derzeit im Betrieb mit
Passagierflugzeugen getestet und werden von verschiedenen Herstellern bereits fest in die
Planung der nächsten Flugzeuggeneration integriert (Lufthansa, Mitsubishi MRJ70/MRJ90,
Bombardier CS100/300). [u. a. REU08]
Für die eingesetzten Bauteile (im Bereich der Turbine überwiegend Gusswerkstoffe) bedeutet
dies eine weiter steigende Belastung, da die Turbinenwelle mit ungefähr doppelt so hoher
42

Drehzahl arbeitet wie bei einem herkömmlichen Strahltriebwerk. Daher werden auch hier
zunehmend Hochleistungswerkstoffe wie Titanaluminid Bedeutung erlangen, die in der Lage
sind, den hohen auftretenden Temperaturen und Drücken standzuhalten. Die heute standardmäßig
verwendeten Nickellegierungen werden jedoch auch weiterhin auf absehbare Zeit
kaum an Bedeutung verlieren. Mittelfristig wird der Titananteil im Bereich Passagiermaschinen
weiter zunehmen, insbesondere wenn es gelingt, die Herstellungskosten für das Leichtmetall
zu reduzieren. In der aktuellen Flugzeuggeneration beträgt der Titananteil bereits rund
20% [HAU08], (Abbildung 1-17).
Abbildung 1-17: Getriebefans (Geared
Turbofan) sollen bis zu 20% weniger CO2
und 50% weniger Stickoxide emittieren –
und dabei gleichzeitig kostengünstiger im
Betrieb sein als herkömmliche Flugzeugturbinen.
[Pratt & Whitney, USA]
Abbildung 1-18: Aufbau eines GTF: Im
Gegensatz zu einem normalen Strahltriebwerk
ist ein Getriebefan mit einem
zusätzlichen Untersetzungsgetriebe (2)
zwischen der Welle für den Fan (1) und
der Welle der Niederdruckturbine ausgestattet.
[WIK09]
In der Triebwerksentwicklung werden neue, unkonventionelle Maßnahmen erprobt wie die
Verkürzung der Turbine durch eine Reduzierung der Verdichterstufen, was zu einer geringeren
Masse führt. CFK-Werkstoffe für Fanschaufeln in Hohlstruktur-Bauweise erobern Bereiche
mit geringer Temperaturbeanspruchung, die bisher den metallischen Konstruktionswerkstoffen
vorbehalten war [JOH08]. Bei Raketentriebwerken werden aktuell kohlefaserverstärkte
Kohlenstoff- und Keramikwerkstoffe ebenso erprobt wie oxidfaserverstärkte Aluminiumoxid-Materialien,
die aufgrund ihres Potenzials zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen
schon in wenigen Jahren großflächig zum Einsatz kommen könnten. [VOG08]
43

Bei einigen Herstellern ist eine Rückkehr zu Turboproptriebwerken und Kolbenmotoren bei
Regionalverkehrsflugzeugen aufgrund der günstigeren Treibstoffverbräuche im Vergleich zu
Strahltriebwerken zu beobachten.
Ein weiterer Entwicklungsfokus im Bereich der alternativen Antriebstechnologien liegt derzeit
auf der Elektrifizierung des Antriebs von Ultraleicht- und Kleinflugzeugen mit Hilfe von
Brennstoffzellen. So wurde von Boeing im April 2008 das wasserstoffbetriebene Versuchflugzeug
„Dimona“ erfolgreich getestet, das nur von einer Brennstoffzelle angetrieben wird.
Auf der Aero Friedrichshafen, der zweitgrößten deutschen Luftfahrtmesse, fand in diesem
Jahr zum ersten Mal auch eine sogenannte „E-Flight-Expo“ statt, die das Interesse der Flugzeughersteller
und –kunden an elektrischen Antrieben aufgreift. Dort wurden weitere Elektroflugzeug-Prototypen
vorgestellt, die u. a. von den Universitäten Stuttgart und Turin entwickelt
wurden [AER08]. Auch auf der ILA 2008 in Berlin wurden Brennstoffzellenanwendungen der
beiden großen Flugzeughersteller Airbus und Boeing vorgestellt. Während Airbus einen
Brennstoffzelleneinsatz nur für die Bordnetzversorgung von Passagiermaschinen vorsieht,
forschen Boeing und Diamond Aircraft gemeinsam an wasserstoffbasierten Antrieben für
Kleinflugzeuge [ILA08], (Abbildung 1-19). Eine Ablösung der bei Passagiermaschinen üblichen
Strahltriebwerke durch elektrische Antriebe wird von beiden Herstellern aber derzeit
nicht angestrebt.
Abbildung 1-19: Das Versuchsflugzeug „Dimona“ von Boeing wird von einer 20 kW-
Brennstoffzelle angetrieben und emittiert lediglich Wasserdampf [BOE07]
44

Der bei der Neuvorstellung des A380 einst hoch gelobte Aluminium-Glasfaser-
Verbundwerkstoff GLARE musste in der nachfolgenden Flugzeuggeneration A350 zu Gunsten
von Aluminium-Lithium-Blechen weichen, um eine sicherere Detektion von Schäden am
Rumpf zu gewährleisten. Boeing verwendet an dieser Stelle CFK-Werkstoffe. Grundsätzlich
ist ein Anstieg des CFK-Anteils auf knapp die Hälfte des Leergewichts eines Passagierflugzeugs
in den nächsten Jahren nicht mehr undenkbar.
Wie andere Branchen befindet sich auch die globale Luft- und Raumfahrtindustrie derzeit im
Schatten der Finanzkrise und verzeichnet drastische Einbrüche bei den Passagierzahlen.
Andererseits wird für die nächsten zehn Jahre mit einer Verdoppelung des Luftverkehrsaufkommens
gerechnet. Dies ist nur durch einen dramatischen Flottenausbau zu erreichen, der
den Fluggesellschaften die Möglichkeit gibt, in neue emissionsarme Technologien zu investieren
und hierdurch umgekehrt auch einen starken Anreiz zu weiteren Innovationen zur
Emissionsminderung zu geben. Werkstoffinnovationen sind hierbei ein zentraler Aspekt, der
auch von den Flugzeugherstellern als Schlüsselfaktor für Gewichtseinsparungen und Emissionsminderung
angesehen wird. Seit 2008 veranstalten führende Forschungsinstitute wie
das DLR, DGLR, BDLI und CEAS zusammen mit dem VDI die jährlich stattfindende European
Conference on Materials and Structures in Aerospace (EUCOMAS, www.eucomas.eu),
die sich allein dem Thema Werkstoffentwicklungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
widmet. Aufgrund des aufwändigen Zertifizierungsprozesses für rotierende Bauteile, der
bis zu fünf Jahre und mehr in Anspruch nehmen kann, wird es nicht von heute auf morgen zu
einen Revolution in der Luftfahrt kommen, sondern zu einem stetigen Verbesserungsprozess,
an dessen Ende irgendwann das emissionsfreie Luftfahrzeug stehen wird.
1.5 Mögliche zukünftige Abnehmerbranchen
Gezeitenkraftwerke / Strömungskraftwerke
Wasserkraft ist eine der ältesten Energiequellen der Menschheit. Lange vor dem Zeitalter
von Dampfmaschine und Elektrizität wurde die Bewegungs- und Lageenergie von Flüssen
und Bächen für den Antrieb von Mühlen, Schmiedewerkzeugen und Pumpen genutzt. Die
Idee der Nutzung der in den Weltmeeren enthaltenen Strömungs- und Lageenergie (Tidenhub)
ist hingegen vergleichsweise neu. Frühe Gezeitenkraftwerke wie das in den 1960er
Jahren errichtete 240 MW-Strömungskraftwerk in der Rance-Mündung bei Saint-Malo in
Frankreich nutzen die durch Anstauung und Ablassen des Tidenhubs hinter einer Staumauer
verursachte Strömung zum Antrieb von Röhrenturbinen. Aufgrund von Umwelt- und Kor-
45

osionsproblemen und vor allem der begrenzten Zahl geeigneter Standorte (weltweit ca. 100)
hat sich diese Bauweise jedoch nicht durchsetzen können.
Beflügelt durch den raschen technischen Fortschritt bei Windenergieanlagen konzentrieren
sich die Entwicklungsanstrengungen daher aktuell auf Rotor- oder Doppelrotortürme, die seit
einigen Jahren (SeaFlow seit 2003, SeaGen seit 2008) in Form von Pilotanlagen getestet
werden, jedoch bisher nicht an das Energienetz angeschlossen sind. Bei SeaFlow kam ein
einzelner Rotor mit 11 m Durchmesser in Kombination mit einer Axialturbine mit knapp 300
kW effektiver Leistung zum Einsatz, bei SeaGen betrug der Durchmesser der beiden jeweils
27 t schweren Rotoren je 17 m bei einer Spitzenleistung von insgesamt 1,2 MW. Beide Anlagen
wurden vor der britischen Küste unter Beteiligung der Universität Kassel als Pilotanlagen
realisiert, für den Zeitraum von 2009-2011 ist die Errichtung eines ersten kommerziellen Anlagenparks
mit 20 MW Leistung vorgesehen.
Abbildung 1-20: Projektzeichnung eines mit Doppelturbinen ausgestatteten Gezeitenkraftwerks
„Seaflow“ [Universität Kassel]
Studien zufolge besteht allein für die küstennahen Gebiete in Europa ein Potenzial von 31-58
TWh/a [MEY]. Weltweit wird das Potenzial allein für die Nutzung der Strömungsenergie auf
800 TWh/a geschätzt, das entspräche beim derzeitigen Stand der Technik einem Markt von
mehr als 1,5 Mrd. Gezeitenturbinen. Dabei ist die Strömungsenergie nur eine mögliche Nut-
46

zungsart der in den Weltmeeren verborgenen Energiereserven. Zusammen mit Salzkraft
(Osmosekraftwerk), Wellenkraft und Niedertemperatur-Dampfkraftwerken könnten Schätzungen
zufolge jährlich 5000 TWh Strom aus Meereskraft regenerativ erzeugt werden, was
rund einem Drittel des jährlichen Weltstrombedarfs entspräche [BAR06].
Wellenkraftwerke
Wellenkraftwerke stellen die ergänzende Option zu den unter Wasser befindlichen Strömungskraftwerken
dar und eignen sich, da sie strömungsunabhängig arbeiten, auch für
Standorte mit Strömungsgeschwindigkeiten unter 2,5 m/s, die für eine wirtschaftliche Energienutzung
der Strömungskraft nicht mehr in Frage kommen. Ein Wellenkraftwerk nutzt entweder
die Sog- und Verdrängungswirkung des in eine luftgefüllte Kammer ein- und ausströmenden
Wassers, um eine Windturbine am Luftdurchlass anzutreiben (Luftkammer- oder
OWC-Bauweise, Abbildung 1-21), oder es basiert auf der Umwandlung von Bewegungsenergie
der Wellen in Lageenergie beim Hinaufrollen über eine Rampe in ein Speicherreservoir.
Von dort aus wird das gespeicherte Wasser durch Hydroturbinen wieder zurück auf
Meeresspiegelniveau geleitet (Abbildung 1-22).
Abbildung 1-21: Prototyp „Limpet“eines 500 kW-Wellenkraftwerks auf der schottischen
Insel Islay, demnächst sollen weitere Kraftwerke auch an der deutschen Nordseeküste
folgen [AR06].
Während bei der Luftkammer- oder OWC-(Oscillating Water Column) Bauweise zur Kompensation
der diskontinuierlichen Wellenbewegung Ausgleichsmaßnahmen (z.B. Schwungräder)
erforderlich sind, ist bei Wellenkraftwerken in Rampenbauweise prinzipiell ein kontinuierlicher
Betrieb möglich, so lange die Dünung stark genug ist. Wellenkraftwerke in Rampenbauweise
sind darüber hinaus gezeitenunabhängig, während die fest an der Küste installier-
47

ten Luftkammer-Wellenkraftanlagen nur an Standorten mit geringem Tidenhub gezeitenunabhängig
betrieben werden können. Denkbar wäre jedoch auch die Option, diese Anlagen
als Schwimmkörper zu konstruieren und z.B. wie bei SeaFlow an einem Turm zu befestigen
oder als kombiniertes Strömungs- und Wellenkraftwerk auszuführen.
Abbildung 1-22: Prinzip eines Offshore-Wellenkraftwerks Typ „WaveDragon“ nach
dem Rampenprinzip. In den nächsten Jahren sollen erste Arrays mit dieser Technologie
im Multi-Megawatt-Bereich realisiert werden. [WAVE DRAGON]
Derzeit sind lediglich nicht-kommerziell betriebene Pilotanlagen mit geringer Leistung in Betrieb
(Voith Siemens Islay-WKW: 500 kW-Nennleistung - die Anlage erzeugt aufgrund von
Planungsfehlern jedoch nur ein Bruchteil der geplanten Leistung, Wave Dragon Nissum
Brending WKW: 20 kW). Es existieren jedoch konkrete Pläne für Offshore-WKW in Rampenbauweise
mit bis zu 35 GWh Jahresleistung. In Mutriku an der spanischen Atlantikküste wird
derzeit ein 300 kW-WKW in Luftkammerbauweise errichtet, welches 250 Haushalte mit
Strom versorgen soll.
48

Abbildung 1-23: Prinzip eines Wellenkraftwerks in Luftkammerbauweise. Die durch
das einströmende Wasser verdrängte Luft treibt eine Turbine an. [Voith Siemens
Hydro Power]
Es ist derzeit schwer abzuschätzen, in wieweit die Gießereiindustrie von der Entwicklung der
Meeresenergienutzung profitieren wird. Sicherlich werden vorrangig diejenigen Zulieferer
profitieren, die derzeit bereits Gussteile für Windkraftanlagen und andere Strömungsmaschinen
herstellen. Aber auch für Rohrverbinder, Anschlussflansche und Bewehrungen aus korrosionsbeständigen
Werkstoffen könnte eine Nachfrage bestehen. Derzeit ist weder abzusehen,
in welche Richtung die technische Entwicklung im Bereich der Meeresenergienutzung
gehen wird, noch existieren gesicherte Wachstumsprognose für dieses bisher wenig etablierte
Segment der regenerativen Energieerzeugung. Bereits jetzt ist jedoch ein starkes Interesse
sowohl von staatlicher Seite als auch von privaten Investoren zu erkennen. Sollte der
Übergang von der Prototypenphase in die erste Phase kommerzieller Nutzung (2009-2015)
erfolgreich verlaufen und aus ökologischer und ökonomischer Sicht keine Bedenken zu Tage
fördern, so könnte das Segment Meeresenergie in den nächsten 10 bis 20 Jahren eine ähnliche
Entwicklung erfahren wie die Windenergie in den letzten 10 Jahren, insbesondere wenn
von staatlicher Seite günstige Rahmenbedingungen geschaffen werden.
2 Leichtbau-Kenngrößen
2.1 Was ist „Leichtbau?“
Bei der Auslegung von Bauteilen oder funktionalen Baugruppen, die zum Transport von Kräften
oder Massen eingesetzt werden, unterscheidet der Konstrukteur zwischen Eigengewicht
und Nutzlast. Je nach eingesetztem Material und nach gewählter Struktur kann das Verhältnis
von Eigengewicht zu Nutzlast sehr unterschiedlich ausfallen. Grundsätzlich ist ein möglichst
niedriges Eigengewicht bei höchstmöglicher Nutzlast bzw. ein möglichst geringes Eigengewicht-Nutzlastverhältnis
anzustreben. Dies wird insbesondere mit einem Blick auf den
49

englischen Sprachgebrauch deutlich, in dem das Eigengewicht als „Dead Load“, also tote,
nicht nutzbare Masse, bezeichnet wird. Bei bewegten Strukturen, die mechanische Arbeit
verrichten, gelten die Beziehungen
Arbeit = Kraft * Weg (2-1)
Kraft = Masse * Beschleunigung (2-2)
Nutzleistung = Arbeit / Zeit * Wirkungsgrad (2-3)
Setzt man die zu verrichtende Arbeit unter Berücksichtigung der entsprechenden Wirkungsgrade
mit der zuzuführenden Energie in Beziehung, so ergeben sich bei gleicher zu verrichtender
Nutzarbeit (z.B. Transport einer Nutzlast über einen festgelegten Weg) folgende Möglichkeiten
der Energieeinsparung:
� Verbesserung der Wirkungsgrade der Energieumwandlung
� Verbesserung der Beschleunigung durch Verringerung von Reibungsverlusten
� Erhöhung des Verhältnisses aus Nutzlast und Eigengewicht
Je nach Bewegungsprofil des Verkehrsmittels oder der bewegten Baugruppe überwiegen
Massenträgheits-, Energieumwandlungs- oder Bremseffekte durch Luft- und Rollreibung. So
mag ein Nutzfahrzeug im staufreien Fernverkehr einen höheren Anteil an Reibungsverlusten
haben, während sich bei einem Personenkraftwagen im Stadtverkehr höhere Massenträgheitseffekte
durch ständiges Abbremsen und Wiederbeschleunigen in der Energiebilanz bemerkbar
machen.
2.2 Eigengewicht
Das Eigengewicht eines Bauteils wird durch seine Masse bestimmt und hängt somit direkt
von der Dichte des gewählten Werkstoffs sowie von der benötigten Materialmenge zur Erreichung
der geforderten mechanischen Eigenschaften ab. Die Eigengewichtsproblematik wurde
im Hochbau früh erkannt und war einer der Gründe, die dem Gedankengut des Leichtbaus
Einzug in das Bauwesen verschaffte. Auch auf dem Gebiet der Verkehrstechnik spielt
das Eigengewicht von Bauteilen bei der Konstruktion von Luft-, Straßen- und Schienenverkehrsfahrzeugen
eine wichtige Rolle, da sich die Summe der Bauteileigengewichte bei allen
50

Brems- und Beschleunigungsvorgängen direkt auf die Brems- und Beschleunigungsenergie
auswirkt. Nicht zu Unrecht wird der Begriff ins Englische als „Dead Load“ übersetzt. Bei frei
aufgehängten Kabelstrecken ist bereits das Eigengewicht allein maßgebend für die Reißlänge
und daher das Hauptkriterium für die Materialauswahl. Bei allen übrigen technischen
Konstruktionen ist das Eigengewicht allein ist jedoch noch kein hinreichendes Kriterium für
die Beurteilung einer Konstruktion, sondern ist stets in Zusammenhang mit der Nutzlast zu
sehen, die das Bauteil zusätzlich zu seinem Eigengewicht tragen kann.
2.3 Nutzlast
Bis auf wenige Ausnahmen kommt den meisten technischen Konstruktionen die Aufgabe zu,
Kräfte zu (über)tragen oder Massen zu bewegen. Zusätzlich können weitere Anforderungen
bestehen, wie z.B. Wärme-, Strom- oder Schwingungsübertragung, Formbeständigkeit etc.
Dabei werden alle von außen auf die Konstruktion einwirkenden Kräfte oder Lasten als Nutzlast
angesehen, im Gegensatz zu den aus den inneren Kräften resultierenden Eigengewicht
und evtl. Eigenspannungen.
Die Auslegung einer Konstruktion erfolgt auf Basis der Gesamtlast, welche die Summe aus
Eigengewicht und Nutzlast darstellt. Es ist ersichtlich, dass eine Minimierung des Eigengewichts
bei gleichbleibender Steifigkeit und Festigkeit die Nutzlast und damit die Effizienz eines
Systems erhöht. Dies lässt sich durch eine leichtbaugerechte Anpassung der Bauteilgeometrie
(z.B. durch Versteifungen, kraftflussgerechtes Design) erreichen. Auch durch die
Verwendung von spezifisch leichteren Werkstoffen kann das Eigengewicht gesenkt werden,
allerdings muss hierbei der Einfluss auf alle relevanten Randbedingungen des Systems berücksichtigt
werden.
2.4 Tragfähigkeit
Unter der Tragfähigkeit einer Konstruktion wird allgemein die Fähigkeit verstanden, äußere
Belastungen oder angreifende Kräfte von einem Angriffspunkt (Krafteinleitungspunkt) innerhalb
eines Bauteils zu einem Übertragungspunkt (Endpunkt) weiterzuleiten, von dem aus die
übertragene Kraft auf ein benachbartes Bauteil einwirkt.
Die Tragfähigkeit lässt sich auf unterschiedliche Weise ausdrücken, es existiert keine normierte
Ausdrucksweise. So wurde von Otto et. al. in Analogie zur physikalischen Definition
der Arbeit die Tragfähigkeit als Produkt von angreifender Kraft und dem (kürzesten) Übertra-
51

gungsweg innerhalb des Bauteils definiert. Die Einheit, in der dieser sog. „Tra“ angegeben
wird, sind Newtonmeter.
TRA = F * s [Nm] (2-4)
Bei mehreren Krafteinleitungs- und Endpunkten berechnet sich der Gesamt-Tra aus der
Summe der Einzel-Tras.
Der Tra genügt weitgehend der o. g. allgemeinen Definition des Begriffs „Tragfähigkeit“, es
wäre jedoch falsch, aufgrund der gleichlautenden Einheiten zu versuchen, den Tra in physikalische
Arbeit oder Energie umzurechnen. Zugleich ist diese Definition des Begriffs „Tragfähigkeit“
unabhängig von Material und Belastungsart und stellt somit einen rein konstruktiven
Kennwert für die mechanische Beanspruchung dar. Je nach Beanspruchungsgrenze (linearelastische
/ plastische Verformung) kann das Eigengewicht des Bauteils, die, die maximale
oder die Kraft eingesetzt werden, die eine bleibende Verformung der Struktur um einen festgelegten
Betrag hervorruft. Die sich daraus ergebenden Tragfähigkeitskennzahlen nennen
sich dementsprechend Eigengewichts-, Nutzlast-, maximaler und Verformungs-Tra.
2.5 Leistungsgewicht
Allgemein versteht man unter dem Leistungsgewicht die pro Gewichtseinheit an Eigengewicht
eines funktionellen Bauteils übertragbare Leistung. Bei statisch belasteten Komponenten,
deren Aufgabe im Wesentlichen die Übertragung von Kräften und Kraftmomenten ist,
wird das Leistungsgewicht in Nm/kg Eigengewicht angegeben. So ist es bei der Auslegung
von Brücken, Kränen, Roboterarmen etc. Ziel, ein möglichst großes Kraftmoment mit einem
möglichst geringen Eigengewicht zu übertragen.
Fahrzeuge und Flugzeuge unterliegen als Verkehrsmittel nicht nur im Besonderen der Forderung
nach einer Optimierung des Nutzlastanteils am Gesamtgewicht, sondern auch nach
einer angemessenen Triebwerksdimensionierung. Im Interesse einer guten Fahrdynamik ist
gerade im PKW-Bereich in den letzten zwei Jahrzehnten eine deutlicher Trend zu höherer
Antriebsleistung bei gleichbleibender oder zumindest unterproportional ansteigender Fahrzeuggewichte
zu verzeichnen gewesen. In diesem Zusammenhang wird üblicherweise der
der Begriff Leistungsgewicht verwendet, um einen Vergleich der Fahrdynamik und des
Beschleunigungs- und Abbremsverhaltens unterschiedlicher Fahrzeuglösungen zu ermöglichen.
Das Leistungsgewicht eines Verkehrsmittels ist demnach definiert als das Verhältnis
seines Eigengewichts zur Antriebsleistung und wird angegeben in kg/PS oder kg/kW.
52

Des Weiteren ist es insbesondere in der Triebwerksentwicklung üblich, Leistungsgewichte
von Antriebsaggregaten wie z.B. Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen anzugeben,
um die Effizienz von Optimierungsmaßnahmen zu beurteilen. So errechnet sich das Leistungsgewicht
mg eines Motors aus dem Quotienten seines Eigengewichts me und seiner effektiven
Leistung Peff.
2.6 Spezifische Elastizität
mg = me / Peff (2-5)
Spezifische (massebezogene) Werkstoffkennwerte ermöglichen die Beurteilung der Leistungsfähigkeit
eines Werkstoffs in Bezug auf eine spezielle Eigenschaft und auf sein Gewicht.
Sie sind ein einfaches und daher gern genutztes Vergleichskriterium, wenn mehrere
Werkstoffe für eine Konstruktion zur Auswahl stehen oder gar grundlegend zu klären ist,
welche Werkstoffgruppen für eine Konstruktion in Frage kommen. Dabei können alle relevanten
Werkstoffkennwerte gemäß den Angaben in der Anforderungsliste auf die Masse
bezogen werden. Üblich und verfügbar sind insbesondere Schaubilder und Verhältniszahlen
für spezifische Elastizität, (Druck-, Zug-)Festigkeit, Bruchzähigkeit und Werkstoffkosten.
E-Modul (GPa)
Schäume
Naturstoffe
Dichte (t/m^3)
Polymer, Elastomer
Keramik
Keramik
Metalle
Abbildung 2-1: E-Modul-Dichte-Verhältnisse für unterschiedliche Werkstoffgruppen
[ASH07]
2.7 Festigkeits-Dichte-Verhältnis
Wie die spezifische Elastizität ist auch die spezifische Festigkeit (auch als Festigkeits-Dichte-
Verhältnis bezeichnet) ein massebezogener Werkstoffkennwert, der für die Auswahl von
53

Werkstoffen für zug-, druck-, biege-, scher- oder torsionsbeanspruchten Strukturen von Bedeutung
ist. Je weniger Masse aufgewendet werden muss, um bei einer gewählten Geometrie
eine festgelegte Kraft über eine konstante Strecke zu übertragen, desto leistungsfähiger
ist der Werkstoff in Bezug auf die jeweilige Eigenschaft, z.B. Druckfestigkeit.
E-Modul (GPa)
Naturstoffe
Polymer, Elastomer
Schäume Keramik
Dichte (t/m^3)
Metalle
Abbildung 2-2: Festigkeits-Dichte-Verhältnisse für unterschiedliche Werkstoffgruppen
[ASH07]
Bei der Verwendung von Materialcharts für die Werkstoffauswahl ist zu beachten, dass z. T.
unterschiedliche Festigkeitsarten in einem Diagramm aufgeführt sind, z.B. Zugfestigkeit für
metallische Komposit- und Polymerwerkstoffe, Druckfestigkeit für keramische Werkstoffe und
Reißfestigkeit für Elastomerwerkstoffe.
54

2.8 Leichtbaukennzahlen
Um einen schnellen Vergleich unterschiedlicher Werkstoffalternativen oder Konstruktionslösungen
zu ermöglichen, wurden verschiedene Systeme von Leichtbaukennzahlen vorgeschlagen.
Bei der normierten Gütekennzahl nach Conen wird eine massebezogene Werkstoffeigenschaft
in Bezug zu einem Referenzwerkstoff beurteilt. Es handelt sich um eine Verhältniskennzahl,
welche angibt, um wie viel leichter ein Bauteil aus einem Alternativwerkstoff im
Vergleich zu einem Bauteil mit identischer Geometrie und Belastungswiderstand aus dem
Referenzwerkstoff ist. Im Interesse einer leichtbaugerechten Konstruktionslösung ist ein
möglichst hoher Wert für die normierte Gütekennzahl anzustreben. Als Belastungskenngrößen
wurden statische Zug- und Druckfestigkeit, Längssteifigkeit (Zug, Druck), Torsionsschubsteifigkeit,
Knicksteifigkeit von Stäben, Beulsteifigkeit und Biegesteifigkeit von Platten,
elastisches Arbeitsaufnahmevermögen, Schlagzähigkeit und Schwingfestigkeit berücksichtigt.
Leider existiert in der Praxis noch kein Werkstoffkatalog, der die Vielzahl unterschiedlicher
Werkstoffe und Werkstoffvarianten ausreichend berücksichtigt und einen detaillierten
Vergleich unterschiedlicher Werkstoffe ermöglichen würde.
Einen anderen Ansatz verfolgt die Leichtbaukennzahl LBK (manchmal auch mit M bezeichnet),
die das Verhältnis aus Gesamtlast FG und Eigenlast FE einer Konstruktion wiedergibt.
LBK = FG / FE
(2-6)
Auch hier wird ein möglichst hoher Wert angestrebt, bei dem die Eigenlast im Vergleich zur
Nutzlast gering ausfällt. Es handelt sich um eine Kennzahl zur Bewertung unterschiedlicher
Konstruktionslösungen, bei denen die Werkstoffbelegung als Teil der Gesamtlösung in die
Beurteilung mit einbezogen wird. Die LBK ist jeweils auf einen Beanspruchungsfall (Lastfall)
bezogen, z.B. auf statische Zugbelastung, dynamische Durchbiegung oder auf die Eigenfrequenz
schwingender Systeme.
Leichtbaukennzahlen stehen in der Kritik, den komplexen Zusammenhängen zwischen physikalischen
und mechanischen Randbedingungen, den entsprechenden massebezogenen
Materialeigenschaften und den sich aus einer Überbeanspruchung ergebenden möglichen
Schädigungsverläufen und deren Implikationen auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von
Gesamtsystemen nicht in ausreichender Weise gerecht zu werden [SOB07]. Auch wenn im
Anschluss an die Entscheidung für einen grundsätzlichen konstruktionstechnischen Lö-
55

sungsweg sicher detaillierte Berechnungen der Systemzuverlässigkeit und der obligatorische
Festigkeitsnachweis stehen müssen, die auf absoluten, empirisch ermittelten Werkstoffkennwerten
beruhen, so stellen die Leichtbaukennzahlen eine nützliche Hilfe während des
gesamten Lösungsfindungsprozesses dar, die eine schnelle Beurteilung verschiedener Lösungsvorschläge
unter Leichtbaugesichtspunkten ermöglichen. Die mangelnde Verfügbarkeit
von Leichtbaukennzahlen und ihre mangelnde Akzeptanz bedingen sich jedoch gegenseitig.
Für den Bereich des Bauwesens wurde von Frei Otto et al. das tragfähigkeitsbezogene
Eigengewicht BIC (auch spezifische Tragmasse) als Bewertungskriterium eingeführt. Die
Tragfähigkeit einer Konstruktion wird hierbei als werkstoffunabhängiger Kennwert für Kraftund
Massentransport als Produkt von aufgebrachter Last und Übertragungsstrecke definiert
und wird vom SFB64 in Abgrenzung zu den Begriffen Tragfähigkeit, Kraftstrecke oder Tragleistung
schlichtweg als „Tra“ bezeichnet. Wird die Masse der Konstruktion bzw. deren Eigengewicht
auf die Tragfähigkeit bezogen, spricht man vom sogenannten „BIC“:
Tra = F * s (2-7)
BIC = m / Tra (2-8)
Dieser Ansatz wird von Frei Otto in Form des BIC/λ-Diagramms weiterverfolgt, in welchem
das tragfähigkeitsbezogene Eigengewicht auf einen Formfaktor λ für biegebeanspruchte
Strukturen bezogen wird, der für die Praxis bei Gusskonstruktionen nicht allgemein anwend-
bar ist. Das Bewertungskonzept nach BIC und λ hat sich daher außerhalb des Bauwesens
nicht durchgesetzt.
56

3 Lösungskonzepte für Leichtbau-Probleme
3.1 Werkstoffleichtbau
Es wird geschätzt, dass heutzutage ca. 40 000 metallische und ebenso viele nichtmetallische
Werkstoffvarianten existieren und für technische Konstruktionen genutzt werden können.
Aufgrund der unterschiedlichen massebezogenen Werkstoffkennwerte ergibt sich ein weites
Feld von Möglichkeiten der Substitution von spezifisch schwereren durch spezifisch leichtere
Werkstoffe. Mit der steigenden Zahl von Werkstoffen und Werkstoffvarianten wird es
zugleich immer schwieriger, die Übersicht über das gesamte Spektrum an Konstruktionswerkstoffen
und deren Kennwerte zu behalten. Während im normalen Konstruktionsprozess
in vielen Fällen Werkstofflösungen innerhalb einer Werkstoffgruppe oder innerhalb einer
Werkstofffamilie gesucht werden, werden bei der Entwicklung von Leichtbaustrukturen häufig
explizit werkstoffübergreifende Ansätze gefordert und der Wettbewerb unterschiedlicher
Werkstoffgruppen um das beste materialtechnische Lösungskonzept verstärkt.
Die im Werkstoffleichtbau verwendeten Konzepte lassen sich hinsichtlich ihres Lösungsansatzes
in Maßnahmen zur Werkstoffoptimierung und Maßnahmen zur Werkstoffsubstitution
unterscheiden.
Im klassischen Konstruktionsprozess setzt der Konstrukteur zur Minimierung des Produktrisikos
in der Regel auf Werkstoffe, deren Eigenschaften bekannt sind und die sich in dem
jeweiligen Anwendungsfall bereits bewährt haben. Impulse für Werkstoffoptimierungen erwachsen
häufig aus den Anforderungslisten der Konstruktionsabteilungen und auf Basis der
Lastenhefte des Kunden bzw. den Entwicklungsvorgaben der Automobilhersteller. Hierbei
werden einzelne Werkstoffparameter über die Werkstoffzusammensetzung oder über die
Beeinflussung von Struktur oder Oberfläche so angepasst, dass sie die Anforderungen des
Konstrukteurs besser erfüllen als der bisher verwendete Werkstoff. Da die übrigen Eigenschaften
des Werkstoffs weitgehend erhalten bleiben, ist eine erneute Erprobung nur hinsichtlich
der veränderten Eigenschaften notwendig. Die eigentliche Werkstoffoptimierung
findet dabei häufig in den Entwicklungslaboren der Werkstoffhersteller statt, so dass das
Entwicklungsrisiko des Konstrukteurs und seines Auftraggebers verhältnismäßig gering ausfällt.
Diese Vorteile werden auch im Werkstoffleichtbau genutzt, wo durch Ausschöpfung der
Optimierungspotenziale vorhandener Werkstoffe eine Gewichtsoptimierung nicht notwendigerweise
mit exorbitant hohen Entwicklungskosten und Produktrisiken verbunden sein muss.
Demgegenüber steht ein wesentlich höheres Entwicklungsrisiko bei der Substitution bewährter
Konstruktionswerkstoffe durch andere und z. T. neue Werkstoffe, die einen wesentlich
57

höheren Entwicklungsaufwand erfordern und eine umfassende Erprobung vor der Freigabe
für den Serieneinsatz durchlaufen müssen. Hilfe bei der Auswahl der in Frage kommenden
Substitutionswerkstoffe bieten Material-Property-Charts, Werkstoffdatenbanken und Informationen
der Werkstoffhersteller. Oftmals überschneiden sich die Anwendungsbereiche von
Werkstoffgruppen in Bezug auf einzelne oder auch mehrere Werkstoffparameter, so dass
mögliche Substitutionswerkstoffe direkt aus den Material-Property-Charts zu entnehmen
sind. Zudem werden die Grenzen der Anwendungsbereiche von Werkstoffgruppen durch
neue Werkstoffentwicklungen und –optimierungen ständig weiter ausgedehnt, so dass der
Hersteller eines Produkts eine regelmäßige Überprüfung von zur Verfügung stehenden Substitutionswerkstoffen
vornehmen muss. Insbesondere die intensive Entwicklungstätigkeit auf
dem Gebiet der Polymer- und Verbundwerkstoffe spielt dabei für den Werkstoffleichtbau eine
wichtige Rolle.
Beim Werkstoffleichtbau durch Werkstoffsubstitution ist ein erhöhtes Entwicklungsrisiko allein
dadurch gegeben, dass die Entwicklung neuer Werkstoffvarianten und deren Erprobung
eine wesentlich stärkere Beteiligung von Seiten des Konstrukteurs erfordert und damit das
Entwicklungsrisiko in Richtung zum Kunden hin verschiebt. Häufig erfordert die Entwicklung
und Erprobung neuer Werkstoffe die Beteiligung bzw. den Aufbau einer eigenen Entwicklungsabteilung
auf Seiten des Kunden. Zu den entsprechend höheren Entwicklungskosten
kommen ebenso deutlich höhere Material- und Fertigungskosten, die für Leichtbauwerkstoffe
im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionswerkstoffen veranschlagt werden müssen (siehe
hierzu auch Kap. 8)
3.2 Konstruktiver Leichtbau (Strukturleichtbau)
Ist aufgrund von Entwicklungsvorgaben und technischen Randbedingungen keine weitere
Optimierung der Tragfähigkeit einer Konstruktion durch die Methoden des Werkstoffleichtbaus
möglich oder wurden diese Möglichkeiten bereits ausgereizt, ohne das gewünschte
Resultat erreicht wurde, so lässt sich eine weitere Nutzlastoptimierung i. d. R. nur über einen
konstruktionsseitigen Leichtbauansatz realisieren.
Hierbei steht eine möglichst umfassende Analyse der Belastungssituation im Vordergrund.
Bei komplexen Bauteilen oder Baugruppen ist eine separate Betrachtung der Belastungsverteilung
in einzelnen Bauteilsegmenten zulässig. Sind die auftretenden Belastungen bekannt,
so lassen sich mit Hilfe von Methoden der Festigkeitslehre unterschiedliche Lösungsvorschläge
für Teilprobleme rechnerisch ermitteln und anhand ihrer relevanten Kennwerte miteinander
vergleichen. So kann z.B. bei auf Biegung beanspruchten Teilsegmenten durch
sinnvoll gewählte Versteifungen Material eingespart werden.
58

Bei den meisten Konstruktionsaufgaben sind Werkstoff- und Systemleichtbau untrennbar
miteinander verbunden. Bei der Neukonstruktion von Leichtbaukomponenten in den Entwicklungsabteilungen
der Fahrzeugindustrie folgt auf eine anfängliche Bauraumoptimierung die
Werkstoffauswahl und anschließend die Konstruktionsanpassung in weiteren Iterationsschritten.
Die Gießerei hingegen sieht sich angesichts kundenseitiger Leichtbauforderungen mit
einer Vielzahl von Randbedingungen konfrontiert, so kann sie i. d. R. nur auf eine eingeschränkte
Werkstoffpalette zugreifen, so dass bestimmte Werkstoffgruppen wie z.B. Kunststoffe
oder viele Verbundwerkstoffe von vornherein nicht als Werkstoffalternativen in Frage
kommen. Konstruktionsanpassungen größeren Umfangs dürften aufgrund der erforderlich
werdenden Neubewertung, Erprobung und Freigabe ebenfalls oft nicht im Interesse des
Kunden liegen. In der Praxis wird man daher einen gemischten Ansatz wählen, der sowohl
eine werkstoffliche Optimierung innerhalb der gewählten Werkstoffgruppe (z.B. durch Beeinflussung
der Gefügeeigenschaften oder Variation der Legierungszusammensetzung) als
auch die Möglichkeit geringfügiger Konstruktionsanpassungen als Lösungsansatz verfolgt.
3.3 Funktionsintegrativer Leichtbau (Systemleichtbau)
Während die klassische Integralbauweise nur die Integration von Einzelteilen zu einem komplexen,
einteiligen Bauteil beinhaltet, geht man inzwischen in zunehmendem Maße dazu
über, funktionale Konstruktionselemente wie Lager, Gelenke, Zahnräder oder elektrische
Schaltkreise mit der Bauteilgeometrie zusammenzufassen. Hierdurch können sich gegenüber
der Verwendung von Einzelteilen u. U. deutliche Gewichtsvorteile ergeben, insbesondere
spart man jedoch Fertigungs- und Montagekosten.
So wurde mit einem von der Georg Fischer Druckguss GmbH, München, und der Audi AG,
Ingolstadt gemeinsam entwickelten Modul-Querträger für die Armaturentafel des Audi A8 (Bj.
2004) nicht nur eine Gewichtseinsparung von über 50% gegenüber der früheren Variante als
gefügte Stahlblech-Konstruktion realisiert, sondern gleichzeitig auch die Zahl der Einzelkomponenten
und damit der Montageaufwand erheblich reduziert. Der Querträger besteht nunmehr
aus einer fahrerseitigen Komponente aus AlMg5Si2Mn und einer beifahrerseitigen
Komponente aus AM50HP, die durch strukturelle Verstärkungen (verripptes Hohlprofil) ausreichende
Torsionssteifigkeit erhält [MAI04], Abbildung 3-1.
59

Abbildung 3-1: Integralgussteil aus druckgegossenen Aluminium- und Magnesiumkomponenten
[MAI04]
Für den Airbus A380 wurde in einer Studie untersucht, welche Vorteile die Fertigung einer
Passagiertür als Integralgussteil im Vergleich zu der bis dahin verwendeten Nietkonstruktion
mit 64 Einzelteilen und 500 Nietverbindungen hat. Obwohl bei der Fertigung im Niederdruckverfahren
keine Gewichtseinsparung gegenüber der Nietkonstruktion erzielt werden konnte,
wurden deutliche Vorteile hinsichtlich des Material- und Energieaufwands ersichtlich. So
wurden für die Nietkonstruktion bei einem Bauteilgewicht von 42,3 kg noch rund 175 kg
Halbzeug benötigt, im Gegensatz zu 77 kg bei der 65 kg schweren gegossenen Variante.
[HER03], Abbildung 3-2.
Abbildung 3-2: Einteilig gegossene Passagiertür aus einer wärmebehandelten Aluminium-Legierung
[HER03]
Während die zuvor vorgestellten Beispiele Integralgussteile ohne zusätzliche Funktionalität
darstellen, existieren auch Anwendungsbeispiele für funktionsintegrativen Leichtbau mit
60

Gusskomponenten. So zeigt Abbildung 3-3 eine Wasserarmatur aus Messing für eine Trinkwasser-Aufbereitungsanlage,
die in der verschraubten Variante aus 34 Einzelteilen zusammengesetzt
werden muss. Durch Zusammenfassen der einzelnen Komponenten zu einem
einzigen Gussteil entstand eine Einzelkomponente mit erweiterter Funktionalität, die zudem
weniger Andichtstellen besitzt und damit wartungsfreundlicher ist. Gleichzeitig wurde der
erforderliche Bauraum erheblich verringert. [HER03].
Abbildung 3-3: Material- und Zeitersparnis durch Integralguss [HER03]
Neuere Forschungen zeigen die Möglichkeiten der Integration elektronischer Komponenten
und Verkabelungen in Gussteile oder Karosseriekomponenten auf. Am Fraunhofer Institut für
Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen wurde z.B. die CASTronics-Technologie
entwickelt, mit der sich im Druckgussverfahren Inserts mit integrierten
RFID-Transpondern mit Aluminium umgießen lassen, ohne dass hierbei der empfindliche
Chip zerstört wird [KUT09].
61

3.4 Leichtbau durch Absenkung von Sicherheitsfaktoren
Sicherheitsfaktoren spielen in der Konstruktion mechanischer Systeme eine zentrale Rolle
bei der Auslegung und Dimensionierung sowie der Werkstoffauswahl. Je nach Belastungsart
und Lastfall (statisch, dynamisch, zyklisch) können Sicherheitsaufschläge von bis zu 1000%
gegenüber dem Mittelwert der Belastung (z.B. für Spitzenlastereignisse) verlangt werden.
Die Wahl eines geeigneten formbestimmenden Lastfalls wird damit zum Ausgangspunkt für
alle nachfolgenden Berechnungen. Insbesondere bei Erwartung multipler Lastfälle sind Konstruktionen
so zu dimensionieren, dass sie auch unter ungünstigsten Bedingungen das Überleben
des Systems sicherstellen. Dies führt u. U. zu unsinnig hohen Sicherheitsaufschlägen
für Spitzenlastereignisse, die sich durch Vielparameteroptimierung oder durch eine Überarbeitung
des Gesamtkonzeptes hin zu einer differentialen oder adaptiven Bauweise absenken
lassen.
Prozess- und werkstoffbedingte Sicherheitsaufschläge bieten weiteres Potenzial für eine
Reduzierung der Bauteilmassen, welches es unter Ausnutzung des Standes der Technik und
durch die zeitnahe Umsetzung von Erkenntnissen aus Forschung und Entwicklung bei Wahrung
der Prozessfähigkeit und Produktsicherheit zu heben gilt. Bei der Herstellung von
Gusskomponenten spielen hierbei insbesondere neue Erkenntnisse über den Einfluss von
Legierungs-, Begeleit- und Störelementen, die Reinheit des Einsatzmaterials und der verwendeten
Rohstoffe sowie ein funktionierendes Prozessmonitoring und eine ausreichende
Qualifizierung der Produktionsmitarbeiter eine wichtige Rolle. Fertigungsprozesse, welche
hohe Sicherheitsaufschläge aufgrund unzureichender Prozesssicherheit erfordern, sind auf
Dauer nicht nur unrentabel und unter Gesichtspunkten von TQM und Six-Sigma nicht tragbar,
sondern werden von Seiten der Automobilhersteller auch in zunehmendem Maße abgelehnt
werden.
Von Konstrukteuren werden zur betriebsfesten Auslegung von Bauteilen insbesondere die
Richtlinien des Forschungskuratoriums Maschinenbau (FKM) herangezogen (Rechnerischer
Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis). In
beiden Regelwerken finden sich zahlreiche Hinweise zur betriebsfesten Bemessung von
Konstruktionen unter Einbeziehung entsprechender Sicherheitsfaktoren, welche z. T. auf
Vorschlägen basieren, die 50 Jahre und länger zurückliegen. Moderne Berechnungsprogramme
erlauben heute eine exaktere Vorausberechnung der zu erwartenden Lasten, so
dass konstruktionstechnische Sicherheitsaufschläge inzwischen überprüfbar sind und ggf.
angepasst werden können. Auch die Entwicklung der Werkstoffe ist nicht stehengeblieben.
Inzwischen existiert für die meisten Werkstoffe eine Vielzahl von Kennwerten, die leider noch
nicht in allen Werkstoffdatenbanken vollständig hinterlegt sind. Nur teilweise erforscht wurde
62

isher der Einfluss von Werkstoffinhomogenitäten, Spurenelementen, Wärme- und Oberflächenbehandlungsverfahren
auf die statischen und zyklischen Festigkeitswerte. Informationen
hierzu sind oft nur durch intensive Recherche oder eigene Forschungsanstrengungen zu
bekommen.
Vom BDG werden derzeit Forschungsanstrengungen der deutschen Gießereiindustrie gebündelt,
welche sich für verschiedene Werkstoffe mit der vorgenannten Fragestellung beschäftigen.
Langfristiges Ziel ist die Vervollständigung der Eigenschaftsprofile häufig genutzter
Werkstoffe wie Stahlguss, Gusseisen, Aluminium- oder Kupfergusslegierungen. Informationen
über laufende und abgeschlossene Forschungsprojekte werden im BDG-
Tätigkeitsbericht und in der Fachzeitschrift „GIESSEREI“ regelmäßig veröffentlicht. Auch an
anderen europäischen Forschungsinstituten laufen Forschungsvorhaben mit dem Ziel, eine
Absenkung oder dezidierte Neubewertung von Sicherheitsfaktoren zu erreichen.
3.5 Leichtbauweisen
Auch die fertigungsgerechte Konstruktion spielt für die Realisierung von Leichtbauforderungen
eine wesentliche Rolle. So ist die Entscheidung zwischen Differential- und Integralbauweise
für jedes Leichtbauteil unter Gewichts-, Steifigkeits- und Kostengesichtspunkten neu
zu treffen. Während die Differentialbauweise durch das Verbinden von Einzelteilen, vorzugsweise
von Standardprofilen und Blechen eine Vielzahl von Fertigungsschritten zugunsten
einer gewichtsoptimierten Konstruktion aneinander reiht und hauptsächlich für Tragwerke
und Außenhüllen zum Einsatz kommt, zielt die Integralbauweise darauf ab, in möglichst wenigen
(optimalerweise einem einzigen) Fertigungsschritt ein komplexes, einteiliges Bauteil zu
erzeugen, bei dem das Gewicht durch die Reduzierung der Anzahl von Verbindungselementen
sowie durch Optimierung der Krafteinleitung und –übertragung minimiert wird,
(Abbildung 3-4). Da die Integralbauweise nur begrenzt dazu in der Lage ist, konstruktiv bedingte
Spannungskonzentrationen durch den Einsatz höherfester Werkstoffe lokal auszugleichen
(z.B. durch Verbundguss oder partiell verstärkte Verbundwerkstoffe), ist die Konstruktion
von vorneherein auf eine gleichmäßige Spannungsverteilung im gesamten Bauteil auszulegen.
Hierdurch und durch die weitgehende Gestaltungsfreiheit im Gegensatz zur Differentialbauweise
ergibt sich der besondere Vorteil von integralen Leichtbaukonstruktionen.
63

Abbildung 3-4: Typische Probleme bei der Krafteinleitung in Tragwerken [KLE00]
Bei der Entscheidung für eine der beiden Bauweisen gilt es zudem, eine Vielzahl von Aspekten
wie z.B. der Abnutzung von Bauteilen und Bauteilsegmenten und der damit verbundenen
Notwendigkeit der Austauschbarkeit von Ersatzteilen, Kontaktkorrosion bei Paarungen unterschiedlicher
Werkstoffe, dynamisches Sicherheitsverhalten usw. zu berücksichtigen,
(Abbildung 3-5).
64

Abbildung 3-5: Ablauf der Gestaltungsphase und Kriterien, die berücksichtigt werden
müssen [CON07]
65

4 Informationsbeschaffung
4.1 Printmedien
4.1.1 Fachbücher
4.1.1.1 Systematische Darstellungen
Klein, Bernd: „Leichtbau-Konstruktion: Berechnungsgrundlagen und Gestaltung“,
Vieweg-Verlag Braunschweig/Wiesbaden, 4. Auflage 2000
Dieses regelmäßig aktualisierte Standardwerk basiert auf der Vorlesungstätigkeit
des Autors an der Universität Gesamthochschule
Kassel von 1985 bis heute und bietet in 25 Kapiteln eine umfangreiche
und systematische Einführung in die verschiedenen Aspekte der
Konstruktion von Leichtbaustrukturen. Der Inhalt des Buches ist für
Ingenieure und Techniker gut verständlich aufbereitet und reicht von
Konstruktionsansätzen und Gestaltungsprinzipien über Werkstoffauswahl,
belastungsgerechte Auslegung, konstruktive Versteifungen
bis hin zu Strukturoptimierung und Bauteilzuverlässigkeit.
Der Text wird durch viele Berechnungsbeispiele sowie Übungen am Ende des Buches ergänzt
und richtet sich Leser mit technischem Verständnis, die sich in das Themengebiet
„Leichtbau“ einarbeiten möchten.
Hertel, Heinrich: „Leichtbau: Bauelemente, Bemessungen und Konstruktionen von
Flugzeugen und anderen Leichtbauwerken“, Springer-Verlag Berlin, 1960
Obwohl vor fast 50 Jahren erschienen, bietet dieses Sammelwerk, das auf Vorlesungsunterlagen
des Autors basiert (seinerzeit Professor für Flugtechnik und Luftfahrzeugbau an der
Technischen Universität Berlin) eine in vielen Bereichen bis heute gültige Einordnung der
wichtigen Fragestellungen der Disziplin Leichtbau, die in 18 Kapiteln und auf über 500 Seiten
ausführlich behandelt werden. Das Buch stellt hierbei Leichtbaukonstruktionen für die Luftfahrt
in den Mittelpunkt der Betrachtungen, dementsprechend wird das Augenmerk in weiten
Teilen des Textes auf Füge- und Versteifungsverfahren gelegt, während die Behandlung von
gussteilspezifischen Leichtbaufragestellungen nicht gesondert behandelt wird.
66

Nach einer systematischen Einführung in das Themengebiet und den unterschiedlichen
Konstruktionsansätzen von Leichtbaustrukturen im ersten Kapitel folgt ein umfangreiches
Kapitel über Leichtbau-Werkstoffe, welches zwar durch die Konstrukteursperspektive einige
interessante Aspekte insbesondere zur Methodik der Werkstoffauswahl und zu werkstoffspezifischen
Eigenschaften im Vergleich bietet, in Bezug auf die einzelnen Werkstoffgruppen
(insbesondere die metallischen Werkstoffe Aluminium, Magnesium, Titan und Stahl) aber
weitgehend veraltet ist. Die Kapitel drei bis neun widmen sich verschiedenen Aspekten der
Versteifung von Profilen, Platten, Wänden etc. und sind für die Konstruktion von gegossenen
Leichtbaukomponenten nur von geringem Informationsgehalt. Bemerkenswert hingegen ist
das Kapitel über Sandwichstrukturen, welches durch eine Flut neuer Forschungsarbeiten
und das Erschließen neuer Anwendungsbereiche in jüngster Zeit wieder verstärkt Aufmerksamkeit
auf sich gezogen hat. Ein weiteres Kapitel widmet sich der Krafteinleitung in Platten,
gefolgt von einem Kapitel über Umformteile aus Leichtmetall, mehreren Kapiteln zu klassischen
Aspekten der Differentialbauweise (Fügetechnik, Klebetechnik), einem Kapitel zur
Problematik der betriebsfesten Bauteilbemessung sowie einem abschließenden Kapitel über
Flugzeugbelastungen.
Das Werk ist über verschiedene Bibliotheken und ggf. über Antiquariate erhältlich.
Conrad, Klaus-Jörg: „Taschenbuch der Konstruktionstechnik“
Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag, München 2007
Umfangreiches Nachschlagewerk, das den Stand der Technik
im gesamten Produktentstehungsprozess von der Ideenfindung
über Konzeption, Entwurf und Berechnung bis hin zu
Fragen der Materialauswahl, des Qualitäts- und Produktdatenmanagements,
des Prototypings, der Fertigung und der
Kalkulation in kompakter Form wiedergibt und regelmäßig
aktualisiert wird.
Speziell zum Thema Werkstoffauswahl gibt es ein ausführliches
Kapitel mit Materialcharts und Hinweisen zur Vorgehensweise.
Auch dem Thema Kosten widmet sich ein eigenes
Kapitel.
67

4.1.1.2 Konstruktions- und Berechnungshilfen
Kossira, Horst: „Grundlagen des Leichtbaus: Einführung in die Berechnung dünnwandiger
stabförmiger Tragwerke“, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1996
Der Autor, der am Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig tätig ist, behandelt
im Rahmen der allgemeinen Festigkeitslehre ausführlich Spannungsprobleme an
stabförmigen Tragwerken und deren rechnerische Lösung mit Hilfe der linearen Elastizitätstheorie.
Dabei wird sowohl auf Probleme der Modellbildung als auch auf einzelne Modelle
und Theoreme detailliert eingegangen und die Berechnung an einfachen Beispielen erläutert.
Das Buch richtet sich an Studenten im Grundstudium des Flugzeugbaus, welche in die Lage
versetzt werden sollen, „dünnwandige Bauteile, die durch Biegung und/oder Torsion beansprucht
werden, mit Hilfe einfacher Ingenieurtheorien, denen die Grundgleichungen für den
Stab, den Balken und die Scheibe zu Grunde liegen, auf Festigkeit (nicht Stabilität, siehe
dazu Stabilitätstheorie im Leichtbau) zu dimensionieren.“ [TU Braunschweig VVZ]
4.1.1.3 Materialauswahl
Ashby, Michael: „Materials Selection in Mechanical Design“
Originalausgabe,Burlington 2005
Easy-Reading Ausgabe mit Übersetzungshilfen, Heidelberg 2007
Englischsprachiges Standardwerk zur Methodik der Materialauswahl
im Konstruktionsprozess, das insbesondere durch die vielen Materialcharts
interessiert, die der Autor in seiner Funktion als Professor an
der Cambridge University entwickelte. Die über 600-seitige Heidelberger
Ausgabe enthält zudem zahlreiche Fallbeispiele und Übersetzungshilfen.
68

Reuter, Martin: „Methodik der Werkstoffauswahl – Der systematische
Weg zum richtigen Material“
Carl-Hanser-Verlag, München 2007
Deutschsprachige Alternative zu „Ashby: Materials Selection in Mechanical
Design“, enthält viele der Original-Werkstoffcharts und nimmt
auf o. g. Werk Bezug. Der Schwerpunkt dieses Buches liegt auf der
Vermittlung der Systematik, es richtet sich an Konstrukteure in Studium
und Praxis gleichermaßen und ist kompakt abgefasst (250 Seiten).
Inhaltlich werden allgemeine Aspekte der Werkstoffauswahl
behandelt, die Vorgehensweise zur Lösung von Werkstofffragen wird intensiv und in vier
Phasen geordnet dargelegt, abschließend werden Hinweise zur Informationsbeschaffung
sowie Wissen über prozessbegeleitende Methoden und Entwicklungstools vermittelt.
Moeller, Elvira: „Handbuch Konstruktionswerkstoffe“
Carl-Hanser-Verlag, München 2008
Das umfangreiche Standardwerk bietet auf rund 1000 Seiten eine
ausführliche Übersicht über alle gängigen metallischen und nichtmetallischen
Konstruktionswerkstoffe mit Verweisen auf Normen,
umfangreichen Werkstoffkennwerten, Hinweisen zur Werkstoffauswahl
und Verwendung.
4.1.2 Periodische Fachpublikationen
Lightweight Design
http://www.lightweight-design.de
Vierteljährlich erscheinende englischsprachige Fachzeitschrift aus
dem Vieweg-Verlag zum Thema Leichtbau bewegter Massen mit
Schwerpunkt auf Kunststoffen und Verbundwerkstoffen.
Schriftenreihe Strukturleichtbau
Herausgeber: Kompetenzzentrum Strukturleichtbau e.V. an der Universität Chemnitz
www.strukturleichtbau.de
69

Green Car Journal
www.greencar.com
Englischsprachige Fachzeitschrift aus Kalifornien, die sich mit alternativen
Antriebskonzepten im Automobilbereich beschäftigt.
Erscheinungsweise: vierteljährlich
4.1.3 Bibliographien von Fachvorträgen und Tagungsbeiträgen
Publikations- und Vortragsliste des Instituts für Kraftfahrwesen (IKA) der RWTH Aachen
Online unter: www.fka.de
4.2 Fachtagungen und Kongresse
euroLITE, Salzburg
www.eurolite-expo.eu
Termin: letzte Juniwoche (jährlich)
Organisator: FH Landshut
Landshuter Leichtbau-Colloquium (LLC), Landshut
http://www.leichtbau-cluster.de/llc/
Termin: alle zwei Jahre im Frühjahr (nächster Termin: 2011)
Organisator: Leichtbau-Cluster der FH Landshut
Symposium mit Fachvorträgen von Vertretern aus Industrie und Forschung zum Thema
70

automobiler Leichtbau und angegliederter Fachmesse mit zuletzt 27 Ausstellern vornehmlich
aus dem süddeutschen Raum Österreich und der Schweiz, wobei von Softwareherstellern
über Automobilbauer und Zulieferer bis hin zu Forschungsinstituten und Universitäten
fast jeder Bereich des automobilen Leichtbaus vertreten ist.
Ranshofener Leichtmetall-Tage
http://www.lkr.at/9b908d4a5d2c2d2ffb10ddb0a45fdbb7.html
Termin: alle zwei Jahre (nächster Termin: Mai 2010)
Tagungsort unterschiedlich
LiMA – Leichtbaulösungen im Maschinen- und Anlagenbau
Organisatoren: Event- und Messegesellschaft Chemnitz
GmbH, Ameco Press GmbH
Tagungsort: Chemnitz
Termin: erstmalig im Juni 2009
Website: http://www.lima-chemnitz.de
Erstmals in 2009 fand in Chemnitz parallel zur Sächsischen Industrie- und Technologiemesse
SIT in der Messe Chemnitz die neue Leichtbau-Fachmesse LiMA für Leichtbaulösungen
im Maschinen- und Anlagenbau statt. Die aus einer Sonderschau hervorgegangene Veranstaltung
versteht sich als Präsentationsplattform für Konstrukteure, Entwickler und Hersteller
von Leichtbaukomponenten und -lösungen, die in den verschiedensten Bereichen des Maschinen-
und Anlagenbaus zum Einsatz kommen. Neben den ausstellenden Unternehmen ist
auch eine Vielzahl von Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen vertreten,
die Forschungsprojekte und neue Entwicklungstrends vorstellen. Das zugehörige eintägige
Symposium wartet mit Fachvorträgen zu Leichtbauentwicklungen aus den Bereichen
metallische, organische und Komposit-Konstruktionswerkstoffe, Energieeffizienz, Adaptronik
und Funktionsoberflächen auf.
INTEC / Zulieferermesse Z, Leipzig
http://www.messe-intec.de
Internationale Fachmesse für Fertigungstechnik,
71

Werkzeugmaschinen- und Sondermaschinenbau
Termin: jährlich
Über 700 Aussteller aus dem In- und Ausland beteiligten sich in 2008 an der Maschinenbaumesse
INTEC für Fertigungstechnik, Werkzeugmaschinen- und Sondermaschinenbau,
die neben EMO Hannover und AMB Stuttgart zu den großen deutschen Events für den
Werkzeugmaschinenbau gehört. Die Zulieferermesse Z, die jeweils gemeinsam mit der IN-
TEC stattfindet, zählte in 2008 über 500 Aussteller überwiegend aus der Automobilzuliefererbranche,
von denen viele Kunststofflösungen anbieten. Insgesamt verzeichneten die beiden
Messen zuletzt knapp 17 000 Besucher. In Verbindung mit der INTEC / Z findet alljährlich
in Leipzig der Jahreskongress der Automobilindustrie statt, der eines der wichtigsten
Events für die deutschen Automobilbauer darstellt. Das Thema Leichtbau findet sich in zahlreichen
Produkten und Vorträgen wieder und wird von den Ausstellern als so wichtig empfunden,
dass es zum offiziellen Leitmotiv der Messe in 2008 wurde.
H2Expo, Hamburg
Messe für Wasserstoff- und Hybridantriebskonzepte und -infrastruktur
Termin: alle 2 Jahre im Herbst (Oktober-November),
nächster Termin: November 2010
Fachmesse mit Ausstellern aus Forschung und Industrie, Konferenz mit zuletzt 60 Fachvorträgen
zu den Themen Wasserstoff-Gewinnung, Speicherung, Versorgungskonzepte, Anwendungen,
Brennstoffzellenentwicklung und Antriebskonzepte.
http://www.h2expo.de
Internationales CAR-Symposium, Duisburg
Symposium für Kraftfahrzeugtechnik und Antriebsstrategien
http://www.car.fh-gelsenkirchen.de/
Termin: Jährlich im Januar
72

Das internationale Symposium für Führungskräfte von OEM und Zulieferern wird jährlich vom
Center of Automotive Research (CAR) der Universität Duisburg-Essen unter Leitung von
Prof. Dr. Ferdinand Dudenhöffer ausgerichtet und bietet Fachvorträge, Diskussionen und
Workshops zu den Themen Zukunfts-Märkte und –Technologien, innovative Antriebe und
Kraftstoffe, Prozessoptimierung, intelligente Werkstoffe, Leichtbau, Safety und Security, Kapazitäts-Management
und Personal, Logistikstrategien und Konzepte und Cluster-Initiativen.
EUCOMAS – European Conference on Materials and Structures in
Aerospace
http://www.eucomas.eu
Termin: Jährlich im 2.-3. Quartal
Die 3tägige Konferenz, die seit 2008 unter Schirmherrschaft des VDI jährlich stattfindet befasst
sich mit Themen rund um Werkstoffforschung und Werkstoffentwicklung für Anwendungen
in der Luft- und Raumfahrt. Neben einem umfangreichen Programm aus Fachvorträgen
und Workshops gehören Unternehmensbesichtigungen ebenso zur Tagesordnung
wie eine Fachausstellung und ein Get-Together, auf dem die Konferenzteilnehmer Kontakte
knüpfen können. Aufgrund des europaweiten Adressatenkreises wird die Tagung komplett
in Englisch ausgerichtet.
4.3 Elektronische Ressourcen
4.3.1 Internetseiten
Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e.V.
www.nmn-ev.de
Umfangreiche Veröffentlichungsliste zu Ergebnissen der
Leichtbauforschung im Bundesland Niedersachsen.
73

Materialcharts:
http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/
Einzelne Materialcharts der Cambridge University zu Festigkeits-Dichte-
Verhältnis, Festigkeits-Kosten-Relation etc., jedoch nur nach Werkstoffgruppen,
nicht nach einzelnen Werkstoffen aufgeschlüsselt.
Informationen über alternative Fahrzeugantriebe und -komponenten
http://www.greencarcongress.com/topics.html
Gut strukturierte und informative englischsprachige Website aus Kalifornien mit technischen
Informationen, Fachartikeln und Marktanalysen zu den Themen nachhaltige Mobilität und
alternative Antriebskonzepte für den Massenmarkt.
Hybridfahrzeuge und -komponenten
http://www.hybridcars.com
Englischsprachige Webseite mit Informationen zu Hybridfahrzeugmodellen,
-antrieben und Komponenten.
Karosserie-Netzwerk
www.karosserie-netzwerk.de
Umfangreiche Veröffentlichungsliste zum automobilen Leichtbau
(hauptsächlich Exterior), zum Teil mit Links zu den Volltexten.
Motorlexikon Online
www.motorlexikon.de
Online-Version des bekannten Motorlexikons von Basshuysen
und Schäfer aus dem Vieweg-Verlag, eingeschränkter
Umfang gegenüber der Buchausgabe.
Datenbanken
MAVEL Autobench Database
www.autobench.com
74

Umfangreiche Datenbank des französischen Informationsdienstleisters mit Bauteilinformationen
über Komponenten aktueller PKW-Modellreihen internationaler Hersteller, gewonnen
durch Demontage und Analyse von Neufahrzeugen.
Die hinterlegten Informationen umfassen
Angaben über Bauteilgewichte,
verwendete Werkstoffe und Prozesse,
zugeordnete Baugruppen und Lieferanten.
Da nicht alle Modelle sämtlicher
Hersteller abgedeckt sind, ist das Tool
insbesondere für das Volumensegment
PKW-Mittelklasse interessant. Premium-Modelle
sind so gut wie nicht vertreten.
Liste der enthaltenen Modellvarianten:
http://www.autobench.com/products/ABproducts/Vehicle-list.htm
WIAM-Metallinfo
www.wiam.de
Abbildung 4-1: Auswahloptionen im Programm
MAVEL Autobench / Bodybench
Anbieter: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden
Umfangreiche Werkstoffdatenbank mit ca. 4.800 Werkstoffen und 20.000 Modifikationen
für die Bereiche Stahl, Stahlguss, Gusseisen, NE-Metalle und Sintermetalle, optionales Modul
WIAM-ZYK mit zyklischen Kennwerten zur Lebensdauerberechnung verfügbar.
Bayerisches Online-Materialinformationssystem M-Line Zwei
www.werkstoffe.de
Deutschsprachige Online-Materialdatenbank mit ca. 6000 Einträgen zu Metallen, Kunststoffen,
Keramiken, Verbundwerkstoffen und Hölzern, entwickelt vom bayrischen Forschungsverbund
Materialwissenschaften. Das System enthält annähernd 6000 Datensätze zu Keramiken,
Metallen, Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und neuerdings auch zu Hölzern, erwei-
75

terte Suchfunktionen, einen Katalog mit Standardwerkstofflösungen für verschiedene Bauteile,
einen Normenkatalog sowie ein Expertenverzeichnis. Die Nutzung des Systems ist kostenlos.
Cambridge Engineering Selector CES
www.grantadesign.com
Anbieter: Granta Design, Cambridge
Vertreibt und entwickelt Software zur Darstellung von Materialcharts, z. T. gekoppelt mit Materialdatenbanken.
Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge und dem Material Data
Management Consortium.
Abbildung 4-2: Benutzeroberfläche der Materialauswahl-SoftwareCES-Selector
76

Aluminium Database
Aludatabase.de
Deutschsprachige Materialdatenbank mit Einträgen zu Aluminium-Werkstoffen, anderen NE-
Metallen (Kupfer, Magnesium) und Stählen. Die Datenbank ist online sowie auf CD verfügbar.
Einträge beinhalten chemische und physikalische Kennwerte sowie mechanische Eigenschaften.
Die Kosten für eine Jahreslizenz betragen aktuell 230 Euro.
FIZ-Technik Werkstoff- und Materialdatenbank WEMA:
http://www.fiz-technik.de/db/b_wema.htm
Deutsch- und englischsprachige Datenbank mit über 900.000 Einträgen aus Fachzeitschriften,
Konferenz- und Forschungsberichten, Fachbüchern und Dissertationen zu metallischen
und nichtmetallischen anorganischen Werkstoffen sowie Verbundwerkstoffen, Fertigungsverfahren,
Prüfverfahren und Werkstoffeigenschaften.
Werkstoffe:
• Stahl- und Eisenlegierungen
• NE-Metalle, Sondermetalle, Legierungen, metallische Gläser
• Nichtmetallische anorganische Werkstoffe (Keramik, Glas, Feuerfestprodukte, Bindemittel
und Baustoffe, natürliche und synthetische Minerale und Gesteine)
• Verbundstoffe (Faserstoffe, Partikelverbundwerkstoffe, Beschichtungen)
Themen:
• Werkstoffgewinnung, Gießereitechnik, Hüttenwesen
• Fügetechnik, Schweißtechnik
• Wärmebehandlung, Oberflächenveredlung
• Analysen und Messverfahren, Normung
• Zerstörungsfreie und zerstörende Prüfung
• Korrosion, Rheologie, Tribologie
• Werkstoffkunde, Werkstoffphysik
• Eigenschaften, Anwendungen
• Betriebsmanagement zur Werkstoffgewinnung
Werkstoffsuchmaschinen
77

Matweb
www.matweb.com
In der englischsprachigen Online-Datenbank sind fast 70 000 Werkstoffe (Metalle, Kunststoffe
und Keramik) verzeichnet und mit Hilfe erweiterter Suchfunktionen über Werkstoffparameter
kostenlos recherchierbar. Die Datenbank ist damit die umfangreichste kostenlose Datenbank
im Internet. Die Seite finanziert sich durch Werbung und wird von namhaften Sponsoren
unterstützt. Nachteil: Es sind nur amerikanische Legierungen verzeichnet.
Abbildung 4-3: Anzeige der Materialdaten mit Hilfe der Werkstoffsuchmaschine Mat-
Web
NIMS Materials Database
https://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm
Das National Institute for Materials Science (NIMS) in Tsukuba (Japan) unterhält eine englischsprachige
Materialdatenbank mit Einträgen zu Sonderwerkstoffen für Elektronik, Reaktortechnik,
Druckbehälter, Werkstoffe für Schweißkonstruktionen und Polymerwerkstoffe.
Interessant sind auch die Sub-Datenbanken zu Ermüdungs- und Kriechfestigkeit sowie das
Tool zur dreidimensionalen Darstellung von Phasendiagrammen.
78

MMC-Access
http://mmc-assess.tuwien.ac.at/mmc/Home.html
Werkstoffsuchmaschine, Herstellerverzeichnis, Bewertungshilfen und Applikationsbeispiele
zum Thema Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, bereitgestellt durch das Forschungsverbundnetzwerk
MMC-Access unter Federführung der TU Wien.
Materials Data for Cyclic Loading
http://www.wm.bauing.tu-darmstadt.de/mat-db-html/index.html
Datenbank und Werkstoffsuchmaschine des IFSW der TU Darmstadt mit einer Vielzahl von
Einträgen zu zügig und zyklisch ermittelten Kennwerten metallischer Werkstoffe (hauptsächlich
Stähle), über Gastzugang kostenlos nutzbar.
Abbildung 4-4: Eingabemaske mit Suchkriterien der Suchmaschine der TU Darmstadt
für zyklische Werkstoffkennwerte
79

4.3.2 Software
Cambridge Engineering Selector (CES)
http://www.grantadesign.com/products/ces
Abbildung 4-5: Mit Hilfe des Cambridge
Engineering Selectors lassen sich Materialcharts
generieren
4.4 Forschungs- und Produktionsnetzwerke
Freunde und Förderer der Leichtbauforschung e.V.
Rotebühlplatz 37
D-70178 Stuttgart
Bionik-Kompetenz-Netz BIOKON e.V.
http://www.biokon.net/
Materialauswahl-Software mit umfangreicher
Werkstoffdatenbank und der Möglichkeit,
Ashby-Materialcharts anzuzeigen. Inzwischen
existieren Versionen für verschiendene Werkstoffgruppen.
Vom BMBF gefördertes Netzwerk zur Förderung des fachlichen Austausches zwischen Arbeitsgruppen,
Instituten und Einrichtungen, die sich mit dem Bereich Bionik beschäftigen,
und der Industrie, sowie zur Erarbeitung von Bildungskonzepten und –inhalten und zur Vermittlung
von Ansprechpartnern.
80

Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e.V.
www.nmn-ev.de
Kompetenznetz des Landes Niedersachsen zur Förderung
von Forschung, Technologietransfer und Innovationen in den
Bereichen Nanotechnologie, Leichtbau und Oberflächentechnik.
Netzwerk Innovationsverbund Angewandter Leichtbau (NIVA)
http://www.niva-leichtbau.de
Das brandenburgische Innovationsnetzwerk besteht aus 9 Unternehmen,
die an Leichtbauprodukten für den Schienen-, Straßenund
Schiffsverkehr sowie für andere zivile und militärische Aufgabengebiete
arbeiten.
Innovationsforum „Leichtgewichtige Materialen für beschleunigte Strukturen“
http://www.netzwerk-leichtbau.de/
Regionales Kooperationsbündnis von Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Mecklenburg-Vorpommern
mit dem Ziel, Leichtbauentwicklungen für Schiffstechnik, Luft- und
Raumfahrt, Strömungskraftwerke und Offshore-Anlagen sowie für den Fahrzeugbau zu fördern.
Netzwerkinitiative Leichtbau des Berlin-Brandenburgischen Aerospace Verbandes
(BBAA)
http://www.bbaa.de/fachgruppen/ni-leichtbau.html
Die Netzwerkinitiative wird durch das Fraunhofer Institut für Polymermaterialien und Composite
(PYCO) in Teltow angeführt und möchte zum Erfahrungsaustausch auf Messen, Konferenzen
und Fachveranstaltungen anregen sowie zur Vermarktung des Themas Leichtbau
beitragen.
81

4.5 Experten und Beratungsbüros
CES Eckard GmbH
Stuttgart, München
Internet: www.ces-eckard.de
Email: info@ces-eckard.de
Tel: 0711 78 19 34-60
Fax: 0711 78 19 34-699
Ingenieurdienstleister für die Bereiche Vernetzung, lineare und nichtlineare FEM-
Berechnungen, CFD-Analysen und (thermisch) gekoppelte Fluid/Struktur-Analysen, Topologie-Optimierung,
CAE-Methodenentwicklung, Erstellung von Skripten für CA-Tools. Leistungsumfang
umfasst Schulungen, Anwenderunterstützung, Ingenieurdienstleistungen,
Softwareentwicklung.
IBS - Ingenieurbüro J. Schendel
86163 Augsburg
Tel: +49 (0) 821 – 3292867
Internet: http://www.schendel-engineering.de
E-Mail: info@schendel-engineering.de
Leistungsumfang: Bauteilberechnung, Topologieoptimierung, Gewichts-, Steifigkeits- und
Lebensdaueroptimierung, Beratung und Anwenderunterstützung, CFD-Analysen, Softwarenetwicklung
ITB Ingenieurgesellschaft für technische Berechnungen mbH
44269 Dortmund
Telefon: +49 (0) 231 / 94 53 65-0
Telefax: +49 (0) 231 / 94 53 65-11
Internet: http://www.itb-fem.de/
Dienstleistungsangebot umfasst Simulation (Crash- und Fertigung), Berechnung (CATIA,
ANSYS, LS), Festigkeitsnachweis, Bauteiloptimierung, Schulungen, Anwenderberatung,
Personalüberlassung
Structural Design Ingenieurbüro für Tragwerksplanung
Dipl.-Ing. Marc Quint VDI
72764 Reutlingen
T (+49) 07121 / 339245
82

F (+49) 07121 / 339123
http://www.xperteez.de/index.html
Dienstleistungen im Bereich Strukturoptimierung und Tragwerksberechnung mit Hilfe bionischer
Optimierungsmethoden CAO / SKO, Softwareprogrammierung.
4.6 Universitäre Forschungsstellen (europaweit)
Lehrstuhl und Institut für Leichtbau (ILB) an der RWTH Aachen
http://www.ifl.rwth-aachen.de
Leiter der Forschungsstelle: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-G. Reimerdes
Das Institut für Leichtbau kann an der RWTH Aachen auf über 50 Jahre Forschungstätigkeit
zurückblicken. Forschungsschwerpunkte sind Schalenstrukturen, Faserverbundwerkstoffe
und Strukturdynamik in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugtechnik und Maschinen-
und Anlagenbau.
Gießerei-Institut der RWTH Aachen
http://www.gi.rwth-aachen.de
Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. A. Bühring-Polacek
Das Gießerei-Institut der RWTH Aachen beschäftigt sich seit seiner Gründung im Jahre
1929 mit Fragestellungen rund um den Urformprozess Gießen. Dank umfangreicher Ausstattung
werden heute Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in nahezu allen Gießverfahren
und Werkstoffbereichen durchgeführt. Im Bereich Leichtbau wird konkret an den Themen
Bionik und Verbundgießen geforscht.
Forschungszentrum für Leichtbauwerkstoffe Panta Rhei
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
http://www.tu-cottbus.de/einrichtungen/de/pantarhei
83

Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. Leyens, Michailow,
Vieweger, Prof. Dr. rer. nat. Schmeißer
Das Forschungszentrum für Leichtbauwerkstoffe Panta Rhei
gGmbH ist eine Tochtergesellschaft der BTU Cottbus und wird
von mehreren Lehrstühlen interdisziplinär geführt.
Im Vordergrund der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit stehen die metallischen Leicht-
bauwerkstoffe, vor allem auf der Basis von Aluminium, Magnesium, Titan, hochwarmfesten
Titanaluminidlegierungen und höherfesten, oberflächenveredelten Stählen, sowie deren Ver-
arbeitung (hauptsächlich Bauteilauslegung, Umform- und Fügetechnologien).
Institut für Kraftfahrwesen (IKA) der RWTH Aachen
www.ika.rwth-aachen.de
Leiter der Forschungsstelle: Univ.-Prof. Dr. Stefan Gies
Das IKA bietet Forschung und Lehre im Bereich automobilen
Leichtbaus. Die Website umfasst eine umfangreiche Publikationsliste
mit vielen Veröffentlichungen, die als Volltext online abrufbar
sind.
ILSB – Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU
Wien
http://www.ilsb.tuwien.ac.at
Das Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik (ILSB) beschäftigt sich interdisziplinär
mit Themen rund um die Konstruktion und Berechnung von Leichtbaustrukturen. Zu den
Kernkompetenzen in Forschung und Lehre gehören Leichtbau-Konstruktionen, Numerische
Berechnung, Biomechanik und Werkstoffmikromechanik sowie Luft- und Raumfahrtstrukturen.
Die verschiedenen Lehr- und Forschungsgebiete des Instituts für Leichtbau und Struktur-Biomechanik
stehen miteinander in enger Beziehung. Zum Beispiel werden Erkenntnisse
und Entwicklungen auf dem biomechanischen Gebiet der Knochenmechanik unter Heranziehung
von Finite-Elemente-Methoden und mikromechanischen Verfahren gewonnen und –
vice versa – zur Optimierung von Verbund-Leichtbaukonstruktionen aus mikrostrukturierten
84

(kompositen) Werkstoffen adaptiert und eingesetzt, wobei auch hier oftmals die Werkstoffbeschreibung
mittels Methoden der Mikromechanik erfolgt.
Leichtbau- und Technologiecenter LTC der FH Dortmund
http://serv01.maschinenbau.fh-dortmund.de/~fischer/LTC.htm
Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. Wilfried Fischer
Das Leichtbau-Technologiecenter der FH Dortmund beschäftigt sich mit Themen rund um
den Leichtbau bewegter Strukturen und verfolgt dabei einen interdisziplinären Ansatz. Ziel ist
die Entwicklung von Software- und Hardwareprototypen für innovative Anwendungen. Forschungsschwerpunkte
sind die Entwicklung von Software zur Topologieoptimierung (OpiuM),
Leichtbau-Fahrzeugentwicklung (Projekt: Leichtbaudreirad in Aluminium-Verbundbauweise
mit Elektroantrieb) und Rapid-Prototyping (Entwicklung eines 3D-Druckers).
Institut für Flugzeugbau und Leichtbau
Technische Universität Braunschweig
http://www.ifl.tu-bs.de/
Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. Peter Horst
Das Institut für Flugzeugbau und Leichtbau wurde 1938 gegründet. Die Leichtbauforschung
für automobile und Luftfahrtanwendungen stellt neben der Forschung im Bereich Flugzeugkonzeption
und –entwurf den Hauptschwerpunkt der Forschungstätigkeit am IFL dar. Abgeschlossene
Forschungsprojekte umfassen Bauteilversuche an Steuerungselementen und
Tragflügeln, Entwicklung von Strukturkonzepten und Programmsystemen für den Flugzeugentwurf,
Crash- und Ermüdungsversuche an Faserverbundstrukturen, dynamische Belastungsversuche
an Flugzeugkomponenten, Rumpfschalen- und Karosseriedesign sowie
neue Leichtbauweisen.
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
der TU Dresden
http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_maschinenwesen/ilk/
Das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden führt umfangreiche
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet beanspruchungsgerechter Leichtbaustrukturen
und -systeme durch. Dabei wird ein werkstoff- und produktübergreifender
85

Ansatz zu Grunde gelegt, der durchgängig die gesamte Entwicklungskette – Werkstoff, Konstruktion,
Simulation, Fertigung, Prototyp, Test, Qualitätssicherung, Kosten – umfasst. Die
Kernkompetenz des ILK liegt im Entwickeln, Auslegen und Optimieren von Komponenten
und Systemen des Hochleistungsleichtbaus sowie der Prototypenfertigung in Mischbauweise.
Das Institut verfolgt einen werkstoffübergreifenden Ansatz und berücksichtigt entsprechend
ihrem konstruktiv-technologischen Eigenschaftsprofil metallische Konstruktionswerkstoffe
ebenso wie Kunststoffe und Composites mit Kurzfaser-, Endlosfaser- oder Textilverstärkung.
Institut für Sandwichtechnologie, FH Mainz
http://www.sandwich.fh-mainz.de
Das Institut für Sandwichtechnik (iS-mainz) ist eine wissenschaftliche Einrichtung des Fachbereichs
Architektur, Bauingenieurwesen, Geoinformatik und Vermessung der Fachhochschule
Mainz und widmet sich technischen und materialwissenschaftlichen Fragestellungen
rund um Sandwichbauteile.
Zentrum für Funktionswerkstoffe, Clausthal
http://www.z-f-w.de
Forschungszentrum mit Schwerpunkt auf der Entwicklung von Druckguss-, Pulver- und Sinterwerkstoffen
mit weiterem Forschungsschwerpunkt Squeeze-Casting.
Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen (KLuB)
der TU Darmstadt
http://www.klub.tu-darmstadt.de/fachgebietklub/startseite_klub/index.de.jsp
Im Zentrum der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Fachgebietes Konstruktiver
Leichtbau und Bauweisen (KLuB) der TU Darmstadt steht der Leichtbau mit Faserverbund-
Werkstoffen.Hierzu beschäftigt sich das Institut mit Konstruktionsmethoden, Krafteinleitungen
und multifunktionalen Strukturen. Im Faserverbund-Technikum werden neu entwickelte
Konzepte und Prototypen angefertigt.
Lehrstuhl für Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik SZM der TU Darmstadt
http://www.szm.tu-darmstadt.de
86

Der Lehrstuhl für Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik SZM der TU Darmstadt beschäftigt
sich mit Fragen der Integration elektronischer Komponenten und Funktionselemente
sowie mit der Entstehung und Ausbreitung von Schwingungen in Bauteilen und Maßnahmen
zu deren Verringerung. Durch den Studienschwerpunkt Kunststofftechnik wird
4.7 Außeruniversitäre Forschungsstellen (europaweit)
Leichtmetall-Kompetenzzentrum Ranshofen LKR
A-5282 Ranshofen · Postfach 26
Tel: ++43/7722/83333-0
Fax: ++43/7722/83333-1
e-mail: elfriede.dicker@arcs.ac.at
Website: www.lkr.at
Kompetenzzentrum Strukturleichtbau e.V.
Technische Universität Chemnitz
Reichenhainer Str. 70
D-09126 Chemnitz
Telefon: 0371 / 531-8154
Telefax: 0371 / 531-4755
http://www.strukturleichtbau.de
Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen FKA mbH, Aachen
http://www.fka.de
Die FKA entstand als Ausgründung des Instituts für Kraftfahrzeuge (IKA) der RWTH Aachen,
mit dem sie weiterhin in enger Kooperation steht.
Das Dienstleistungsspektrum reicht von Konzeption, Entwicklung und Erprobung von Fahrzeugsystemen
über den Bau von Prototypen bis zu Beratung in allen Fragen automobiler
Systeme und automobilen Leichtbaus.
Fraunhofer Labor für Betriebsfestigkeit LBF, Darmstadt
http://www.lbf.fraunhofer.de
Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt, be-
87

wertet und realisiert Lösungen für alle Sicherheitsbauteile im Spannungsfeld zwischen Betriebsfestigkeit,
Adaptronik und Systemzuverlässigkeit für Automobil- und Nutzfahrzeugbau,
Schienenverkehrstechnik, Schiffbau, Maschinen- und Anlagenbau, Luftfahrt, Energietechnik
und andere Branchen. Der Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Bewertung von Lastkollektiven
bei zyklisch beanspruchten Bauteilen im Zusammenhang mit Maßnahmen zur Gewichtseinsparung
und Leichtbau.
IfG - Institut für Gießereitechnik gGmbH, Düsseldorf
Kompentenzbereich Leichtbau in Guss
www.ifg-net.de
Das IfG ist seit seiner Gründung im Jahr 1954 als Brancheninstitut der im Bundesverband
der deutschen Gießereiindustrie (BDG) vertretenen Unternehmen in der Forschung und
Beratung in allen gießereitechnischen Fragestellungen tätig. Der Kompetenzbereich Leichtbau
in Guss, der im Rahmen des Projekts LeiKom zur Bündelung aller leichtbauspezifischen
Fragestellungen am IfG entstanden ist, beschäftigt sich speziell mit der Entwicklung von
Leichtbaulösungen für Gussteile und bietet Forschung und Beratung zu Leichtbaulösungen
aus Gusswerkstoffen, FEM-gestützte Strukturoptimierung für Gussteile, Füll- und Erstarrungssimulation,
die Herstellung von Prototypen und Vormustern sowie Werkstoffentwicklung
und –erprobung an.
4.8 Nationale und internationale Förderprogramme
Bionik-Innovationen aus der Natur
Forschungsprogramm „fona“ Forschung für die Nachhaltigkeit des BMBF
http://www.fona.de/de/1_forschung/wirtschaft/schluesselinnovationen/bionik_innovationen_a
us_der_natur/index.php
Projektträger: Forschungszentrum Jülich FZJ Biotechnologie
Außenstelle Berlin
Dr. Claudia Junge
Wallstraße 17-22
10179 Berlin, Deutschland
Telefon 030-20199 466 | Telefax 030-20199 470
c.junge@fz-juelich.de
BIONA – Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien
88

Förderrichtlinie im Rahmen der High-Tech-Strategie der Bundesregierung über das BMBF
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR e.V.
Herr Dr. Sliwka / Herr Keil
Heinrich-Konen-Str. 1
53227 Bonn
Tel.: 0228/3821-565
Fax: 0228/3821-540
E-Mail: umwelttechnik@dlr.de
WING – Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft
Forschungsgebiete „Leichtbau“ und „Ressourceneffizienz“
BMBF-Rahmenprogramm im Rahmen der High-Tech-Strategie der Bundesregierung
2003 bis heute
http://www.fz-juelich.de/ptj/wing/
89

5 Systematische Leichtbaukonzeption für Gussteile
Der Lösungsweg zu einer leichtbaugerechten Konstruktion unterscheidet sich vom grundlegenden
Ablauf her nicht wesentlich von der standardmäßigen Konstruktionspraxis. Jedoch
kommt Detailfragen wie z.B. der leichtbaugerechten Werkstoffbelegung oder der kraftflussund
gewichtsoptimierten Geometrie eine wesentlich höhere Bedeutung zu als sonst üblich.
Im Zentrum der Betrachtungen steht neben der Absicherung der Funktionalität einer Konstruktion
stets die Forderung nach dem kleinstmöglichen Eigengewicht, welches es unter
Berücksichtigung (und ggf. Absenkung, siehe 3.4) der relevanten Sicherheitsfaktoren. zu
realisieren gilt.
Hilfe bieten u. a. die VDI-Richtlinien zur methodischen Konstruktion, die von der VDI-
Gesellschaft „Entwicklung, Konstruktion, Vertrieb“ herausgegeben werden. Die Sammlung
umfasst im Wesentlichen die Richtlinien VDI 2221 bis VDI 2225. Die übergeordnete Richtlinie
VDI 2221 „Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte“
zeigt den allgemeinen Ablauf bei der Entwicklung und Konstruktion technischer Systeme
und unterteilt den Konstruktionsprozess in sieben Arbeitsschritte (Klären und Präzisieren der
Aufgabenstellung, Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen, Suche nach Lösungsprinzipien,
Gliedern in realisierbare Module, Modulgestaltung, Produktgestaltung, Ausarbeiten
der Ausführungs- und Nutzungsangaben). Sie wird durch die nachfolgenden Richtlinien VDI
2222 Blatt 1 „Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien“, VDI 2222 Blatt 2 „Erstellung
und Anwendung von Konstruktionskatalogen“, VDI 2223 „Methodisches Entwerfen technischer
Produkte“ und VDI 2225 „Technisch-wirtschaftliches Konstruieren“ ergänzt bzw. präzisiert.
90

Abbildung 5-1: Lösungsstrategie gemäß VDI-Richtlinie 2221 zum Entwickeln und Konstruieren
technischer Produkte und Systeme [REU07]
Hieraus lässt sich eine spezielle leichtbaugerechte Konstruktionssystematik ableiten, welche
bei jedem Konstruktionsschritt den Abgleich mit dem verfügbaren Leichtbauwissen hinsichtlich
Konstruktionsstrategien, Bauweisen, Werkstoffen und Designelementen einbezieht. In
Anlehnung an Klein lässt sich diese z.B. wie in Abbildung 5-2 dargestellt [KLE00].:
91

Abbildung 5-2: Vorgehensweise zur Realisierung von Leichtbau-Konstruktionen
[KLE00]
Wie ein Konstruktionsprozess für gegossene Leichtbaukomponenten aus metallischen
Werkstoffen im Detail aussehen könnte, soll nun im Folgenden gezeigt werden. Dabei soll
das Augenmerk besonders auf die beiden zentralen Aspekte des Leichtbaus – Werkstoffauswahl
und Formfindung – gelegt werden, während auf die Besprechung anderer Aspekte,
die durch bestehende Regelwerke wie z.B. VDI 2221 hinreichend behandelt werden, nur am
Rande eingegangen werden soll.
92

5.1 Bauteilanalyse – Belastung, Kosten, Gewicht (Bauteilkenngrößen)
Am Anfang jedes Konstruktionsprozesses steht die Klärung der Anforderungen, die an das
zu entwerfende Produkt gestellt werden, unabhängig davon, ob es sich um eine Neukonstruktion,
Varianten- oder Anpassungskonstruktion handelt.
Wesentliches Werkzeug dieses Arbeitsschrittes ist die Anforderungsliste nach VDI 3694, die
vom Konstrukteur in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber auf Basis der Lasten- und
Pflichtenhefte erstellt wird und die alle relevanten Randbedingungen enthält, die das spätere
Produkt und dessen Eigenschaften und Funktionen kennzeichnen. In der Anforderungsliste
sind die Bauteilanforderungen vom Rang her untergliedert in Ziele, Forderungen und Wünsche,
wobei die Erfüllung von Zielen und Forderungen für den Konstrukteur in jedem Fall
obligatorisch ist. Mit zunehmender Zahl von Anforderungen steigt naturgemäß auch die
Komplexität der Lösungssuche.
Gilt die Anforderungsliste für eine Baugruppe oder ein Gesamtsystem, so sind die definierten
Anforderungen auf alle untergeordneten Baugruppen und Bauteile zu übertragen. Die Anforderungsliste
kann sich an sog. Anforderungskatalogen orientieren, in denen häufig verwendete
Konstruktionsanforderungen nach Themengebieten systematisiert werden und kann
Forderungen hinsichtlich Geometrie, Gewicht, Betriebstemperaturen, Leistung, Belastungshäufigkeit,
Werkstoff, Einsatzbedingungen, Sicherheit, Lebensdauer, Instandhaltung, Recycling,
Energieeffizienz, Kosten, Stückzahlen, Termine etc. beinhalten.
Leichtbaukomponenten sind demnach Bauteile, für welche die Anforderung „niedriges Gewicht“
besteht und gegenüber anderen Anforderungen gleichrangig oder höher bewertet
wird. Das heißt jedoch nicht, dass Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Kosten, Funktion
oder Instandhaltung hinter der Forderung nach Leichtigkeit zurückstehen müssen – es ist die
besondere Herausforderung dieser Disziplin, scheinbare Gegensätze durch innovative Lösungsstrategien
zu vereinen. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine Betrachtungsweise, welche
z.B. die Gesamtkosten eines Produkts über den gesamten Produktlebenszyklus und
nicht die reinen Entwicklungs-, Fertigungs-, Material- und Absatzkosten zu Grunde legt.
5.2 Werkstoffauswahl
Kaum ein Aspekt des Produktentstehungsprozesses wird derart eng mit dem Begriff „Leichtbau“
verbunden wie die Auswahl des optimalen „Leichtbau-Werkstoffs“. Einige Werkstoffklassen,
wie z.B. GFK- und CFK-Werkstoffe, die Leichtmetalle Aluminium, Magnesium und
93

Titan sowie viele technische Kunststoffe werden pauschal als Leichtbauwerkstoffe vermarktet.
Dabei wird suggeriert, dass Leichtbauforderungen allein durch die Verwendung von
Werkstoffen geringer Dichte realisiert werden können. In der Realität spielen jedoch wesentlich
mehr Aspekte für die Beurteilung der Leichtigkeit einer Konstruktion eine Rolle als nur
die Dichte des Konstruktionswerkstoffs. Aufgrund der Vielzahl der Werkstoffparameter, die
mit den in der Anforderungsliste definierten Randbedingungen abzugleichen sind, wird die
Zweckmäßigkeit einfacher Verhältniszahlen als Beurteilungskriterium für eine leichtbaugerechte
Konstruktion vielfach abgelehnt.
Zusätzlich wird die Werkstoffauswahl dadurch erschwert, dass sie nicht losgelöst vom übrigen
Konstruktionsprozess stattfindet, in enger Abstimmung mit der Formfindung, der Klärung
der Funktionsprinzipien und der Prozessauswahl erfolgen muss. Insbesondere bei Neu- und
Anpassungskonstruktionen ergibt sich ein Ablauf, der besondere Flexibilität erfordert. Anfangs
definierte Randbedingungen können sich durchaus im Laufe des Produktentstehungsprozesses
ändern und neue Prozessschleifen erforderlich machen. In diesen Fällen muss
besonderes Augenmerk auf die Abstimmung und Organisation der einzelnen Teilprozesse
und auf eine transparente Struktur des Lösungsfindungsprozesses gelegt werden, wenn kosten-
und zeitintensive Wiederholschleifen vermieden werden sollen.
Daher ist es im Einzelfall erforderlich, auf der Basis von Lastenheft und Anforderungsliste
zunächst die werkstoffrelevanten Randbedingungen zu definieren und in eine Materialanforderungsliste
zu überführen. Auf Basis der Materialanforderungsliste wird dann anschließend
die Werkstoffauswahl initiiert und die Zahl der in Frage kommenden Werkstofflösungen mit
Hilfe geeigneter Werkzeuge wie Materialkatalogen, Werkstoffsuchmaschinen (siehe 4.3)
eingegrenzt. Der Gesamtprozess der Werkstoffauswahl kann dementsprechend in vier Phasen
unterteilt werden: Anforderungsanalyse, Werkstoffauswahl, Bewertung und Evaluierung,
(Abbildung 5-3).
94

Abbildung 5-3: Konstruktionsprozess zur Realisierung von Leichtbau-Konstruktionen
[inach KLE00]
Zur Systematik der Materialauswahl existiert einschlägige Fachliteratur [REU07, ASH07], die
als Entscheidungshilfe konsultiert werden kann.
5.2.1 Materialanforderungsliste
Entsprechend der allgemeinen Anforderungsliste nach VDI 3694 lässt sich auch eine Anforderungsliste
erstellen, die nur Materialanforderungen enthält und diese weiter spezifiziert.
Enthält die allgemeine Anforderungsliste z.B. die Forderung nach einer maximalen Einsatztemperatur
von 500°C, so wird man bei der Erstellung einer Materialanforderungsliste versuchen,
aus dieser Information weitere Forderungen abzuleiten, wie z.B. Verzunderungsbeständigkeit,
Warm(zug-, druck-, schwing-, etc.) -festigkeit, thermische Ausdehnung, Elastizität
und Formbeständigkeit bei hohen Temperaturen etc.
Hilfe bieten Lösungskataloge aus VDI 2222 oder aus Kap. 9 dieses Handbuchs sowie
Checklisten, die der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden können [COL03, REU07
S. 62, CON07 S.322], Kreativitätstechniken und systematische Zusammenstellungen von
Werkstoffeigenschaften (Abbildung 5-4). Damit kann die Materialanforderungsliste weitaus
95

umfangreicher ausfallen und mehr Forderungen beinhalten als das Lastenheft des Kunden.
Zu den Materialanforderungen zählen auch Forderungen, die keine direkten Materialspezifikationen
darstellen, aber durch die Werkstoffauswahl mit beeinflusst werden, wie z.B. Fertigungs-,
Wartungs- und Recyclingkosten.
Abbildung 5-4: Systematik der Werkstoffeigenschaften [REU07]
5.2.2 Auswahlmethoden
Auf Basis der Materialanforderungsliste erfolgt nun die Eingrenzung der zur Verfügung stehenden
Werkstoffpalette auf einen überschaubaren Kreis geeigneter Werkstoffe. In jedem
Fall müssen die Materialanforderungen in konkrete Werkstoffparameter übersetzt und deren
Werte mit den in Werkstoffdatenblättern oder –datenbanken hinterlegten Werten abgeglichen
werden. Basis für den Prozess der Werkstoffauswahl ist die Kenntnis bzw. Verfügbarkeit
einer großen Anzahl von Werkstoffkennwerten und –informationen.
Zur Eingrenzung der Werkstoffe werden die zur Verfügung stehenden Werkstoffe nach Ausschlusskriterien
gefiltert. Ausschlusskriterien sind hierbei durch die Angabe absoluter Werte
gekennzeichnet (Mindestzugfestigkeit, maximale Betriebstemperatur, spezifischen Mindestelastizität
etc.). Eine Über- oder Unterschreitung der Ausschlussgrenze durch einen Werkstoff
führt zu seinem Ausschluss aus der Liste potenziell geeigneter Werkstoffe. Bei der Fest-
96

legung von Ausschlusskriterien ist insbesondere der Beachtung von Kreuzkorrelationen besondere
Aufmerksamkeit zu widmen. So kann das Ausschlusskriterium „nicht schwerer als 5
kg“, welches für ein neu zu entwerfendes Bauteil im Lastenheft besteht, nicht eindeutig in
einen einzelnen Werkstoffparameter (wie z.B. Dichte) übersetzt werden, solange die Geometrie
der Gesamtkonstruktion nicht festgelegt ist. Da mit zunehmender Losgröße der Anteil
der Materialkosten an den Gesamtkosten im Gegensatz zu den Konstruktionskosten ansteigt
(siehe Kap. 8), sollte stets einer konstruktiven Lösung zur Erreichung der Leichtbauziele der
Vorzug vor einer Werkstofflösung gegeben werden. Je nach Werkstoff kann auch im Interesse
einer fertigungsgerechten Gestaltung eine weitere Konstruktionsanpassung notwendig
werden, welche eine anschließende Neubewertung der Werkstofflösung erforderlich macht.
In der Praxis wird man daher versuchen, die Vorauswahl auf Werkstoffe zu begrenzen, die in
der Nähe von bewährten Lösungen aus der Vergangenheit angesiedelt sind.
Im nächsten Schritt sortiert man die Werkstoffe aus der Vorauswahl anhand von Bewertungskriterien,
die den Forderungen und Wünschen in der Anforderungsliste entsprechen, in
besser geeignete und weniger geeignete Werkstoffe. Bewertungskriterien müssen keine Absolutwerte
sein, sondern dürfen durchaus durch tendenzielle Forderungen dargestellt werden
wie z.B. „möglichst leicht“ oder „so steif wie möglich“. Auch sind mehrere Forderungen hinsichtlich
einer Werkstoffeigenschaft zulässig, z.B. „möglichst leicht“ (Bewertungskriterium)
aber „nicht schwerer als“ (Ausschlusskriterium). Entscheidend ist die Festlegung des richtigen
Bewertungsschlüssels auf Basis des Anforderungsprofils des Bauteils, (Abbildung 5-5).
Abbildung 5-5: Vereinfachte Methodik der Werkstoffauswahl für Leichtbau-
Konstruktionsaufgaben [ASH07]
Sind die Materialanforderungen bekannt, so besteht der nächste Schritt darin, diese in entsprechende
Werkstoffparameter zu übersetzen. Dabei macht es durchaus Sinn, Bewertungskriterien
für die Werkstoffauswahl von Geometriefaktoren zu entkoppeln, auch wenn
97

dies eine starke Vereinfachung ansonsten komplexer Zusammenhänge bedeutet. Eine Möglichkeit
besteht in der Formulierung einer Zielfunktion
P = f1 (F) * f2 (G) * f3 (M) (5-1)
deren Lösungsmenge P sich aus den Funktionen f1, f2, f3 zusammensetzt. Dabei steht F für
funktionale, G für geometrische und M für materialbezogene Randbedingungen. Die Zielfunktion
P lässt sich je nach Komplexität entweder als Randwertproblem oder als lineare
Optimierungsaufgabe lösen. Ziel einer Optimierung ist es in jedem Fall, funktions- und geometrieabhängige
Faktoren durch Umformung und Substitution zu isolieren, so dass die Optimierungsaufgabe
für den Fall der Werkstoffauswahl auf reine Materialparameter beschränkt
werden kann.
Der Vorteil dieses Ansatzes besteht in der Erhöhung der Freiheitsgrade bei der Werkstoffselektion
und der Möglichkeit, bewusst die Vorteile von neuen und innovativen Werkstoffen zu
nutzen, die sich unter Verwendung von konventionellen Bauraumkonzepten nicht oder nicht
in vollem Umfang ausschöpfen lassen. Gerade bei Hi-Tech-Werkstoffen ist es jedoch erforderlich,
die höheren Material- und Fertigungskosten durch herausragende Bauteileigenschaften
zu rechtfertigen. Eine werkstoffgerechte Gestaltung der Bauteilgeometrie und der Fertigungsprozesse
ist hierfür unabdingbar.
Dieser Weg wurde bei der Entwicklung sogenannter Materialcharts verfolgt, bei denen wichtige,
leichtbaurelevante Werkstoffkenngrößen wie Dichte, Festigkeit, Elastizität, Einsatztemperatur,
Materialkosten etc. in Bezug zueinander gesetzt wurden. Durch die Verwendung von
Materialcharts (Material Property Charts) in Form von Bubble-Charts oder Balkendiagrammen
wird es dem Konstrukteur erleichtert, mit einem Blick das Potenzial unterschiedlicher
Werkstofffamilien oder –klassen in Bezug auf einen relevanten Verhältniskennwert abzuschätzen
und eine grobe Richtung vorzugeben, in die der Materialauswahlprozess gelenkt
werden soll, (Abbildung 5-6).
98

E-Modul (GPa)
Abb 5 6
Naturstoffe
Polymer, Elastomer
Schäume Keramik
Dichte (t/m^3)
Metalle
Abbildung 5-6: Selektionsparameter-Eingabemaske und Darstellungsmöglichkeiten
von Materialcharts [ASH07]
In der Fachliteratur abgedruckte Materialcharts beschränken sich i. d. R. nur auf eine Abgrenzung
unterschiedlicher Werkstofffamilien und –klassen untereinander. Es existiert jedoch
auch Software, die aus hinterlegten Werkstoffdatenbanken für gewählte Kombinationen
von Selektionsparametern entsprechende Materialcharts erzeugt. Anbieter sind unter 4.3.2
und 4.3.4 aufgeführt.
99

Abbildung 5-7: Screenshot der CAMS-Software CES: Links die Liste vorausgewählter
Werkstoffe, rechts die Darstellung in Form eines Bubble-Charts [Granta Design]
Der Vorteil bei der Verwendung von CAMS-Software wie CES ist unter anderem, dass eine
Vorauswahl von in Frage kommenden Werkstoffen z.B. anhand von Werkstofffamilie oder
bestimmten Ausschlusskriterien getroffen werden kann und der Detaillierungsgrad der erzeugten
Diagramme dementsprechend höher ausfällt (Abbildung 5-7). Zu ähnlichen Ergebnissen
kommt man auch unter Verwendung eigener Datenbanken in Verbindung mit Statistiksoftware
oder gängigen Tabellenkalkulationsprogrammen wie Excel, die gefilterte Datenbestände
als Punktewolken darstellen können. Entscheidend für die Qualität der Entscheidungsgrundlage
sind letztendlich die Zuverlässigkeit und der Umfang der hinterlegten Werkstoffdaten.
5.2.3 BIC/λ-Konzept der SFB64 und SFB230
Wie weiter oben beschrieben, stellt der BIC als auf die Tragfähigkeit einer Konstruktion bezogene
Last einen Kennwert für die Effizienz einer Konstruktionslösung dar. Im Standardfall
wird für die Last das Eigengewicht der Konstruktion eingesetzt, man spricht vom sogenannten
„Eigengewichts-BIC“. Das BIC-Konzept lässt sich aber auch modifizieren, so dass Vergleichskennwerte
zur Beurteilung der Effizienz von Konstruktionen hinsichtlich ihrer Nutzlast,
100

ihres Energieverbrauchs oder ihrer Steifigkeit unter Last gewonnen werden können. Entsprechend
werden Nutzlast oder Energieverbrauch („Verkehrs-BIC“) auf die maximale Tragfähigkeit
oder auf die Tragfähigkeit bis zu einer definierten Verformung bezogen.
Da die Tragfähigkeit von der Form einer Konstruktion abhängig ist, und da dieser Einfluss mit
zunehmender Schlankheit der druck- und biegebeanspruchten Elemente zunimmt, wurde der
Begriff der relativen konstruktiven Schlankheit λ eingeführt als Quotient von Übertragungs-
strecke und der Wurzel der zu übertragenden Last.
s
λ = (5-2)
F
Bei kurzen Übertragungsstrecken und hohen Lasten ist die relative Schlankheit gering, bei
langen Übertragungsstrecken und geringen Lasten ist die relative Schlankheit groß.
101

Im BIC/λ-Diagramm sind nun für verschiedene Konstruktionslösungen, die sich hinsichtlich
Werkstoff, Geometrie und Art der Belastung unterscheiden, tragfähigkeitsbezogene Belastung
und relative konstruktive Schlankheit gegeneinander aufgetragen. Das Diagramm ermöglicht
so einen Vergleich von Konstruktionslösungen, die jeweils die gleiche Funktion erfüllen,
im Hinblick auf ihre Leichtbaueffizienz. Bei gleicher relativer konstruktiver Schlankheit
sind Konstruktionen mit niedrigerem BIC solchen mit größerem BIC hinsichtlich ihrer Effizienz
überlegen, (Abbildung 5-8).
Steinbögen
Beton
Brücken
Unterspannte Träger
Holzwürfel
Stäbe
Säulen
Auswahl aus
vielfältigen
Elementen
Abbildung 5-8: Ausschnitt aus einem BIC/λ-Diagramm [FRE97]
5.3 Formfindungskonzepte
5.3.1 Der formbestimmende Lastfall
Grundlage für die Wahl einer beanspruchungsgerechten Bauteilgeometrie ist zunächst die
Kenntnis des zur Verfügung stehenden Bauraums und der exakten Belastungssituation. Der
Analyse der Belastungssituation hinsichtlich Belastungsart(en), -intensität, Lastverteilung,
Krafteinleitung, Auflagersteifigkeit bzw. Einspannungsbedingungen und Sensitivität gegenüber
adaptiven Prozessen, die im Bauteil stattfinden (z.B. Spannungsabbau durch Kriechen),
kommt dabei in sofern besondere Bedeutung zu, als dass sie für ausschlaggebend für die für
die Geometrieauswahl relevanten Randbedingungen und somit formbestimmend sind. Aus
102

diesem Grund wurde von Sobek der Begriff des Formbestimmenden Lastfalls eingeführt.
Unter Leichtbau-Gesichtspunkten wird die Realisierung aller denkbaren Gewichtseinsparungspotenziale
angestrebt. Dies betrifft, wie unter 3.4 geschildert, auch die Reduzierung
unnötig hoher Sicherheitsfaktoren. Je genauer die tatsächlich zu erwartende Belastungssituation
bereits bei der Bauteilgestaltung eingegrenzt werden kann, desto niedriger können die
entsprechenden Sicherheitsfaktoren angesetzt werden. Auch hier existieren Kreuzkorrelationen
mit der Materialauswahl, zum Beispiel bei der Berücksichtigung von Sicherheitszuschlägen
für Korrosion und Verschleiß auf Schwingfestigkeitswerte oder auf die Lebensdauer. Der
formbestimmende Lastfall hängt somit von der Materialauswahl ab und umgekehrt.
Während bei nicht-tragenden Bauteilen der formbestimmende Lastfall „Eigengewicht“ dominiert,
tritt dieser bei tragenden Bauteilen und insbesondere bei Leichtbaukomponenten zu
Gunsten der Nutzlast und evtl. Nebenlasten (z.B. Windlasten, Betriebslasten) in den Hintergrund.
Dabei sind multiple formbestimmende Lastfälle durchaus möglich. Eine komplexe
Belastungssituation kann sich z.B. bei einem Hinterachslenker aus den Lastfällen Eigengewicht,
Nutzlast und Nebenlasten (z.B. Windlasten, Schwingungsübetragung, dynamische
Beanspruchung durch Überfahren von Hindernissen, Eigenspannungen etc.) ergeben. Bei
nicht eindeutig bestimmbaren Belastungssituationen gilt die größtmögliche Belastungssumme
ohne Rücksicht auf die Eintrittswahrscheinlichkeit nach Sobek als formbestimmend und
kann mit Hilfe spezieller Rechenverfahren (Vielparameteroptimierung) ermittelt werden. Eine
Lösungsalternative bieten adaptive Systeme, die auf Beanspruchungsüberhöhung z.B. durch
Steifigkeitsveränderung oder Geometrieanpassung (im positiven Sinne, d.h. im Sinne von
Kompensation der Beanspruchung) reagieren.
5.3.2 Gestaltungsprinzipien
Neben den allgemeinen Gestaltungsgrundregeln (einfach, eindeutig, sicher), wie sie u. a.
von Conrad definiert wurden, kommt beim leichtbaugerechten Gestalten den Aspekten der
Krafteinleitung und der Gestaltung des Kraftflusses im Bauteil (Kraftleitung) wesentliche Bedeutung
zu. Im Interesse einer geringen inneren Belastung der Konstruktion wird eine möglichst
gleichmäßige Spannungsverteilung über den gesamten Bauteilquerschnitt angestrebt.
Zusätzlich werden die Gestaltungsgrundregeln um die Begriffe „leicht“ und „effizient“ im Austausch
für „einfach“ ergänzt. „Leicht“ bedeutet gewichtsoptimiert, materialsparend bei
höchstmöglicher Bauraumausnutzung. „Effizient“ bedeutet sowohl ressourceneffizient bei
Material und Fertigung als auch energieeffizient im späteren Betrieb. Dementsprechend
wurden die Gestaltungsprinzipien um das Prinzip der Materialeffizienz (im Sinne von effizienter
Massebelegung) und der Funktionsintegration (als zu prüfende Alternative zur Differenti-
103

albauweise) erweitert. Konventionelle Gestaltungsgrundregeln wie niedrige Betriebs- und
Wartungskosten sowie einfache Montage und Fertigung ergeben unter Beachtung der Prinzipien
„leicht“ und „effizient“ von selbst.
Abbildung 5-9: Grundsätze und Prinzipien für die Gestaltung technischer Produkte
[CON03, REU04]
Konkret bedeutet dies, dass für maximale Leichtbauforderungen der Kraftfluss stets auf kürzestem
Weg geführt wird. Gemäß Gl. (2-4) bedeutet dies eine Minimierung der erforderlichen
Tragfähigkeit und somit reduzierte Materialanforderungen, die ggf. mit leichteren Werkstoffen
zu realisieren sind. Bauteile sind vorzugsweise auf Zug und Druck zu dimensionieren, Biegeund
Torsionsbeanspruchungen sind im Interesse der Gesamtsteifigkeit der Konstruktion zu
vermeiden.
Dort, wo Konstruktionen auf Steifigkeit ausgelegt werden müssen, sind entweder die Eigenschaften
entsprechend optimierter Werkstoffe mit hohen Elastizitätsmoduli bei gleichzeitig
geringer Dichte auszunutzen (z.B. Kohlefaserwerkstoffe, bestimmte NE-Metalle) oder bei
Werkstoffen mit niedrigem E-Modul durch konstruktive Versteifungen (zu Lasten der Gesamtmasse
der Konstruktion) auszugleichen.
104

Bei benachbarten Bauteilen mit übergeordneter Gesamtfunktion ist zu prüfen, ob sich durch
Integralbauweise und Funktionsintegration Vorteile in Bezug auf Gewicht, Fertigungs- und
Montageaufwand, Materialkosten, Ausfallwahrscheinlichkeit etc. gegenüber der Bauweise in
Segmenten mit Teilfunktionen ergeben.
5.3.3 Lineare Elastizitätstheorie
Zur statischen Berechnung von Tragwerken bedient man sich idealisierter Modelle. So können
Tragwerke in Abhängigkeit vom Grad der Annäherung an die reale Beanspruchungssituation
entweder als volumen-, flächen- oder stabförmige Tragwerke aufgefasst werden. Ein
stabförmiges Tragwerk stellt hierbei den am einfachsten zu berechnenden Fall dar, da die
entstehenden Gleichungssysteme für die Gleichgewichtsbedingungen (außer bei Stabilitätsversagen
oder großen Verformungen) linear, d.h. eindeutig lösbar sind. Aus diesem Grund
strebt man auch bei komplexen Optimierungsaufgaben häufig eine Reduzierung des Problems
auf lineare Teilprobleme an, welche sich mathematisch eindeutig lösen lassen.
Eine belastete Struktur in Form eines stabförmigen Tragwerks lässt sich mit Hilfe der linearen
Elastizitätstheorie berechnen, wenn linear-elastisches Werkstoffverhalten vorausgesetzt
wird (Belastung im Bereich der Hooke´schen Geraden, kein gummielastischer Werkstoff,
Abbruch der Rechnung bei beginnender plastischer Verformung). Ergebnis der Rechnung ist
bei Anwendung der Deformationsmethode eine Steifigkeitsmatrix, welche die Verformung
des Bauteils unter der jeweiligen Last als Verschiebungen in den Knotenpunkten wiedergibt,
bei Anwendung der Kraftmethode entsteht eine Spannungsmatrix.
Zur Formfindung eingesetzt, dient das Rechenverfahren zur Bewertung und zum Vergleich
unterschiedlicher Designvorschläge. Es stellt zudem die Grundlage für die numerische Lösung
von Stabilitätsproblemen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) dar. Da die
Lösung auf Basis eines idealisierten Modells erfolgt, bei dem gewisse Einflussfaktoren oder
Beziehungen innerhalb des Bauteils vernachlässigt werden, können die Ergebnisse mehr
oder weniger stark von der Realität abweichen und sind an einem Vergleichsbauteil in einem
exemplarischen Versuch zu verifizieren.
Berechnet werden können Spannungsverteilung, Steifigkeitsbelegung und (begrenzt) Verformungen
bei Zug-, Druck-, Biege- und Torsionsbeanspruchung für den Lastfall statische
Belastung. Die Berechnung nichtlinearer Bauteileigenschaften (dynamische, zyklische,
Kriechfestigkeit) ist mit Hilfe der linearen Elastizitätstheorie nicht möglich.
105

Zur leichtbaugerechten Formfindung geht man so vor, dass zunächst Designvorschläge mit
dem Ziel einer maximalen Gewichtsersparnis erarbeitet werden. Diese werden anschließend
rechnerisch auf ihre Zielgrößen analysiert und unter Verwendung der unter 2 besprochenen
Leichtbau-Kenngrößen miteinander verglichen.
5.3.4 Bionik-Konzepte
Mit dem Begriff „Bionik“ (engl. „Biomimetrics“) wird das Ableiten von technischen Lösungskonzepten
von Beispielen aus der belebten Natur verstanden. Je nach verfolgter Fragestellung
unterteilt sich die noch relativ junge Wissenschaftsdisziplin in eine Vielzahl von Fachgebieten,
von denen für den Leichtbau neben der Struktur- oder Konstruktionsbionik die Gebiete
Verfahrensbionik, Funktions- oder Bewegungsbionik und Evolutionsbionik von Bedeutung
sind.
Dabei gilt das Minimum-Maximum-Gesetz als Grundprinzip der Bionik, d.h. das Erreichen
eines Maximums an Funktion bei einem Minimum an Materialeinsatz und Energieaufwand,
z.B. durch Strukturanpassung. Insofern ist die Bionik eng mit dem Themengebiet Leichtbau
verknüpft.
Im Rahmen der Bionik haben sich verschiedene Lösungsansätze entwickelt. Bei der Strukturanalyse
geht man von einer biologischen Lösung aus, analysiert deren Wirkprinzipien und
überträgt diese anschließend auf ein technisches Produkt. Üblicherweise wird man im Rahmen
eines Produktentstehungsprozesses jedoch eher den umgekehrten Weg wählen und
eine technische Aufgabenstellung analysieren, auf Basis deren Wirkprinzipien Beispiele aus
der belebten Natur gesucht werden und anschließend auf das zu entwerfende Produkt übertragen
werden (Strategie nach Linde und Hill, Abbildung 5-10).
106

Abbildung 5-10: Strategiemodell nach Linde/Hill [HIL99]
Als Hilfsmittel wurden hierfür Strukturkataloge entwickelt, in denen für eine bestimmte Aufgabenstellung
Lösungsbeispiele aus der Natur aufgelistet sind [siehe u. a. Hill]. Ein Strukturkatalog
für das Aufgabengebiet „stützender und tragender Leichtbau“ ist in Anhang 9.2 wiedergegeben.
5.3.5 Rechnergestützte Formfindungsprozesse
Unter Einsatz rechnergestützter Methoden (FEM) wurden Verfahren zur Topologieoptimierung
von Bauteilen entwickelt, die auf einer Simulation natürlicher Wachstumsprozesse von
Knochen- oder Holzstrukturen beruhen. In natürlichen Strukturen registrieren interne Rezeptoren
lokale Spannungskonzentrationen und regen Wachstumsprozesse an mit dem Ziel,
Spannungskonzentrationen durch Materialanlagerung abzubauen. Ziel der Optimierung ist
eine konstante Spannungsverteilung bei minimalem Materialaufwand. Diese Verfahren haben
unter den Methoden der Topologieoptimierung inzwischen ihren festen Platz und zählen
zum Stand der Technik in der rechnergestützten Produktentwicklung.
Mit Hilfe der Topologieoptimierung ist es möglich, aus einem vorgegebenen Bauraum und
einer vorgegebenen äußeren Belastung eine kraftlinienoptimierte Struktur zu berechnen.
Hierbei wird zunächst für den komplett mit Material hinterlegten Bauraum eine Spannungsberechnung
durchgeführt und anschließend das hinterlegte Material in Bereichen, deren
107

Spannungskonzentration unter einem bestimmten Threshold-Wert liegt, eliminiert. In mehreren
Iterationsschleifen nähert sich das Berechnungsergebnis schließlich immer mehr einer
kraftlinienoptimierten und materialsparenden Form an, (Abbildung 5-11).
Abbildung 5-11: Mit Hilfe der Topologieoptimierung wird aus einem vorgegebenen
Bauraum eine Struktur errechnet, die eine konstante Spannungsverteilung bei optimal
geführtem Kraftfluss gewährleistet. Die Massebelegung in gering beanspruchten Bereiche
wurde eliminiert. [STU03]
Die Optimierung der Bauteilgeometrie kann mit Hilfe von Zielfunktionen und Nebenbedingungen
(z.B. geringe Masse, geringes Volumen, hohe Steifigkeit, geringe Spannung, berechnete
Schädigungsverteilung bei zyklischer Beanspruchung etc.) oder auf Basis biologischer
Optimierungsstrategien (CAO/SKO) erfolgen. Die Bewertung der Iterationsergebnisse
erfolgt in der Regel automatisch, so dass als Endergebnis eine entsprechend der Aufgabenstellung
optimierte Geometrie steht.
Insbesondere für Neukonstruktion kann die rechnergestützte Topologieoptimierung zu vollkommen
neuen Strukturen führen, deren Vorteile bei einer schlichten Anpassung bestehender
Geometrien mit konventionellen Methoden möglicherweise nicht berücksichtigt würden.
Softwarepakete für die rechnergestützte Topologieoptimierung sind z.B. OptiStruct, Ansys,
TOSCA, OPIUM (FH Dortmund), CATOPO oder NASTRAN. In der Regel beinhalten diese
Systeme verschiedene Lösungsstrategien (z.B. Optimale Spannungsverteilung, Bionische
Methoden etc.) und lassen sich durch benutzerindividuelle Solver erweitern.
Zu den auf biologischen Wachstumsregeln basierenden Lösungsverfahren zählen insbesondere
die Verfahren Computer Aided Optimization (CAO), Soft-Kill-Option (SKO) und Computer
Aided Internal Optimization (CAIO), die vor einigen Jahren am Forschungszentrum Karlsruhe
entwickelt wurden, und die heute im Rahmen der gängigen Softwarepakete zur Topologieoptimierung
genutzt werden.
108

Bei der CAO-Methode werden, ausgehend von einem beliebigen Designvorschlag und einer
vorgegebenen Belastungssituation, Bauteilbereiche mit hoher Spannungskonzentration
durch Anlagerung von Material an die äußere Schicht so optimiert, dass eine homogenere
Spannungsverteilung im Bauteil erreicht wird und Spannungsmaxima sukzessive abgebaut
werden.
Die Soft-Kill-Option nutzt die Mechanismen des adaptiven Katabolismus (Abbau von Knochensubstanz
an gering beanspruchten Stellen) zur Berechnung überschüssigen Materials.
Sie wird zur Bauteilberechnung immer dann eingesetzt, wenn aus einem vorgegebenen Bauraum
bei definierter Last überschüssiges Material an gering beanspruchten Stellen entfernt
werden soll (Aushöhlung nichttragender Bereiche).
Bei inhomogenen Materialien wie Faserverbundwerkstoffen ist der Kraftlinienverlauf im Bauteil
für die optimale Faserorientierung entscheidend. Mit Hilfe der CAIO-Methode lassen sich
Hauptnormal- und Schubspannungen für unterschiedliche Faserverläufe berechnen und eine
iterative Anordnung der Fasern mit dem Ziel vornehmen, Schubspannungen zu minimieren
und eine kraftflussgerechte Faseranordnung zu erreichen.
109

Abbildung 5-12: Bionische Methoden in der rechnergestützten Topologieoptimierung
[MAT02]
6 Werkstoff- und fertigungsgerechte Gestaltung
Außer den Hauptkriterien Gewicht und Funktion existiert eine Vielzahl von Randbedingungen,
die bei der Wahl einer anforderungsgerechten Konstruktion berücksichtigt werden müssen.
Hierzu gehört insbesondere die Forderung nach einer Werkstoff- und fertigungsgerechten
Gestaltung von Leichtbauteilen, denn diese Randbedingungen haben unmittelbaren Einfluss
auf die Materialauswahl und Geometrie, (Abbildung 6-1). Es nützt zum Beispiel nichts,
eine Versteifungsrippe aus Stahlguss so schmal zu dimensionieren, dass sie zwar optimal
trägt, aber das gewählte Gießverfahren und die Viskosität des Materials nicht dazu geeignet
sind, die Form an dieser Stelle komplett mit Material auszufüllen.
110

Abbildung 6-1: Randbedingungen bei der Gestaltung von Leichtbau-Gussteilen
6.1 Werkstoffgerechte Gestaltung
Die Forderung nach einer Gestaltung, welche die Vorzüge des gewählten Werkstoffs voll zur
Geltung bringt, steht im Mittelpunkt der werkstoffgerechten Gestaltung. Die hohen Materialkosten
von Leichtbaumaterialien im Vergleich zu Standard-Konstruktionswerkstoffen lassen
sich nur dann rechtfertigen, wenn die besonderen Vorteile des jeweiligen Werkstoffs erkannt
und sinnvoll genutzt werden. Voraussetzung hierfür ist die Kenntnis der Werkstoffeigenschaften
im Detail (neben den Haupteigenschaften existieren häufig noch eine Reihe weiterer Eigenschaften,
die Vorzüge wie z.B. Korrosionsbeständigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Recyclebarkeit,
Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit, Ästhetik etc. bieten können), die Beachtung relevanter
Regelwerke (Normen, Merkblätter, Richtlinien für Konstruktion und Fertigung) und die
Bereitschaft, werkstoffgerecht zu konstruieren.
111

6.1.1 Normen und Regelwerke
Neben den einschlägigen Normen für die jeweiligen Werkstoffe existiert noch eine Anzahl
von Merkblättern und Richtlinien, welche Hinweise für die werkstoffgerechte Gestaltung enthalten,
(Tabelle 6-1). Für den Bereich der metallischen Gusswerkstoffe sind hierunter insbesondere
die VDG-Merkblätter K 200 und N1 zu nennen sowie die FKM-Richtlinien zum rechnerischen
und bruchmechanischen Festigkeitsnachweis, die für den Konstrukteur statisch
oder zyklisch belasteter Bauteile unerlässlich sind. Die darin enthaltenen Sicherheitsaufschläge,
die bei der Berechnung veranschlagt werden führen jedoch zu hohen Wandstärken
und damit hohem Materialeinsatz, welches nicht unbedingt mit der Zielvorstellung Leichtbau
übereinstimmt. Aus diesem Grund existieren Bestrebungen, über eingeengte Werkstoffspezifikationen
zu geringeren Sicherheitsaufschlägen und damit zu leichteren aber dennoch sicheren
Bauteilen zu gelangen.
Tabelle 6-1: Normen für Gusswerkstoffe
Norm, Richtli- Bezeichnung
nie, Merkblatt-
Nr.
FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile
FKM-Richtlinie Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis
DIN EN 1559 Gießereiwesen - Technische Lieferbedingungen
DIN EN 1561 Gusseisen mit Lamellengraphit
DIN EN 1562 Temperguss
DIN EN 1563 Gusseisen mit Kugelgraphit
DIN EN 1564 Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit
DIN 1681 Stahlguss für allg. Verwendungszwecke - Technische Lieferbedingungen
DIN EN 1688 Gussrohteile aus Leichtmetalllegierungen – Allgemeintoleranzen, Bearbeitungszugaben
DIN EN 1753 Blockmetalle und Gusstücke aus Magnesiumlegierungen
DIN EN 1706 Aluminium und Aluminiumlegierungen - Gussstücke - Chemische Zusammensetzung
und mechanische Eigenschaften
DIN EN 1982 Kupfer und Kupferlegierungen – Blockmetalle und Gussstücke
DIN EN 12844 Zink und Zinklegierungen – Gussstücke
DIN 17182 Stahlgussorten mit verbesserter Schweißeignung
Zähigkeit für allgemeine Verwendungszwecke
und
DIN 17205 Vergütungsstahlguss für allgemeine Verwendungszwecke
VDG K 200 Gussteile für den Maschinenbau
112

VDG N 1 Vermeiden und Beseitigung von Eigenspannungen in Gusstücken aus
Gusseisen mit Lamellengraphit
VDG W 50 Gusseisen mit Vermiculargraphit
VDI 2222 Konstruktionsmethodik – Erstellung und Anwendung von Konstruktionskatalogen
VDI 2234 Wirtschaftliche Grundlagen für den Konstrukteur
VDI 2243 Recyclingorientierte Produktentwicklung
DIN EN 10283 Korrosionsbeständiger Stahlguss
DIN EN 10295 Hitzebeständiger Stahlguss
ISO 13521 Verschleißbeständiger Stahlguss
DIN 65582 Luft- und Raumfahrt; Wärmebehandlung von Gussstücken aus Aluminium-
und Magnesiumlegierungen
6.1.2 Werkstoffeigenschaften
Absolute Werkstoffkennwerte stellen die Basis für einen Vergleich unterschiedlicher Werkstofflösungen
für eine Konstruktionsaufgabe hinsichtlich ihrer leichtbaugerechten Gestaltung
dar. Zur Beurteilung der Leichtbaueffizienz werden insbesondere die Eigenschaften
• Dichte
• Festigkeitswerte (Fließgrenze, Bruchfestigkeit, Dehnung)
• Elastizität
• Zuverlässigkeit (Dauerfestigkeit, Bruchzähigkeit)
• Temperaturbeständigkeit
• Wärmeausdehnung
• Eignung für Fertigung und Bearbeitung
• Material- und Fertigungskosten
herangezogen [Klein 2007]. Setzt man absolute Werkstoffkennwerte in Bezug zu anderen
absoluten Werkstoffkennwerten oder Eigenschaften (Dichte, Festigkeit, Kosten etc.), so ergeben
sich abgeleitete Leichtbaukennwerte wie spezifische Festigkeit, spezifische Kosten
etc., die zum Vergleich verschiedener Werkstofflösungen für eine vorgegebene Aufgabe dienen
können. Diese können z.B. in Form von Ashby-Diagrammen aufgetragen und miteinander
verglichen werden (siehe Kap.2).
113

6.1.3 Leichtbau-Werkstoffe
Grundsätzlich lässt sich mit allen zur Verfügung stehenden Werkstoffen durch leichtbaugerechte
Konstruktion unter optimaler Ausnutzung der jeweiligen Werkstoffeigenschaften Strukturleichtbau
realisieren. Es existiert jedoch eine Vielzahl von Werkstoffen, die speziell unter
der Vorgabe entwickelt wurden, bei möglichst hoher Tragfähigkeit möglichst viel Gewicht
einzusparen. Diese Werkstoffe werden als Leichtbau-Werkstoffe bezeichnet. Mit zunehmender
Tragfähigkeit steigen generell auch die Materialkosten für diese Werkstoffe stark an.
Leichtbau-Werkstoffe sind somit i. d. R. wesentlich teurer als Standardwerkstoffe, insbesondere
dann, wenn ihre Entwicklung noch nicht vollständig abgeschlossen ist und in umfangreiche
Erprobungsmaßnahmen investiert werden muss, um einen fundierten Festigkeitsnachweis
führen zu können, (Abbildung 6-2).
E-Modul (GPa)
Naturstoffe
Schäume
Technische
Keramik
Polymer, Elastomer
Volumenbezogener Relativkostenfaktor
Metalle
Abbildung 6-2: Spezifische Materialkosten für verschiedene Werkstoffgruppen im Vergleich
[ASH07]
Leichtbau-Werkstoffe lassen sich gemäß Ihrer Zugehörigkeit zu verschiedenen Werkstofffamilien
und -gruppen grundsätzlich in metallische und nichtmetallische Werkstoffe unterteilen.
Zu den nichtmetallischen Werkstoffen zählen u. a. Kunststoffe und Faserverbund- oder Kompositwerkstoffe
wie CFK und GFK. Auf diese Werkstoffe soll im Folgenden nicht weiter eingegangen
werden.
Von den metallischen Leichtbau-Werkstoffen kommt derzeit dem Aluminium und seinen
Legierungen die größte Bedeutung im werkstofflichen Leichtbau, insbesondere in der Verkehrstechnik
zu. Studien belegen, dass durch die weitestgehende Verwendung von Aluminiumkomponenten
aktuell bis zu 18 % und zukünftig bis zu 24 % des Eigengewichts eines
PKW gegenüber einer überwiegenden Stahlbauweise eingespart werden können [WAL03].
114

Bei einem druckgegossenen Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium für einen 1,0-l-Motor
beträgt die Gewichtseinsparung im Vergleich zur Graugussvariante rund 50% [FRI02].
Da jedoch in vielen Fällen die Gewichtseinsparung bei Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen
gegenüber Komponenten aus Gusseisen mit Ausgleichmassen und Dämpfungsmassen erkauft
wird, entscheidet in letzter Instanz erst der Motorenvergleich über den Effizienzvorsprung
der jeweiligen Variante.
Aluminiumgusslegierungen kommen in vielen Fahrzeugbereichen bereits standardmäßig
zum Einsatz, so z.B. im Druckgussverfahren gefertigte Komponenten für Getriebegehäuse,
Kolben und Zylinderkurbelgehäuse oder im Sand- und Kokillenguss gefertigte Felgen und
Zylinderköpfe.
Die Werkstoffforschung und Legierungsentwicklung von Aluminum-Gusswerkstoffen konzentriert
sich derzeit stark auf die Aspekte Warmfestigkeit, Duktilität und zyklische Werkstoffeigenschaften.
So wurden bereits vor Jahren Legierungen auf AlSiMg-Basis durch Zulegieren
von Kupfer und Nickel für Anwendungen modifiziert, bei denen Warmfestigkeit und
Kriechbeständigkeit im Temperaturbereich zwischen 150 und 200°C gefordert sind (Al-
Si7MgCu). Auch der Werkstoff AlCu5Mn sowie mit Scandium und Zirkonium dotierte Legierungsvarianten
auf AlMg-Basis wurden für den Einsatz in thermisch beanspruchten Baugruppen
entwickelt [LEN04]. Eine neuere Entwicklung ist die Druck- und Kokillengusslegierung
Thermodur-30 (AlMg3Si1MnCr) mit konstanter Dehngrenze bis 180°C und einer Bruchdehnung
von 5-10%. Diese Legierung zeichnet sich gleichzeitig durch gute Warmfestigkeit,
hohe Duktilität und hohe Korrosionsbeständigkeit aus.
Speziell für den Aluminium-Druckguss wurden in jüngster Zeit Werkstoffe mit verbesserter
Duktilität und Bruchzähigkeit entwickelt (Castasil-37, AlSi9Mn, Magsimal/Maxalloy,
AlMg5Si2Mn). Porenarme Druckgusstücke aus Castasil 37 sind schweißbar und erreichen
im Gusszustand eine Bruchdehnung von 10-14% durch ein langzeitveredeltes feinkörniges
Eutektikum sowie durch eine Begrenzung des Magnesiumgehaltes zur Verbesserung der
Alterungsbeständigkeit. Hierdurch kann auf eine Wärmebehandlung mit Lösungsglühen verzichtet
werden. Druckgussteile aus Magsimal-59 erreichen je nach Wanddicke bis zu 18%
Bruchdehnung im Gusszustand und bis zu 20% nach Weichglühen und werden deshalb für
Sicherheitsteile in der Automobilindustrie in zunehmenden Maße eingesetzt. Der Eisengehalt
in den wärmebehandelbaren Druckgusslegierungen ist i. d. R. sehr niedrig gehalten (maximal
0,2%), zusätzlich enthalten diese Werkstoffe mehr Mangan zur Kompensation des Resteisengehalts
[ARF08, LEN04]. Die Verarbeitung dieser Legierungen erfordert zur Vermeidung
von Oxidation und Ankleben eine wesentlich sauberere Arbeitsweise und einen höhe-
115

en Aufwand, um die angestrebten Werkstoffeigenschaften sicher zu erreichen. Schweißbare
Druckgusslegierungen werden u. a. für bei Verbundschweißkonstruktionen für Fahrzeugtüren
eingesetzt [VDI02].
Bei in Großserie gefertigten Motorblöcken aus Aluminium dominieren aus Kostengründen
inzwischen druckgegossene Motorblöcke. AlSi-Legierungen, die erhöhte Anteile an Kupfer
und Nickel besitzen, zeichnen sich durch eine verbesserte thermische Stabilität gegenüber
Standardwerkstoffen aus und haben sich im Bereich der Kolbenfertigung bewährt („Thermodur“-Legierungen)
[ROT07, STE99]. Aber auch die klassischen Kolbenwerkstoffe auf AlSi-
Basis mit nah- oder übereutektischer Zusammensetzung werden beständig weiterentwickelt
und an die steigenden Anforderungen der Verbrennungsmotoren angepasst [REI05].
Aluminiumschäume werden seit ihrer Wiederentdeckung Anfang der 90er Jahre inzwischen
im industriellen Maßstab hergestellt. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Anwendungen,
bei denen der Metallschaum im Verbund mit anderen Bauteilelementen (z.B. Bleche,
Hohlprofile, Gussteile) eingesetzt wird. Die so entstehenden Verbundkörper werden in
ebene oder komplex geformte Sandwichstrukturen und 3-dimensionale Formkörper eingeteilt
[BAU07].
Der Einsatz von Aluminium-Schäumen im Fahrzeugbau hat trotz der inzwischen gut untersuchten
Eigenschaften nur vereinzelt Einzug gefunden [KLA07]. Durch Forschungsprojekte
und Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren von Aluminiumschaum gewinnt dieses
Leichtbaukonzept weiter an Bedeutung (induktives Aufschäumen, Aluminiumpulvergemische,
etc.). Ziel des Fertigungsvorgangs ist ein stabiler, homogener und geschlossenporiger
Schaum. Die Dichte des Aluminiumschaums beträgt etwa 0,25 g/cm³, eine Reduzierung von
ca. 90 % im Vergleich zu Aluminiumlegierungen. Das charakteristische Merkmal des
Schaums ist das Druckdeformationsverhalten. Durch das gute Energieabsorptionvermögen
eignet sich diese Werkstoffentwicklung besonders gut für Komponenten des Insassen- und
Fahrzeugschutzes (crashrelevante Bauteile). Für den Audi Q7 fertigt die Firma Alulight,
Ranshofen (Österreich), einen Halter für das Gepäck-Trennnetz zwischen Insassen und Kofferraum.
Bei einem Crash wird ein in einem Halteprofil gelagertes Aluminiumschaumröhrchen
über einen Dorn auf Druck belastet und so die kinetische Energie in Deformationsenergie
umgewandelt [HAN07].
Einfach geformte Aluminium-Gussteile für Karosserie und Antriebsstrang, die keine komplexen
Innenkonturen enthalten, stehen in Konkurrenz zu Aluminium-Schmiedeteilen, welche z.
T. überlegene Materialeigenschaften aufweisen.
116

Der geringe E-Modul von Aluminiumlegierungen und die im Vergleich zu Eisenwerkstoffen
geringere Steifigkeit stellt derzeit eine Anwendungsgrenze dar, welche es verhindert, dass
sich der Werkstoff auch bei größeren und höher belasteten Bauteilen wie z.B. Rotornaben
für Windkraftturbinen oder Roboterarmsegmenten etabliert. Aus diesem Grund wird intensiv
an Möglichkeiten geforscht, den E-Modul zu beeinflussen und den Werkstoff z.B. durch Einbringen
von Glas-, Karbon- oder Keramikfasern und –partikeln zu versteifen.
Spannung in MPa
EN AC-AlSi12Fe; 36% Al2O3
Unverstärktes EN AC-AlSi12Fe
Durchbiegung in Mikrometer
Abbildung 6-3: Mit faser- und partikelverstärkte Aluminiumlegierungen lassen sich
höhere Steifigkeit en realisieren, die die Anwendungsgrenzen von Aluminiumlegierungen
erweitern. [GIE05]
Magnesium- und Magnesiumlegierungen
Die Verwendung von Magnesium als Konstruktionswerkstoff hat in den vergangenen 20 Jahren
weltweit überdurchschnittlich zugenommen. Aufgrund des durch die hohe Nachfrage
ausgelösten Preisanstiegs stagniert die Erzeugung von Magnesium-Gussteilen jedoch derzeit
wieder. Bestehende Applikationsprobleme verhindern zudem die weitere Expansion des
Werkstoffs insbesondere im Bereich des Fahrzeugbaus trotz intensiver Entwicklungsanstrengungen.
Die Verwendung von Mg-Gusswerkstoffen im Fahrzeugbau hat eine lange Tradition. Bereits
in den Jahren 1927 bis 1930 wurden im Adler „Standard 6“ 74 kg Mg in Form von Gehäuseteilen,
Abdeckungen und disc wheels verbaut, was immerhin einem Anteil von 5 % am Gesamtgewicht
entsprach [WIK01, BLA04]. Von 1938 bis 1971 wurden im VW Käfer insgesamt
mehr als 400 000 t Magnesium verbaut. Dies entsprach rund 19 kg Magnesium pro Fahrzeug,
die hauptsächlich im Kurbelgehäuse des luftgekühlten 4-Zylinder-Boxermotors ihre
117

Anwendung fanden [JOK05]. Bedingt durch andauernde Korrosionsprobleme und Probleme
mit der Wärmeleitung nach Vergrößerung des Hubraums wurde das Kurbelgehäuse ab der
Baureihe 1303 wieder aus Aluminium ausgeführt, was zu einem Einbruch der weltweiten
Magnesiumverwendung führte [BLA04]. Auch die Fertigung von druckgegossenen Leichtmetallfelgen
aus Magnesium bei Porsche für die Modelle 914/916 wurde aufgrund von Korrosionsproblemen
wieder eingestellt. Heute werden Mg-Leichtmetallfelgen geschmiedet, um
bessere Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit zu erreichen [BLA04]. Erst mit der Entwicklung
von hochreinen Magnesiumlegierungen (HP-Alloys) in den 90er Jahren wurde eine
Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erzielt und das Interesse der Fahrzeughersteller
an Magnesium-Applikationen erneut geweckt.
Magnesium wird aufgrund seiner guten Gießeigenschaften und seiner relativ schlechten Umformbarkeit
nach wie vor überwiegend im Druckgussverfahren verarbeitet. Anwendungen im
Bereich des Fahrzeugbaus schließen Teile der Außenhaut (Heckklappe, Abdeckungen, Türgriffe),
des Innenraums (Lenksäulenteile, Lenkrad, Instrumentenabdeckungen, Türinnengriffe
und Schalter), Strukturteile (Instrumententafelträger, Türinnenrahmen, Halterahmen) und
Gehäuse ein.
Aufgrund ihres guten Fließverhaltens im Vergleich zu Al- und Zn-Legierungen eignen sich
Magnesium-Gusswerkstoffe insbesondere für großflächige und sehr dünnwandige komplexe
Gussteile. Bereits 1952 wurde die komplette Karosserie eines Sportwagens aus Mg-Blechen
hergestellt [JUC01]. Aktuelle Beispiele für Strukturteile sind druckgegossene Türinnenrahmen
aus Mg-Legierungen, die in der S-Klasse von Mercedes Benz oder der DB9 von Aston
Martin serienmäßig zum Einsatz kommen [KER06]. Die hiermit verbundene Gewichtseinsparung
gegenüber der konventionellen Aluminiumbauweise beträgt rund 1/3. Durch Einsatz
einer großflächigen Verdeckklappe mit 1,5 m Breite aus AM50 HP im BMW 3er Cabrio (Bj.
2002, E46) wurde eine Gewichtseinsparung von 3 kg im Vergleich zur Stahlbauweise bei
vergleichbarer Steifigkeit realisiert [HÄN02, mit Abb.].
Aufgrund ihres Korrosionsverhaltens erfüllten Magnesiumlegierungen bis vor wenigen Jahren
nicht die Anforderungen für Sicherheitsteile und ließen sich somit nicht serienmäßig für
Fahrwerksteile einsetzen [HÄN02]. Aus diesem Grund beschäftigten sich zahlreiche Forschungsarbeiten
mit der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen
z.B. durch Zulegieren von Cer, Ca und seltenen Erden, durch Beschichtungsverfahren
oder durch Oberflächenbehandlung [LEI07]. Inzwischen werden auch Sicherheitsbauteile
im Bereich von Cockpit und Lenksäule aus Magnesium-Legierungen gegossen [SCH07.2].
118

Im Bereich des Motors und der Motorumgebung finden Magnesium-Gusswerkstoffe Anwendung
bei Zylinderkurbelgehäusen, die als Verbundgussteile gefertigt werden. Auf diesem
Gebiet haben insbesondere die Fahrzeughersteller BMW und Audi intensive Entwicklungsarbeit
geleistet. Die Herstellung der Verbundkurbelgehäuse erfolgt bei beiden Herstellern im
Druckgussverfahren, wobei ein sprühbeschichtetes Al-Insert (AlSi17Cu4) in die Druckgussform
eingelegt und mit einer Magnesiumlegierung (meist MRI 153 M) umgossen wird
[SCH05]. Durch die Ausführung als Verbundgussteil wird gegenüber der Monometall-
Bauweise aus Aluminium eine zusätzliche Gewichtsersparnis von 10 kg erreicht [WOL03].
Anwendung finden die neuen ZKG in Serie bei Achtzylinder-Motoren von BMW und im 1,8-l-
4-Zylinder-Turbomotor von Audi/VW, der in unterschiedlichen Fahrzeugen des Konzerns
verbaut wird (Serienleistungen 110-165 kW).
Magnesiumlegierungen mit Faser- oder Partikelverstärkung zur Verbesserung von Steifigkeit,
Ermüdungs- und Warmfestigkeit werden derzeit intensiv erforscht, sind jedoch noch
nicht serienmäßig im Einsatz. Als Verstärkungsmaterialien werden Carbonfasern und SiC-
Fasern eingesetzt [LEI07, LEI08]. Untersuchungen an thixotrop vergossenen Magnesiumlegierungen
des Typs MRI230D und an mit Kurzfasern verstärkten Standard-Gusswerkstoffen
AZ91 und AE42 zeigten deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere
der Ermüdungs- und der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten
Temperaturen bis 50°C [MYR06, ATA57].
In der Luftfahrt wird Magnesium als Leichtbauwerkstoff hauptsächlich in Form von Hohlprofilen
und Blechen eingesetzt, Magnesium-Gussteile finden in Form von Armlehnen, Flugzeugpedalen
und Gehäusebauteilen ihre Anwendung [WEI07]. Die extremen Leichtbauanforderungen
lassen Kompromisse hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Steifigkeit insofern zu,
als dass der hohe Kostenaufwand, der zum Ausgleich dieser werkstoffbedingten Nachteile
erforderlich ist, hier eher in Kauf genommen wird.
In jüngster Zeit wurde die Magnesium-Sekundärlegierung AZC 1231 entwickelt, die künftig
das Recycling von kupferhaltigen Magnesiumgussteilen ermöglicht. Vorteile dieser neuen
Legierung sind unter anderem die gute Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bei geringeren
Kosten. Nachteilig wirkt sich hier die geringere Duktilität aus, was die möglichen Ansatzgebiete
einschränkt [SCH07.1]. Mit weiteren Entwicklungen im Bereich des Recyclings von
Magnesiumlegierungen wird für die kommenden Jahre gerechnet.
Seit 2001 fördert die Bundesregierung über das BMBF im Rahmen der Hightech-Strategie
die Entwicklung von Leichtbauwerkstoffen und Konstruktionen aus Magnesium mit insgesamt
fast 10 Mio. Euro. An dem Verbundprojekt "Ultra-Leichtbauteile aus Magnesiumfein-
119

lech" sind namhafte Entwicklungspartner wie die Salzgitter Magnesium-Technologie GmbH
und die VW AG beteiligt, die das starke Interesse der Industrie an einer Ausweitung der Applikationsmöglichkeiten
belegen [BMB08].
Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Magnesium-Lithium-Legierungen zeigen das Potential
der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe auf [LEI07, LEI08]. Durch das Zulegieren
von Lithium werden Plastizität, Korrosionsbeständigkeit und Duktilität gesteigert und
die Dichte reduziert. Über weitere Legierungselemente wie Aluminium und die damit mögliche
Ausscheidungshärtung werden Zugfestigkeiten von über 200 MPa bei einer Dehnung
von 30% erreicht. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, der Kriechfestigkeit und insbesondere
der Herstellung von Blockmetall bestehen aber weiterhin Probleme, die noch nicht
abschließend gelöst wurden. Bereits in den 60er Jahren wurden Mg-Li-Legierungen in der
amerikanischen und russischen Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Rüstungsindustrie
erfolgreich eingesetzt. Bisher existieren jedoch keine Anwendungsbeispiele für Gussteile aus
diesen Werkstoffen [INF06]. Ein Interesse an der Weiterentwicklung dieser Legierungen besteht
nicht nur von Seiten der Gießereiindustrie, sondern insbesondere auch aus der Blechbearbeitung
und von Seiten der Endabnehmer aus der Automobilindustrie [BMB08].
Für Anwendungen im Motorenbereich, bei denen Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit
gefordert sind, hat sich der Werkstoff AM-HP2 inzwischen etabliert. Diese Mg-
Druckgusslegierung zeichnet sich durch gute Gießbarkeit und verbesserte Kriecheigenschaften
im Temperaturbereich von 150 bis 200 °C aus [LEI08].
Metallische Schäume und Schwämme
Seit den 90er Jahren werden die Eigenschaften von offen- und geschlossenporigen Schaumbzw.
Schwammstrukturen intensiv erforscht. Heute eröffnet sich dieser Werkstoffkategorie
ein begrenzter Anwendungsbereich, insbesondere für crashrelevante Bauteile.
In einem Verbundprojekt zwischen Materialforschungsinstituten und Experimentalchirurgie
wird derzeit die Anwendbarkeit offenporiger Schwammstrukturen aus Titanaluminid
(Ti6Al7Nb) und deren biologische Wirkung auf das menschliche Immunsystem untersucht.
Die Herstellung der Schwammstrukturen erfolgt hierbei im Feingussverfahren mit Hilfe von
Rapid-Prototyping Wachspattern, welche direkt aus einem CAD-Datensatz erstellt werden
[HAG09].
120

ADI – Austempered Ductile Iron
Mit ADI steht dem Konstrukteur und Gießer ein Gusseisenwerkstoff zur Verfügung, der ein
hohes Potential bezüglich Kosten- und Gewichtsreduktion bietet und gegenüber konventionellem
Gusseisen mit Kugelgraphit bei vergleichbarer Festigkeit eine deutlich höhere Duktilität
oder bei vergleichbarer Duktilität eine deutlich höhere Festigkeit und Härte erreicht.
Der in den USA bereits schon in den 60er und 70er Jahren angewandte Werkstoff ADI
(Austempered Ductile Iron, bainitisches bzw. ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit)
hat sich seit den 1980er Jahren auch zunehmend in Europa etabliert und wurde 1997 mit
vier Qualitäten (GJS-800-8, GJS-1000-5, GJS-1200-2 und GJS-1400-1) in die europäische
Normung aufgenommen (DIN EN 1564).
Die Herstellung von ADI erfolgt durch eine mehrstufige Wärmebehandlung von konventionellem
unlegierten GJS-400. Durch die Wärmebehandlung wird ein Gefüges aus nadeligem
Ferrit in einer mit Kohlenstoff übersättigten Austenitmatrix erzeugt, welches als Ausferrit bezeichnet
wird. Ausschlaggebende Parameter für die Gefügeausbildung sind Haltetemperatur
und Haltedauer. Nach der vollständigen Austenitisierung unter Schutzatmosphäre bei 840-
950 °C werden die Gussteile im Salzbad auf die gewünschte Haltetemperatur abgeschreckt
(je nach Sorte zwischen 235 und 425 °C) und so lange gehalten, bis die Ausferritbildung abgeschlossen
ist [KLÖ04].
Sein Potential als Leichtbauwerkstoff erlangt ADI durch die hohe spezifische Festigkeit, die
mit wärmebehandelten Aluminiumlegierungen vergleichbar ist, sowie dem hohen Graphitanteil,
der die Dichte des Werkstoffs gegenüber Stahlguss um bis zu 10% reduziert [GRÜ03].
Die höhere Härte und Festigkeit im Vergleich zu normalen Gusseisen mit Kugelgraphit hat
aber gleichzeitig eine schlechtere Bearbeitbarkeit zur Folge. Untersuchungen ergaben jedoch,
dass bei einer Zulegierung von 0,7 % Kupfer und 0,7 % Nickel die Bearbeitbarkeit
steigt und eine Verbesserung der Oberflächengüte erreicht werden konnte [RÖH07].
Die Verwendung von ADI-Werkstoffen wurde schon 1962 durch erste Versuche an Zahnrädern
bei General Motors, USA erprobt und Pontiac, USA gelang ab 1976 den serienreifen
Einsatz von ADI-Zahnrädern für die Getriebe all ihrer Fahrzeuge. Mit dieser Maßnahme erreichte
man eine signifikante Senkung der Materialkosten und des Verschleißes [RIM08].
Auch die Volkswagen AG entschied sich bei den Modellen VW Toureg und VW Phaeton für
den Einsatz von ADI. Hier wurde die zweiteilige Rädercassette des VW-10Zylinder-Diesel-
121

Motors (230 kW) als ADI-Variante gefertigt und so eine bessere Alternative zu Schmiedestahl
gefunden. Aus Sicht der Entwickler wirkten sich hier vor allem der geringere Verschleiß
und der geräuscharme Betrieb positiv aus [GRÜ03].
ADI wird aufgrund seiner hohen statischen und dynamischen Festigkeiten bei guter Vibrations-
und Geräuschdämpfung auch in der Schiffstechnik eingesetzt. So gelang es der MTU
Friedrichshafen die Motorenträger für den vormals aus Stahl gefertigten V20-Hochleistungs-
Dieselmotor (Bauart MTU 20V 8000, bis zu 9000 kW) durch ADI-Bauteile zu ersetzen. Zudem
bot die Fertigungsvariante als Integralgussteil Vorzüge gegenüber der Herstellung der
Stahlvariante des Motorenträgers, die mit einem sehr hohen Fertigungsaufwand und einer
hohen Teilevielfalt verbunden war. Als Werkstoff wurde EN-GJS-800-8 eingesetzt, der gegenüber
herkömmlichem GJS-800-2 eine um 6% höhere Bruchdehnung bei gleicher Zugfestigkeit
aufweist und gegenüber Stahlguss bessere Schwingungsabsorbtionseigenschaften
besitzt. Durch die Ausnutzung des Werkstoffpotentials von ADI konnte gegenüber der zuvor
verwendeten Stahlkonstruktion (126 kg) eine Gewichtsreduzierung von rund 30 % auf 85 kg
erzielt werden. Diese Gewichtseinsparung geht mit einer deutlichen Kostenreduzierung einher
[DEM06].
Neben der Substitution bestehender Bauteile wird der Einsatz von ADI daher bei heutigen
und zukünftigen Bauteilentwicklungen im Bereich von Hochleistungsdieselmotoren und
Zahnrädern sicherlich verstärkt zu beobachten sein.
Hochsiliziumhaltiges Gusseisen mit Kugelgraphit
Speziell für Fahrwerksteile im Automobilbau zeigt sich die Notwendigkeit einer Weiterentwicklung
von Gusseisen mit Kugelgraphit, um den steigenden Anforderungen gerecht zu
werden und um dünnere Wandstärken zu realisieren. Die Beanspruchung und Verformungsbedingungen
bei hohen kinetischen Energien können mit GJS-400-15 bei einigen Bauteilen
nicht mehr hinreichend realisiert werden.
122

Abbildung 6-4: Ergebnisse der Schlagversuche an baugleichen Querlenkern aus unterschiedlichen
Werkstoffen [MEN07]
Bereits in den 60er Jahren kamen synthetische Gusseisensorten mit erhöhten Si-Gehalten
zur Realisierung dünnerer Wandstärken für Fahrzeug- und Maschinenkomponenten zum
Einsatz [PIW58]. Durch Anheben des Siliziumgehaltes bis zu einem Grenzgehalt wird die
Festigkeit des Ferrits durch Mischkristallverfestigung gesteigert. Gleichzeitig führt die ferritisierende
Wirkung des Siliziums zur Vermeidung von Perlit und Karbiden, so dass auch die
Zähigkeit im Vergleich zu ferritisch/perlitischen Werkstoffen gesteigert werden kann. Ein Beispiel
für solche Werkstoffe sind die unter dem Markennamen SiboDur patentierten Gusseisen
mit Kugelgraphit der Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen. Bei diesen mit bis zu
4% Silizium legierten ferritischen GJS-Sorten lassen sich dünnere Wandstärken bei verbesserter
Zugfestigkeit, Dehnung und Zähigkeit realisieren. Mittlerweile umfasst diese Werkstofffamilie
sechs Sorten mit festgelegter chemischer Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften
(Tabelle 6-2).
123

Tabelle 6-2: Gefüge, Eigenschaften und Anwendungsbereiche von hochsiliziumlegierten
Gusseisenwerkstoffen [MEN07]
Verglichen mit dem in der Automobilindustrie sonst üblichen Schmiedestahl bieten Gusseisen-Werkstoffe
in vielen Fällen eine kostengünstigere Alternative und sind im Vergleich zu
Schmiedeteilen um bis zu 10 % leichter [MEN07].
Diese hochsiliziumhaltigen Gusswerkstoffe werden auch in der 2010 aktualisierten europäischen
Werkstoffnorm EN1563 für Gusseisen mit Kugelgraphit, als eigenständige neue
Werkstoffsorten aufgenommen. Darin genormt sind die drei Werkstoffe:
EN-GJS-450-18
EN-GJS-500-14
EN-GJS-600-10
Anwendung finden die hochsiliziumhaltigen Gusseisenwerkstoffe in der Automobilindustrie
als kostengünstiges Substitut für Fahrwerksteile, die zuvor aus geschmiedetem Stahl gefertigt
wurden. So wurde beim aktuellen VW Golf der Radträger aus SiboDur bereits in der Serienfertigung
verbaut. Die dabei entstandene Kosteneinsparung beträgt rund 20 % gegenüber
der geschmiedeten Variante, da sich Gusseisen mit Kugelgraphit einfacher und schneller
bearbeiten lässt als Schmiedestahl und bei gegossenen Bauteilen zugleich die sehr kurze
Entwicklungszeit positiv zu Buche schlägt [MEN07]. Im Vergleich mit einem Aluminiumgussteil
ist das SiboDur-Gussteil nur etwa 10% schwerer, die Herstellungskosten werden hingegen
als um 50% niedriger angegeben [MEN99].
124

Die höhere gestalterische Freiheit bei der Fertigung als Gussteil ermöglicht es dem Konstrukteur,
hohlgegossene oder besonders leichte Gusskomponenten zu realisieren. Im Vergleich
zum konventionellen GJS weisen die mit Silizium und Bor legierten GJS-Werkstoffe
höhere Dehnungen, Zugfestigkeiten und Schwingfestigkeiten bei vergleichbarem E-Modul
auf. Die mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit bzw. dünneren Wandstärken abnehmende
Graphitisierungsneigung kann durch einen erhöhten Si-Gehalt kompensiert werden, so
dass auch bei gewichtssparenden Bauteilauslegung mit geringen Wandstärken eine Weißerstarrung
und der damit verbundene Zähigkeitsverlust vermieden wird [PIW58]. Durch das
Hinzulegieren von Bor wird der Versprödung des Werkstoffs entgegengewirkt und die Bruchdehnung
auf Werte über 5% angehoben, die einen Einsatz für Sicherheitsteile erlauben.
So lassen sich Kurbelwellen aus Schmiedestahl, z.B. für 1,9 l Dieselmotoren, durch gegossene
Kurbelwellen aus silizium-/borlegiertem Gusseisen mit Kugelgraphit ersetzen, indem
man die erforderliche Dauerfestigkeit durch Rollieren der am stärksten beanspruchten Bereiche
der Welle erhöht. Die so aufgebrachten Druckeigenspannungen steigern die Schwingfestigkeit
um 10 bis 15 % [PRU07], (Abbildung 6-5).
Abbildung 6-5: Hohlgegossene Kurbelwelle aus SiBoDur [MEN07]
Kunststoffe
Kunststoffe stellen in zunehmendem Maße eine ernstzunehmende Konkurrenz für metallische
Werkstoffe dar und erobern durch die Erweiterung der Anwendungsgrenzen ständig
neue Einsatzbereiche. Ihre geringe Dichte macht sie für Leichtbauanwendungen interessant.
Durch Einsatz von Faser- und Partikelverstärkungen lassen sich zudem die Eigenschaften
(z.B. Zugfestigkeit, Dehnung, Härte) gezielt einstellen und erreichen Werte ähnlich denen
von metallischen Werkstoffen. In Deutschland wurde im Jahr 2008 ca. 15,3 Millionen Tonnen
Kunststoff [PED08] in folgenden Einsatzgebieten verarbeitet:
125

Bau 25%
Fahrzeugindustrie
9%
Verpackung 32%
Elektrotechnik /
Elektronik 7%
Haushaltsw aren 3%
Sonstige 15%
Medizin 2%
Landw irtschaft 3%
Möbel 4%
Abbildung 6-6: Einsatzgebiete von Kunstoffen in Deutschland im Jahr 2008 [PED08]
Die wichtigsten Kunststoffe für die Konstruktion von technischen Produkten sind Duroplaste
und Thermoplaste. Während klassische Thermoplaste wie PE, PET oder PP als einfach und
preiswert zu verarbeitende Massenwerkstoffe für Verpackungen und einfache Gehäuse eingesetzt
werden, unterscheiden sich technische Kunststoffe durch verbesserte mechanische,
thermische und elektrische Eigenschaften. Für thermisch und mechanisch besonders beanspruchte
Bauteile werden Hochleistungskunststoffe eingesetzt. Abbildung 6-7 zeigt die Einstufung
der unterschiedlichen Kunststoffe:
Abbildung 6-7: Einstufung der Thermoplastischen Kunststoffe [MOE08]
Die Werkstoffpreise für Kunststoffe (Abb. 6-8) liegen bedingt durch den hohen Energieeinsatz
und verfahrenstechnischen Aufwand, der zur Herstellung von Kunststoffen notwendig ist
126

oft höher als die Preise von Metallen. Bei faser- und partikelverstärkten Kompositwerkstoffen,
die z. T. aufwendig geklebt werden müssen liegen die Preise noch um ein vielfaches
höher und können das 20- bis 25-fache des Preises für einen metallischen Konstruktionswerkstoff
mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften erreichen.
Abbildung 6-8: Übersichtsdiagramm für verschiedene Kunststoffpreise in Abhängigkeit
ihrer Wärmeformbeständigkeit [MOE08]
Die hohen Preise sind neben den thermomechanischen Anwendungsgrenzen eines der
Haupthindernisse, die einer noch breiteren Verwendung von Kunststoffen entgegenstehen.
Dennoch existieren viele Anwendungsfelder wie z.B. die Automobilindustrie, in denen
Leichtbauforderungen bestehen und in denen längst noch nicht alle Anwendungsfelder für
Kunststoffe erschlossen wurden. Eine Prognose eines süddeutschen Automobilherstellers
kam zum Ergebnis, dass sich der Gewichtsanteil polymerer Werkstoffe im Zeitraum von
2000 bis 2010 im Motorraum von 16 % auf 27 % steigern wird [KIM04].
127

Abbildung 6-9: Kunststoffanteile im PKW [APM99]
Durch die Weiterentwicklung der thermischen Belastbarkeit von Kunststoffen wurden diese
Werkstoffe auch für andere Bereiche im Motorraum interessant. So hatte man im Jahr 1980
Kunststoffe die einer thermischen Belastung im Bereich von 80 – 120 C° nur 2000 Std.
standhielten, heute auf Belastungszeiten von 6000 Stunden bei einem Temperaturbereich
von 110 – 200 C° entwickeln können [KIM04]. Die Substitution von Kunstoffen für Metalle
kann auch im Laufe der letzten Jahrzehnte verfolgt werden. So hat der Gewichtsanteil von
Stahl und Eisenerzeugnissen von 1975 bis 2005, um 19 % im Automobil gesenkt und im
Gegenzug der Gewichtsanteil von Kunstoffen im gleichen Zeitraum um 9 % erhöht [VKE05].
Gewichtsprozent [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
74
71,5
68
13 13 13 14 13 14 14 14 15
10
10
8
8
6
3 3,5 5 6
4 4 4 4 5 6
1975 1980 1985 1995 2000 2005
Jahr
Abbildung 6-10: Entwicklung der Werkstoffverteilung im Automobil [IKA98]
63
59
55
Stahl und Eisen
Elastomere
Kunstoffe
Aluminium
Sonstige NE-Metalle
Ein weiteres Hindernis bei der Verwendung von Kunstoffen ist die geringe Alterungsbeständigkeit.
Viele Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe verändern durch Temperaturbelas-
128

tungen, Sonneneinstrahlung, den Kontakt mit aggressiven Medien und mechanische Belastungen
ihre Eigenschaften auf Dauer und verspröden. Dieser Effekt kann zwar durch Stabilisatoren
und Füllstoffe verzögert werden, eine ähnlich hohe Alterungsbeständigkeit wie bei
metallischen Werkstoffen ist jedoch bei Kunststoffen in absehbarer Zeit nicht zu erwarten. Da
dies sich unter Umständen auf die Lebenszykluskosten des jeweiligen Bauteils massiv auswirken
kann, ist im Einzelfall genau zu prüfen, über welchen Zeitraum Belastungen auf das
Bauteil einwirken und wie sich dies auf die Bauteillebensdauer auswirkt [KIM04].
In der Automobilindustrie werden bereits seit den 90er Jahren glasfaserverstärkte Kunststoffe
wie Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA) und Polyphenylensulfid (PPS) für temperaturbeanspruchte
Bauteile (z.B. Ansaugkrümmer) bis zu einer Betriebstemperatur von 230 C°
eingesetzt. Die enthaltenen Glasfasern gleichen den temperaturbedingten Festigkeitsverlust
des Thermoplasten aus und gewährleisten so die Formstabilität des Bauteils. Inzwischen
finden diese glasfaserverstärkten Hochleistungsthermoplaste auch Anwendung bei Verdichtergehäusen
für Turbolader [BAS08].
Abbildung 6-11: Luftkasten und Ladeluftkühler aus glasfaserverstärkten Thermoplasten
[BAS08]
6.2 Fertigungsgerechte Gestaltung
Obwohl das Metallgießen zu den Fertigungsprozessen mit der höchsten geometrischen Flexibilität
zählt, lassen sich durch fertigungsgerechte Gestaltung die vorhandenen Werkstoffpotenziale
deutlich tiefer ausschöpfen und steigende Qualitätsanforderungen besser realisie-
129

en. Fertigungsgerechte Gestaltung kann, muss aber nicht im Widerspruch zu einer leichtbaugerechten
Bauteilform stehen.
Das VDG-Merkblatt K 200 „Gussteile für den Maschinenbau“ bietet dem Konstrukteur hierbei
eine umfassende Hilfestellung. Das Merkblatt enthält neben einleitenden Bemerkungen zu
Gießverfahren und Modellen eine Reihe von Empfehlungen für die Gestaltung von Übergängen,
Knoten, Verrippungen und anderen Konstruktionselementen gegossener Komponenten,
einen umfangreichen Beispielkatalog mit Gegenüberstellungen von aus gießtechnischer
Sicht günstigen und ungünstigen Konstruktionsvarianten sowie Hinweise zu Werkstoffen,
Eigenschaften und Kosten und zum Einsatz von Simulationstechniken und Werkstoffprüfverfahren.
Auch in Bezug auf die Werkstoffauswahl ist das Fertigungsverfahren von größter Bedeutung.
Bei der Auswahl des Gießverfahrens sind neben der Rohteilgeometrie und den gewünschten
Materialeigenschaften auch die verfügbare Werkstoffpalette für das jeweilige Verfahren sowie
wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen, die sich z.B. über die Losgröße ergeben,
(Abbildung 6-12).
Abbildung 6-12: Wirtschaftlichkeitsbereich verschiedener Gießverfahren für den Werkstoff
Aluminium in Abhängigkeit von der Losgröße [VDS]
130

6.2.1 Kriterien für die Auswahl des Gießverfahrens
Inzwischen existiert eine Vielzahl von Gießverfahren, die z. T. recht unterschiedliche Anforderungen
an die Gießgeometrien stellen, den Kreis der verwendbaren Werkstoffe einschränken
und sich auch in Bezug auf das Prozessergebnis stark unterscheiden.
Die verfügbaren Gießverfahren
• Sandgießverfahren (Schwerkraft-, Niederdruck-, Grünsand-, Kernpaket-,)
• Druckgießverfahren (Warmkammer, Kaltkammer, Vakuumdruckguss, Thixocasting)
• Kokillengießverfahren (Schwerkraft-, Niederdruck-, Gegendruck-, Kipp-)
• Schleuder- und Schleuderformguss
• Squeeze-Casting (indirekt/ direkt)
• Lost-Foam (Vollformgießen)
• Feingießen (Wachsausschmelzverfahren)
• Genaugießverfahren (Gipsformgießen)
lassen sich hinsichtlich
• vergießbaren Werkstoffen
• darstellbaren Geometrien und Oberflächengüten
• erreichbaren Maß-, Form- und Oberflächentoleranzen
• Produktqualität (Porosität, Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit, Dauerfestigkeitsverhalten
etc.)
• erreichbarer Taktzeiten/ Anlagenverfügbarkeit
• Investitionskosten
• Fertigungskosten
differenzieren. Zusätzlich existiert eine Vielzahl von Verfahrensvarianten oder Sondergießverfahren
(Verbundguss, Gradientenguss), die einem oder mehreren der vorgenannten
Gießverfahren zuzuordnen sind.
Eine wichtige Rolle spielt die Geometrieabhängigkeit des Gießverfahrens. Geometrien mit
hinterschneidungsfreien Innenkonturen lassen sich i. d. R. gut im Druckgießverfahren abbilden.
Je nach Werkstoff lassen sich im Druckgussverfahren sehr geringe Wandstärken von
bis zu 0,3 mm (Zn-Superloy), 0,5 mm (Magnesium) bzw. 1-2 mm (AlSi-Legierungen) realisieren,
was dieses Verfahren für das Gießen ultradünnwandiger Leichtbaukomponenten prädestiniert.
Die gießbare Werkstoffpalette ist jedoch aufgrund der Gießtemperatur, der Legierungszusammensetzung
und des damit verbundenen Lösungsangriffs auf die Form auf die
131

NE-Metall-Gusswerkstoffe Aluminium-, Magnesium- und Zink-Druckgusslegierungen sowie
einige Messinge begrenzt. Bauteile, deren Innenkonturen nicht hinterschneidungsfrei sind,
lassen sich im Kokillengießverfahren und im Sandgießverfahren durch Einlegen von Sandkernen
herstellen. Besonders hohe Anforderungen an Oberflächenqualität, Formtoleranzen
und Wanddicke lassen sich im Feingießverfahren erreichen. Mit zunehmender Flexibilität des
Gießverfahrens hinsichtlich Geometrie und vergießbaren Werkstoffen steigen jedoch auch
die Stückkosten proportional an.
6.2.2 Konstruktive Randbedingungen der Gießverfahren
Das Druckgiessverfahren bietet die Möglichkeit, hochfeste Verbundkonstruktionen aus
Leichtbau-Werkstoffen herzustellen. So wurde am Beispiel der Fahrertür eines VW Polo gezeigt,
dass durch Verbundguss eine Gewichtsreduktion von 23 auf 11,4 kg und eine Reduzierung
des Montageaufwands von 8 auf zwei Einzelteile erreicht werden kann. Dabei werden
Verstärkung und Seitenaufprallträger aus Aluminiumprofilen von einem druckgegossenen
Türinnenrahmen aus AM60 umgossen und mit einer Aluminium-Außenhaut verbunden
[FRI02].
Auch für die Herstellung von Türblechen, Verbindungsteilen und Karosserieteilen (B-Säule
Audi A2) im Druckgussverfahren gibt es zahlreiche Beispiele. Selbst die Herstellung von Zylinderköpfen
im Druckguss ist inzwischen, mit kontruktiven Zugeständnissen, möglich.
Druckgussteile aus konventionellen Druckguss-Werkstoffen sind aufgrund des höheren Porositätsanteils
in der Regel nur eingeschränkt für eine Wärmebehandlung geeignet und lassen
sich nicht schweißen. Aus dem gleichen Grund erfüllen konventionelle Druckgussteile in
der Regel nicht die Anforderungen hinsichtlich Dehnung und Schwingfestigkeit, die an Sicherheitsteile
gestellt werden. Als Antwort hierauf wurden in der Vergangenheit verschiedene
Weiterentwicklungen des klassischen Druckgießprozesses vorgenommen, die das Ziel haben,
porenärmere bzw. porenfreie Gussteile zu produzieren.
So werden beim Squeeze Casting die Vorteile des Niederdruck-Gießverfahrens (turbulenzarme
Formfüllung) mit den Vorteilen des Druckgusses (hohe Taktzahl, hoher Nachspeisungsdruck)
verbunden, (Abbildung 6-13). Durch einen geringen Fülldruck während der
Formfüllphase (0,2 bis 0,5 bar Überdruck) wird wie beim Niederdruckguss eine turbulenzarme
Formfüllung ohne die beim konventionellen Druckgiessen üblichen Verwirbelungen und
Lufteinschlüsse erreicht. In der Nachdruckphase wird der Speisungsdruck auf bis zu 1000
bar erhöht, wodurch eine Dichtspeisung des Gefüges erreicht wird, die sich vor allem in einer
132

Verbesserung der Bruchdehnung widerspiegelt. Es existieren inzwischen eine Reihe von
Verfahrensvarianten, die sich in Details unterscheiden, jedoch die beiden Hauptprozessschritte
� laminare Formfüllphase mit geringem Druck (0,2 – 0,5 bar)
� druckbeaufschlagte Erstarrung mit hohem Druck (

Vorzüge des Verfahrens („Duktiler Druckguss“, „Schweißbarer Druckguss“) jedoch inzwischen
auch im konventionellen Druckgiessverfahren mit Spezialwerkstoffen erreicht werden
können, und da das Verfahren im Vergleich hierzu höhere Investitions- und Rohmaterialkosten
erfordert, wird heute nur in Einzelfällen Thixocasting in der Serienproduktion betrieben.
Bei den hergestellten Gusstücken handelt es sich um Kraftstoffverteiler, Motorgehäuse, Türrahmenknoten
und Gehäuse für elektronische Geräte aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen
[MÜL02, YOU00, HIR09], (Tabelle 6-3). Auch das Thixogießen von Stahl wurde eingehend
untersucht, hier ergeben sich gegenüber dem Schmiedestahl Substitutionspotentiale
insbesondere für dünnwandige Bauteile. Bisher verhindern jedoch noch Probleme hinsichtlich
der Werkzeugstandzeiten und der Gefügequalität die Serienanwendung [HIR09].
Tabelle 6-3: Mechanische Kennwerte in Abhängigkeit vom eingesetzten Gießverfahren
[YOU00]
Die Semi-Solid-Metal-(SSM-)Verfahren gehen auf Entwicklungen des Massachusettes Institute
of Technology (MIT) in den 1970er Jahren zurück und waren ursprünglich für militärische
Anwendungen gedacht, für die besonders hohe Qualitätsansprüche gelten. Während
für das Thixocasting-Verfahren Pressbolzen aus speziellem Vormaterial benötigt werden,
wird beim Rheocasting-Verfahren die Herstellung eines Pressbolzens als Ausgangsmaterial
umgangen. Stattdessen wird der teigige Zustand („Slurry“) des Ausgangsmaterials durch
Abkühlen aus der flüssigen Schmelze eingestellt und anstelle der Pressbolzen portionsweise
in die Füllkammer der Druckgießmaschine überführt, weswegen das Verfahren auch als
„Slurry on-Demand“-Verfahren bezeichnet wird [YOU00]. Wie beim konventionellen
Druckgiess-Prozess sind der Gestaltungsfreiheit in sofern Grenzen gesetzt, als dass sich
Innenkonturen nur durch Einsatz von metallischen Kernen darstellen lassen, solange diese
hinterschneidungsfrei sind. Der Einsatz von Sandkernen zur Darstellung komplexer Innenkonturen
mit Hinterschneidungen ist aufgrund der hohen Druckbeaufschlagung nicht möglich.
Versuche zum Einsatz verlorener Kerne im Druckgussverfahren, die in der Vergangenheit
durchgeführt wurden, konnten zwar die technische Machbarkeit des Einsatzes von Maskenund
Salzkernen nachweisen, jedoch scheinen die Probleme hinsichtlich Lagerfähig-
134

keit,Entkernbarkeit, Rezyklierung und Wirtschaftlichkeit den Durchbruch derartiger Verfahren
bisher zu verhindern [SCH00, BAS92].
Abbildung 6-14: Grundprinzip des Niederdruckgießens a) ohne und b) mit Gegendruck
Vor allem für rotationssymmetrische Gussteile (z.B. Räder) an die besondere Anforderungen
an ein porenarmes Gefüge gestellt werden, wird heute hauptsächlich das Niederdruck-
Gießverfahren eingesetzt, (Abbildung 6-14). Durch die kontrollierte Formfüllung lassen sich
füllbedingte Turbulenzen, wie sie bei den Schwerkraftgießverfahren auftreten, vermeiden.
Dadurch, dass der Ofenraum gegenüber der Umgebung abgedichtet ist und mit Stickstoff
beaufschlagt wird, wird zusätzlich die Wasserstoffaufnahme und die Oxidbildung unterdrückt,
die sonst während des Haltens der Schmelze im Ofen und der Überführung in die Gießform
die Schmelzequalität beeinträchtigen kann. Das Niederdruck-Gießverfahren kommt für das
Vergießen von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen in verlorene und Dauerformen (ND-
Sand- und –kokillenguss) standardmäßig zum Einsatz. Neu ist das Vergießen von Stahlgusswerkstoffen
im Niederdruck-Gießverfahren, welches besonders dünne Wandstärken bis
1,5 mm für leichte und gleichzeitig hochfeste Komponenten für Luftfahrt und Automobilbau
ermöglicht uns unter der Bezeichnung „3cast“ vermarktet wird [SCH07.3].
Beim Gegendruckgießverfahren wird die Dichtspeisung des Gefüges durch den aufgebrachten
Gegendruck während der Erstarrung (3 bis 4 bar) unterstützt. Hierzu wird eine
zweite Druckkammer um die Gießform geschaffen. Mit dieser Verfahrensvariante werden
hochbeanspruchte Fahrwerkskomponenten gegossen.
Im Vergleich zum herkömmlichen Sand- und Kokillengießen mit schwerkraftunterstützter
Speisung (Schwerkraftgießen) ermöglichen die sogenannten Kippgießverfahren eine höhere
Gefügequalität und ein höheres Gussausbringen durch laminare Formfüllung und die Reduzierung
des Speisergewichtes. Durch den Einsatz von Sandkernen lassen sich auch komplexe
Innenkonturen problemlos darstellen, (Abbildung 6-15).
135

Abbildung 6-15: Prinzip des Kippgießens am Beispiel NDCS [Nemak Casting Systems]
Das Kippgießen in eine spezielle, um 45° schwenkbare Kokille wurde von Nemak Canada
als Nemak Dynamic Casting System (NDCS) patentiert. Das Verfahren kommt hauptsächlich
für die Fertigung von Zylinderköpfen zur Anwendung. Es existieren aber auch Varianten wie
das Core Package 21-Verfahren, die mit einem Kernpaket und niederdruckunterstützter
Formfüllung arbeiten. Beim Rotacast-Verfahren wird im ersten Schritt Metall in eine an die
Kokille angeflanschte Füllwanne eingegossen. Im zweiten Schritt wird die Form durch eine
180° Drehung langsam und laminar gefüllt wird. Durch die im Gießlauf integrierten Speiser
wird das Materialausbringen erhöht. Diese Verfahren stellen eine Alternative zur Fertigung
von druckgegossenen Motorblöcken dar [SME07], (Abbildung 6-16).
136

Abbildung 6-16: Prinzip des Kippgießens mit Kernpaket (Core Package 21)
7 Fallstudien
7.1 Zylinderkurbelgehäuse (Eisenwerk Brühl GmbH)
7.1.1 Einführung/ Aufgabenstellung
Das Ziel des LeiKom-Teilprojektes, das von der Gießerei Eisenwerk Brühl GmbH durchgeführt
wurde, war die Realisierung von leichteren Zylinderkurbelgehäusen aus modernen Eisengusswerkstoffen
mit extrem geringen Wanddicken und in deutlich engeren Toleranzen
gemeinsam mit dem Automobilhersteller Audi. Ziel des Projektes zu Beginn war gewesen,
die zukünftigen Kurbelgehäuse 20 % bis 30 % leichter zu bauen, als es der Stand der Technik
zur Zeit des Projektstarts zuließ.
Dabei sollten alle Potentiale in der Produktion- und Prozessoptimierung ausgeschöpft werden.
Dabei sollte u. a. das Personalwesen zukunftsorientiert eingerichtet werden.
137

7.1.2 Projektpartner
Für diese Aufgabe wurde ein Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) der Fa. Audi ausgewählt. Es
betrifft ein ZKG mit einem Hubraum von 1,6 bis 2,0 L für einen Otto-Motor. Dieser Motor wird
von Audi seit Jahrzehnten immer weiter entwickelt.
Sowohl die sehr guten, bewährten und mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit
für Motorblöcke als auch die wirtschaftliche Herstellung bei niedriger Ausschussquote
waren ausschlaggebend für die Werkstoffauswahl bei dieser zukünftigen Motorengeneration
von Audi. In der heutigen Zeit, in der Fahrzeuge durch Komfort-Maßnahmen
immer schwerer werden, soll an allen Teilkomponenten größtmögliche Einsparungen am
Gewicht angestrebt werden.
Um eine gewichtsoptimierte Variante zu bauen, wurde ein Prototypenwerkzeugsatz benötigt,
der von der Modellbaufirma Meissner gebaut wurde.
Mit den Projektpartnern RKW und H-Faktor GmbH wurde untersucht, wie ich die Veränderungen
in der Gießerei auf die Mitarbeiter bezüglich Qualifizierung, Ergonomie, u. a.
Aspekte auswirken. Zudem wurden für die Entwicklung eines zielgerichteten Personalwesens
eine Altersstrukturanalyse und ein Workshop zur Entwicklung der Fertigungstechnik bei
der Kernfertigung durchgeführt.
7.1.3 Vorgehensweise im Projekt
Die Generationen der Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) wurden ZKG0, ZKG1, ZKG2 und ZKGX
benannt (Abbildung 7-1).
138

Abbildung 7-1: Entwicklung der Zylinderkurbelgehäuse ZKG0 bis ZKG2
Dabei ist das ZKG0 die Referenz, ZKG1 ging im Laufe des Vorhabens in die Serienentwicklung
[MAR03], ZKG2 wurde serienreif entwickelt und wird kurzzeitig nach Beendigung des
Projektes LeiKom in Serie gehen und ZKGX sollte in LeiKom ein hypothetisches Zylinderkurbelgehäuse
sein, das ein zukünftiges Entwicklungsziel darstellen kann
Für die Auslegung der ZKG2-Konstruktion und die Überlegung zu neuen gießtechnischen
Prozessen (ZKGX), wurden interne Brainstorm-Sessions organisiert. Beispielsweisewaren
Überlegungen, die untersucht bzw. weiterentwickelt wurden, das Niederdruckgießen anzuwenden,
die Gießlage zu ändern, das Gießen bei Einsatz von Kernpaketen ohne Form oder
sogar eine kastenlose Fertigung (Disamatic-Technik).
7.1.4 Verbesserte Konstruktion
Das Referenz-Zylinderkurbelgehäuse ZKG0 ist ausgelegt auf eine Wandstärke 4 ± 1 mm
(lokal 5 ± 1 mm). Die Entwicklung basierte auf 2D-Zeichnungen, die auch als Basis für den
Bau des Werkzeugsatzes dienten. Der Kunde hatte hier keine Möglichkeit, das IST-Gewicht
vom Abguss zu bewerten, es gab kein 3D-CAD Modell.
Mit der Einführung von 3D-CAD Modellen hat der Kunde jetzt die Möglichkeit das Bauteilgewicht
zu bestimmen und zu überwachen. Beim Typ 06A (Vorgänger von ZKG0) wurde sei-
139

tens Audi das Gewicht der ZKG von zwei Lieferanten verglichen und dabei eine Gewichtsdifferenz
von 4 bis 5 kg festgestellt. Diese Differenzen sind durch die sensible Klopfsensorik
und das komplexe Motormanagement heute inakzeptabel.
Die 3D-CAD Modelle sind qualitativ hochwertig und beinhalten alle gießtechnischen Geometrieanpassungen
wie Ausformschräge, Teilungsebenen, Radien, Stützen usw.
Damit ist der Konstrukteur in der Lage, am virtuellen Bauteil das Gewicht zu bestimmen. Dadurch,
dass die CAE-Kette auch in der Gießerei durchgängig weitergeführt werden kann
(Abbildung 7-2), muss die Konstruktion mit seinen Toleranzen im Abguss 1: 1 umgesetzt
und Gewichtsüberschreitungen müssen kritisch betrachtet werden.
CAD CAM CMM / GOM
casting-simulation
FEM
Abbildung 7-2: Geschlossene CAE Kette
casting
Der typische Gusseisenwerkstoff mit lamellarem Graphit GJL250 ist für Zylinderkurbelgehäuse
(ZKG0) sehr gut geeignet – bei Wandstärken von 4 bis 6 mm. Die Dämpfung für ein
gutes Akustikverhalten ist dann ausgeprägt gegeben. In den ersten Versuchen wurden mit
den Werkstoffen Gusseisen mit Vermikulargraphit GJV und mit Kugelgraphit GGG60 erste
ZKG mit 2,5 mm Wandstärke gefertigt [MAR03].
Bei Messungen an Motoren wurde festgestellt, dass wegen der Akustik die optimale Wanddicke
bei 3 mm liegt.
Anhand der gießtechnischen Prozesseinschränkungen und aus Erfahrungen mit anderen
Leichtbauprojektenwurde die Wanddicke aus Gusseisen mit Lamellengraphit bei ZKG1 auf
3,5 ± 0,8 mm reduziert. Bei ZKG2 wurde die Wanddicke als Zielvorgabe auf 3 ± 0,5 mm fest-
140

gelegt. Diese Wanddicke wäre nicht prozesssicher machbar mit der zu Beginn des Vorhabens
vorhandenen Fertigungsanlage FAB III (horizontale Gießlage, 4 ZKG je Formkasten).
Nicht nur die Wanddicke ist ein Ansatz, das Gewicht des Bauteils zu reduzieren. Die Wände
von einem 4-Zylinderreihen-ZKG betragen ca. 17 bis 20 % der Gesamtoberfläche. Reduzierungen
der Wanddicken von 3,5 auf 3,0 mm führen zu einer berechnete Gewichts-
Reduzierung von nur 0,5 kg am Bauteil (Abbildung 7-3).
Abbildung 7-3: Definition ZKG und Fertigungsverfahren
Parallel zur Wanddickenreduzierung wurden weitere Maßnahmen in der Konstruktion durchgeführt,
mit denen signifikante Gewichtsreduzierungen möglich wurden. Hierzu gehören:
- Abspecken von Flansch- und Butzengeometrie
- Reduzierung von fertigungstechnisch bedingten Verstärkungen
- bessere Berechnungsunterlagen und Abbau Sicherheitsfaktoren
- Vorgießen der Ölkanäle statt Bohren
- „Kern zu Kern“-Geometrie optimieren, damit Materialanhäufungen vermieden
werden
- aus der „Historie“ hinterbliebene Features entfernen
- minimale Ausformschrägen und Kernquerschnitte
141

- verbesserte Werkstoffeigenschaften
Die Mehrheit von diesen Maßnahmen ist in der Entwicklung von ZKG1 (Leichtbau) eingeflossen,
und wurde in ZKG2 übernommen oder sogar erweitert.
Zu diesen gießtechnischen Überlegungen bzw. Möglichkeiten kommen die Kundenwünsche,
die einen erheblichen Einfluss auf die Geometrie und den Gießprozess haben (Abbildung
7-4).
Abbildung 7-4: Kundenanforderungen
7.1.5 Auswirkung der Produktveränderungen und des Leichtbaus
• Niedrige Kosten
• Automatisierung
• Niedriges Bauteil Gewicht
• Wandstärkenoptimierung
• Toleranzeinengung
• Höhere Bauteilbelastung
• Konstante Werkstoffeigenschaften
• Integration AGW’s und Entlüftung
• Kernintensiver
• Qualitätsziel: 0 ppm
• intelligente Prüfprozesse
• Vorbearbeitung
Die Auswirkung der Produktveränderungen und des Leichtbaus für die Gießerei sind bedeutend:
- Die Schmelze: Der Werkstoff muss über die Impfung bzw. Legierung auf die neue
Leichtbau-Geometrie angepasst werden, wobei zeitgleich noch dickwandigere
Teile gegossen werden.
- Der Kernfertigung: Dünnere Kerne sind prozesssicher herzustellen, ohne den
Putzprozess nachteilig zu beeinflussen. Die Kernstabilität (Verformung, Maßlichkeit)
und Qualität (Grat, Schlichte usw.) muss verbessert werden. Sowohl die To-
142

leranzen und Automatisierungen beim Zusammenbau der Kernpakete, als auch
die Logistik und die Lagerung sind weitere Herausforderungen.
- Die Gussbearbeitung muss sich auf fragile Teile einstellen, so dass beim Handling
keine Risse entstehen. Die Sauberkeit wird wegen der härteren Gleitlager bei
hoher spezifischer Motorenbelastung immer kritischer. Bei geänderter Gießlage
sind die Anschnittgeometrie und die Position der Luftstifte komplett anders. Das
„Knacken“ von diesen Elementen und das Trennen der Gusstraube ist ein sehr
kritischer Prozess, der überdacht werden muss.
Schmelzen und Gießen
An einer Formanlage werden sowohl V8-ZKG’s mit 125 kg Rohgewicht, als auch R4-ZKG’s
mit nur 32 kg Rohgewicht gegossen. Das Basismaterial muss auf diese Unterschiede angepasst
werden. Bei E. B. hat man die Möglichkeit eingerichtet, über Gießstrahlimpfung
und/oder einen Formimpfling die Impfmittel-Zusammenstellung und die Zugabemenge an die
Bedingungen anzupassen. Die dünneren Wände neigen bei schnellerer Abkühlung sehr
schnell zu Weißeinstrahlung, wodurch Risse entstehen und die Bearbeitung negativ beeinträchtigt
wird.
Die Mischofenkapazitäten wurden in der Vergangenheit für eine konstantere Temperatur
und bessere Analyse der Schmelze erweitert. Die Kupolofen-Fahrweise wird optimiert nach
Formanlagebedarf.
Kernfertigung
Die Planung einer neuen Kernfertigungszelle ist durchgeführt worden. Roboter werden in
dem neuen Kernfertigungszentrum eine zentrale Rolle übernehmen (Abbildung 7-5).
143

Abbildung 7-5: Roboter-Handling bei der Kernherstellung
Die Kerne müssen nach der Entnahme aus den Kernschießmaschinen möglichst sofort zusammengebaut
werden, damit eine Zwischenlagerung auf Paletten vermieden wird. Diese
Sub-Baugruppen können dann als Einheit geschlichtet und getrocknet werden
Durch den Zusammenbau entsteht eine stabile Einheit, die später von Robotern in die Endmontage
zum Kernpaket robust gehandelt werden kann. Damit wird vermieden, dass die
fragilen Öl- und Wasserkerne sich beim Lagern oder Trocknen verformen. Zudem setzt die
Schlichte Spalten (Einbau-Freiräume zwischen den Kernmarken) zu, die die Gratbildung
vermeidet.
Formanlage
Bei den in sich geschlossenen Kernpaketen ist die Formanlage trotzdem verantwortlich für
die gute Abdichtung des Flüssigeisens, das Zusammenhalten des Kernpakets beim Abgießen
und den Transport in die Abkühlung, bis zum Auspacken. Die neue Formanlage braucht
also eine Stabilität und Flexibilität.
144

Die Stabilität wird mit einem höheren Formkasten (max. 800 mm, ist max. 600 mm an der
Formanlage FAB III) und einer verbesserten Verdichtung erzeugt. An der neuen Formanlage
wird Luftdruckimpuls mit einer Vielstempelpresse kombiniert (FAB III nur Luftdruckimpulse).
Es können sowohl Einzelkerne, als auch komplette Kernpakete zur Formanlage geliefert und
verarbeitet werden. Dazu können sowohl GJL-250 (Standard-Gusseisen mit Lamellengraphit),
als auch GJV-450 (Gusseisen mit Vermikulargraphit) vergossen werden.
Die Dünnwandteile haben keine Geometrie mehr, die vom bentonitgebundenen Formstoff
(Modellsand) gebildet wird. Die Risiken der Vererzung nehmen somit ab. Das Entsanden
wird einfacher und der Strahlvorgang kann von der Intensität zurückgenommen werden. Dies
wiederum verringert die Gefahr von Rissbildung aus dem Strahlvorgang.
Eine stabile Formanlage ist eine wichtige Randbedingung für gutes Ausbringung und Qualität.
Ein stetiger Materialfluss (konstante Gießtemperatur, Auspackzeiten, Sandfeuchte usw.)
ist die beste Voraussetzung für eine einwandfreie Fertigung von komplexen Dünnwandteilen.
Neue Putzlinie
Die wichtigsten Grundlagen für die neue Putzlinie sind:
1) Knacken der Gusstrauben durch gezieltes Abdrücken des Laufsystems;
Gussteile erfahren keine direkte Kraft-/Schlageinleitung
2) Einlegen der Gussteile in Vorentgrat-Einrichtungen, gezieltes Abknacken von Speisern,
Luftpfeifen, Überläufen usw.
3) Entkernen durch individuelle, blockspezifische Einleitung der Schlagenergie in
die Gussteile
4) Roboter greifen Gussteile und führen die Schleifbewegung an feststehenden
Schleifspindeln aus
5) Außenstrahlen bei individuell einstellbaren Bewegungsabläufen der Gussteile mit
einstellbaren Strahlparametern (Abwurfgeschwindigkeit, Strahlwinkel, Strahlmittelmenge)
6) Innenstrahlen von vielen teilweise sehr kompliziert verlaufenden Öl- und Wasserkanälen
145

7.1.6 Entwickelte und hergestellte Bauteile
Bauteilgewicht
Das ZKG2 wurde mit Audi auf Basis ZKG1 konstruiert. Die Wanddicke wurde auf 3,0 ± 0,5
mm und die allgemeine Gusstoleranz wurde als Profiltoleranz (1,6) zur Erstaufnahme festgelegt
(ZKG1: 3,5 ± 0,8; Profiltoleranz (2,4)). Die Hauptlagerschottwand (kritischer Bereich für
die Lebensdauerberechnung) wurde u. a. mit der Toplogieoptimierung bei Audi auf minimale
Materialverhältnisse ausgelegt, wobei die Motorleistung auf 220 KW gebracht werden soll
(spezifische Leistung: 110 KW/L Hubraum = Benchmarkt für Otto-Motoren). Es wurde aber
zusätzlich ein Blow-By-Kanal (Ölventilation) in das Bauteil integriert.
Fertigteilgewicht:
ZKG0: 38,5 kg
ZKG1: 34,2 kg
ZKG2: 33,0 kg
Das Bauteilgewicht der ZKG ist nicht ohne Weiteres vergleichbar. Die Konstruktion ab ZKG1
hat sich dadurch stark geändert, dass bestimmte Features wie z.B. Ausgleichswellen, Ölventilation,
Öldruckkanäle, ein Kettenkasten usw. integriert wurden. Diese Zusatzfunktionen
bringen neben der geringen Wanddicke und eingeengter Toleranzen eine zusätzliche Komplexität
in den Gießprozess. Wichtig ist ein stabiler Gießprozess, um hierdurch Gewichtsschwankungen
in der Serienfertigung zu vermeiden. Die Klopfsensorik und das Motormanagement
reagieren auf diese Gewichtsunterschiede. Deshalb wird als zusätzliche Anforderung
das Gewicht mit einer Toleranz als Spezifikation aufgenommen. Wie bereits ausgeführt, ist
für die Kunden von Eisenwerk Brühl eine der Hauptanforderungen gewesen und weiterhin
sein, das gesamte Motorgewicht zu reduzieren. Das ZKG2 ist unter diesem Aspekt weiter
optimiert worden. Zu hohe zusätzliche Kosten begrenzen dabei die technischen Möglichkeiten.
Für ZKG2 wurden folgende konstruktiven Maßnahmen getroffen:
- Wanddickenreduzierung auf 3,0 ± 0,5
- vertikale Gießlage
- motortechnische Maßnahmen: verbesserte Motorentlüftung, Leistungssteigerung,
Abgasklasse EU6.
146

Mit den gießtechnischen Maßnahmen ist ca. 2,4 kg an Gewichtsreduzierung erreicht worden.
Geometrieänderungen am Motor ergeben leider eine Zunahme von 1,2 kg. Bei vergleichbarer
Geometrie betrüge die Gewichtsreduzierung durch gießtechnische Maßnahmen 26%. Dieses
Ergebnisses basiert auf einem Prototyp, der mit 2,5 mm Wanddicke in Gusseisen mit Kugelgraphit
GJS600 in der stehenden Gießlage gegossen wurde (Abbildung 7-6). Hier war die
Geometrie (Anschlussflansch und Butzenanordnung) gleich dem ZKG0.
Abbildung 7-6: Potential Gewichtreduzierung ZKG2 bei gleiche Geometrie wie ZKG0
Gießereitechnik
Wie bereits ausgeführt, hat die Leichtbauentwicklung eine signifikante Auswirkung auf die
Gestaltung einer modernen Gießerei. Aufbauend auf den Ergebnissen von LeiKom investiert
die Eisenwerk Brühl GmbH in eine neue hoch-automatisierte Kernfertigung für die Herstellung
der Kernpakete. Die Putzerei wird angepasst, damit das Handling keine Risse verursacht
und das Strahlen wird optimiert.
In der Qualitätssicherung sind die Schwerpunkt-Themen Dichtprüfungen an ZKG. Alle Maßnahmen,
die in der Gießerei über die gesamte Prozesskette durchgeführt werden, versetzen
nun EB. in die Lage, die zukünftigen Leichtbau- und Dünnwandgussteile wirtschaftlich in
Großserie zu fertigen.
147

Das Know-how hat Eisenwerk Brühl sich im Projekt LeiKom erarbeitet. Nur durch Innovation
und enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden sieht sich EB. in der Lage, immer einen
Schritt weiter zu kommen und vorne im internationalen Vergleich zu sein.
Ökologische Vorteile
Da die Bauteile immer leichter werden, wird auch der Materialeinsatz geringer und damit
natürlich der Energie- und Rohstoffbedarf. Das Durchschnittsgewicht pro Teil abgeleitet von
unseren Umsatz-Kennzahlen betrug:
2005 2006 2007 2008 2009
65,4 kg 59,0 kg 58,3 kg 54,7 kg 51,0kg
Mit relativ mehr Teilen im Formkasten ( vier Stück 4-Zylinder ZKG , statt zwei Stück
V8 –Zylinder ZKG) wird auch weniger Kreislaufmaterial pro Teil benötigt.
Durch Downsizing werden die Motoren kleiner und sind höher belastet. Die Entwicklung in
diese Richtung wird zzt. durch die gegenwärtige Wirtschaftskrise verstärkt. Bei EB sehen wir
zunehmend die Entwicklung von 2-3 Zylinderblöcken und eine starke Reduzierung von V6und
V8-ZKG. Bei kleineren Hubräumen ist der Vorteil von Leichtmetall für das Motorgewicht
weniger signifikant als bei kompakten kleineren Motoren. Den Wunsch nach einem hohen
Drehmoment bei niedriger Drehzahl (Dieselverhalten) bei Otto-Motoren, kann nur mit einer
hochwertigen Aufladung (Bi-Turbo) erfüllt werden. Die Belastungen für Otto-Motoren auf das
Zylinderkurbelgehäuse sind dann ähnlich wie bei der vorherigen Generation Diesel-Motoren.
Die Zünddrücke erreichen bis zu 140 MPa (war deutlich < 100 MPa) und der Mitteldruck ist
über den kompletten Drehzahlbereich höher. Das Audi-Zylinderkurbelgehäuse wird für 110
KW/L weiter entwickelt. Mit den integrierten Ausgleichswellen wird die Laufkultur (Akustik
und Schwingungen) auf ein hohes Niveau gebracht. Die thermische Belastung bei Otto-
Motoren wird ansteigen, weil die Motorenhersteller zukünftig wegen Emissionen und
Verbrauch das Anfetten vom Gemisch bei höherer Drehzahl und Leistung vermeiden wollen.
Das Anfetten (mehr Kraftstoffeinspritzung als nötig für die Verbrennung) war eine Methode
womit bestimmte Bauteile gegen zu hohe thermische Belastung geschützt wurden. Spätestens
bei Euro 6 ist das Anfetten nicht mehr möglich und die thermische Belastung auf die
Motorenkomponenten wird zunehmen.
148

Diese Entwicklungen haben ihre Auswirkungen auf die Eisengießerei. Der Trend der Verringerung
des Durchschnittsgewichts der ZKG bei EB (2005: 65,4 kg und 2009: 51,0 kg) wird
sich weiterhin so fortsetzen. In den nächsten 4 – 5 Jahren wird das Durchschnittsgewicht um
weitere 10 – 15 kg absenken.
Eisenwerk Brühl hat in Zusammenarbeit mit der IFG eine Ökobilanz für die Fertigung von
Gussteilen erstellt.
Global gesehen kann man davon ausgehen, dass für die Herstellung von 1 t gutem Guss ca.
1 t CO2 an Emission generiert wird, da hierfür ca. 7500 KWh an Energie benötigt wird
[MAR05]. Die Reduzierung des Durchschnittsgewichts (14,4 kg) um ca. 22 % ist somit auch
eine Reduzierung der CO2-Emission. bei 4,5 Mio. ZKG/ p. a. bedeutet dies eine Reduzierung
von ca. 64.800 t CO2.
Die Anwendung von leichteren Motoren liefert dann beim Endkunden eine zusätzliche CO2
Reduzierung. Eine Annahme in der motortechnischen Welt ist das 100 kg Gewichtsreduzierung
im Fahrzeug eine Verbrauchsreduzierung von 0,25 L/ 100 km bedeutet.
(Angenommen ist eine 50 - 50 % Verteilung Otto (0,3L/ 100 km) und Diesel (0,2L/ 100 km)).
Die 14,4 kg bedeuten eine Verbrauchsreduzierung von 0,036 L/ 100 km (14,4 x 0,01 x 0,25).
Ist der Durchschnittsabstand für einen PKW ca. 200.000 km, dann ist damit eine Verbrauchsreduzierung
von 72,0 L Kraftstoff verbunden. 1 L Kraftstoff bedeutet 2,49 kg CO2 (Angenommen:
50 - 50 % Diesel – Otto Motoren (1 L Diesel: 2,64 kg CO2; 1 L Benzin: 2,33 kg CO2)).
72 L bedeuten 179,28 kg CO2. Bei 4,5 Mio. Fahrzeugen bedeutet dies eine Verringerung von
8 x 10 5 t CO2.
Dieses Rechenbeispiel unterstreicht nochmals die Bedeutung der Leichtbau-Entwicklung in
der Gießerei. Aus den momentanen Entwicklungsprojekten kann man ableiten, dass das
Durchschnittsgewicht der Motorblöcke durch Downsizing- und Hybrid-Konzepte weiterhin
abgesenkt wird.
149

Realisierung ZKG2
EB wurde für die Serienfertigung von ZKG2 beauftragt. Serienstart ist geplant für Ende 2011,
ab dann werden diese neuen Motoren in die verschiedenen Fahrzeugreihen sukzessive eingeführt.
In der Laufzeit des LeiKom-Projektes hat EB mit einem zweiten Kunden diese Entwicklung
konstruktiv in die Wege geleitet. Anfang November 2009 wurde ein Auftrag für dieses Teil
erteilt. SOP ist für 2012 vorgesehen. Auch in diesem Fall betrifft es einen Otto-Weltmotor mit
1,6L bis 1,8L Hubraum.
ZKGX der Zukunft
Mit fertigungstechnischen Weiterentwicklungen allein werden weitergehende Gewichtseinsparungen
nicht zu erreichen sein. Für zukünftige weitere Gewichtseinsparungen bei ZKG
wird man neben der Fertigungstechnik zusätzlich Werkstoffentwicklungen, beispielsweise
hinsichtlich Verbundwerkstoffen, einbeziehen müssen. In LeiKom sind derartige Ansätze
entwickelt worden. Sie werden für zukünftige ZKG-Generationen verfolgt werden können.
Die Ergebnisse aus dem E. B.-Teilprojekt bzgl. Leichtbau-Konstruktionen sind auch in die
anderen Kapitel in diesem LeiKom-Band „Produkt“ sowie in den LeiKom-Band „Instrumente
zur Entwicklung von Gießereien zu nachhaltigen Produzenten“ eingegangen.
7.1.7 Beschäftigte und Personalwesen
Die Entwicklungen in der Fertigungstechnik waren unmittelbar verbunden mit Entwicklungsarbeiten
im Personalbereich. Dies waren im Einzelnen:
- Durchführung einer Altersstrukturanalyse
- Zusammenführen von Fertigung und Instandhaltung; hieraus resultierend: eine
Bewertung der Qualifikation und der Qualifikationsanforderungen
- Durchführung eines Workshops zur Kernfertigung in der Zukunft; hieraus resultierend:
Definition der zukünftig geänderten Aufgaben der Beschäftigten
- Entwicklung von Arbeitsmodellen, wie Springersystem, Blockwechselsystem,
Schichtmodelle, Talentförderung.
150

Die Ergebnisse aus diesen Teilarbeiten sowie die Beteiligung an der entstandenen Empfehlung
zur Neugestaltung der Ausbildung zum „Gießereimechaniker“ sind in den LeiKom-Band
„Instrumente zur Entwicklung von Personalwesen und Ausbildung für nachhaltige Gießereien“
eingegangen.
7.2 Zylinderkopf (Nemak Wernigerode GmbH)
7.2.1 Aufgabenstellung
Es war die Aufgabenstellung im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Lösungskonzepte zu
erarbeiten um für die Fahrzeug- und Maschinenbauindustrie Leichtbau-Komponenten fertigen
zu können. Es soll hierzu in besonderem Maße Humanverträglichkeit, Ökologie und
Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Das gesetzte Ziel eine Gewichtsreduzierung von
15% - 30% zu erreichen, führt unmittelbar zu einer Vielzahl ökologischer und ökonomischer
Vorteile.
7.2.2 Projektpartner
Die Firma Nemak Wernigerode GmbH, ehemals Rautenbach GmbH, kooperierte in LeiKom
mit der Firma PEAK (Bereitstellung von sprühkompaktierten Brennraumeinsätzen), dem IFQ
der Universität Magdeburg, Herr Prof. Bähr (wissenschaftlicher Begleiter), als Unterauftragnehmer,
der Firma Berger Consult (Bereitstellung neuartiger Vorlegierungen) sowie dem
Fahrzeughersteller Audi AG (Durchführung von Prüfstandsläufen).
7.2.3 Voraussetzung unter der das Vorhaben durchgeführt wurde (z.B. Ressourcen,
Einbindung in die Unternehmensstrategie, Vorarbeiten und Vorkenntnisse, etc.)
Das Giessen bietet ein hohes Innovationspotential. Die Ursache hierfür ist die Möglichkeit
auch komplexeste Konstruktionen endkonturnah fertigen zu können. Dies ermöglicht beispielsweise
die Einbindung innovativer Leichtbaustrategien wie z.B. die Bionik. Da das Unternehmen
Nemak Wernigerode GmbH jedoch nur ein begrenztes Mitspracherecht bei der
konstruktiven Gestaltung der Bauteile besitzt, ist besonders die Umsetzung der Leichtbauforderung
durch Anpassungen des Werkstoffes und Optimierung der Fertigungsverfahrens
von großer Bedeutung für das Unternehmen.
Um der Entwicklung im Motorenbau und den stetig steigenden Kundenforderungen, nach
Bauteilen von geringerem Gewicht bei steigender Belastbarkeit vor allem im Hochtempera-
151

turbereich Rechnung zu tragen, ist es zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens
von essentieller Bedeutung das bestehende Know-how weiter zu entwickeln. Dieses
Forschungsvorhaben versetzt das Unternehmen Nemak Wernigerode GmbH in die Lage
in Höchstem Maße an der Erreichung der oben beschriebenen Ziele zu arbeiten.
Ein besonderes Anliegen des Unternehmens ist es im Rahmen dieses Projekts den Aspekt
der Nachhaltigkeit mit den technischen Zielen verbinden zu können. Zur Fertigung von Produkten
von höchster Qualität ist nicht nur der Einsatz modernster Werkstoffe und optimierter
Fertigungsverfahren notwendig sondern es wird qualifiziertes Fachpersonal benötigt, welches
in der Lage ist dies im Produktionsprozess zu realisieren. Somit soll besonderes Augenmerk
auch auf den Bereich Arbeitssystemanalyse sowie Kommunikations- und Qualifikationsanalyse
gelegt werden.
7.2.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn und Ende des Vorhabens
Über alle Fertigungsverfahren hinweg wir der Vorteil leichterer Bauteile gesehen und es ist
das Ziel diese bei gleichen oder gar verbesserten Eigenschaften zu fertigen. Daher gibt es
eine Vielzahl von Arbeiten zu diesem Themenkomplex (siehe Literaturverzeichnis). Durch die
Vorteile des Fertigungsverfahrens Giessen in Bezug auf die Möglichkeit der Gestaltungsfreiheit
in Kombination mit einer breiten zur Verfügung stehenden Werkstoffpalette eignet sich
diese besonders zur Umsetzung des Leichtbaus.
Dies hat M. Tomovic [TOM03] bewogen, Richtwerte für die Mindestwanddicken von Gussstücken
verschiedener Werkstoffe, die mit verschiedenen Gießverfahren gefertigt worden
sind, systematisch zu ermitteln.
Mit der Flüssigmetallströmung in dünnen Wandstärken haben sich A.H. Zadeh und J. Cambell
an der University of Birmingham auseinandergesetzt [ZAD03]. Für typische eutektische
Legierungen, wie Gusseisen und Aluminium-Silizium-Legierungen, haben sie sich mit den
Grenzbereichen der Formfüllung beschäftigt und festgestellt, unter welchen Bedingungen
Gussstückfehler auftreten können. Ebenfalls mit dem Grenzbereich bei Herstellung dünnwandiger
Sandgussteile haben sich R. E. Showman und R. C. Aufderheide [SHO03] für
Gusseisen und Stahlguss auseinander gesetzt.
Neben dem dünnwandigen Gießen geht man teilweise unkonventionelle Wege zum Leichtbau,
die jedoch in vielen Fällen aufgrund ihrer technisch-wirtschaftlichen Randbedingungen
nicht für den Großserienguss geeignet sind. So sind das Arbeiten mit Sandwich-Strukturen,
die aus Aluminium-Deckschichten und einem Kern aus Aluminiumschaum bestehen, auf-
152

grund vergleichsweise hoher Steifigkeit und eines hohen Energieabsorptionsvermögens bei
geringem Gewicht interessant. Die Realisierung in der Serienfertigung steht jedoch bestenfalls
in Zukunft an. Die Technik die J. Wellnitz, R. Daller und L. König [WEL03] von der Fachhochschule
Ingolstadt auf dem ersten Landshuter Leichtbau-Kolloquium „Innovationen und
Erfahrungen im Leichtbau-Kompetenznetz vorgestellt haben, ist jedoch als innovative Entwicklung
mit Interesse zu verfolgen.
Einen Überblick über die Möglichkeiten der Herstellung hochwertiger Bauteile aus Aluminiumlegierungen
in Verbindung mit der Klebetechnik beschrieb L. Wenk 2003. Er verwies dabei
auf Beispiele, bei denen Druckgussstücke geklebt worden sind und diese Bauteile in der
Automobilindustrie eingesetzt worden.
7.2.5 Erzieltes Ergebnis
7.2.5.1 Strontiumveredlung
Delta T, °C
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
x ppm
AlSi6Cu4
y ppm
Sr, ppm
Abbildung 7-7: Abhängigkeit der vom Strontiumanteil
153

Abbildung 7-8: Gefügeausbildung in Abhängigkeit vom Strontiumgehalt
Die Strontiumveredelung erzeugt bei der momentanen Zugabemenge von y ppm das in
Abbildung 7-8 dargestellte Gefüge. Mithilfe der Umfangreichen Untersuchungen bei denen
die Zugabemenge schrittweise von 0 bis y ppm variiert wurde, konnte ermittelt werden bei
welcher geringeren Zugabemenge des kostenintensiven Veredlungsmittels Strontium eine
ausreichende Veredlung des Gefüges erzielt wird. Die Zugabemenge x ppm wurde als neuer
Wert in die Serienfertigung übernommen.
7.2.5.2 Einfluss der Störelemente Blei und Zinn
T AlSICu Eutectic, °C
500
498
496
494
492
490
488
Pb, w t.%
ΔT = 9.3°C
Abbildung 7-9: Einfluss des Bleianteils auf die eutektische Temperatur
Eine Vielzahl der in AlSi-Legierungen enthaltenen Begleitelemente haben negative Auswirkungen
auf die Erstarrungseigenschaften der Schmelze und somit auf die Fehlerneigung des
Gussteils. Für die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen bezüglich des
Einflusses dieser Störelemente wurden Blei und Zinn ausgewählt.
154

T AlSiCu Eutectic, °C
500
498
496
494
492
490
488
Sn , w t.%.%
Abbildung 7-10: Einfluss des Zinnanteils auf die eutektische Temperatur
Es wurde die Abhängigkeit der eutektischen Temperatur (Abbildung 7-9 und Abbildung
7-10) einer AlSiCu-Legierung vom Anteil der enthaltenen Störelemente ermittelt. Es wurde
damit der maximal tolerierbare Anteil von Blei und Zinn zur Vermeidung von Fehlern wie
Schwindungsporositäten ermittelt.
7.2.5.3 Einfluss von Silizium und Kupfer auf den SDAS-Wert
SDAS, µm
y = 0,9797x 2 - 16,479x + 111,53
R 2 = 0,96
0 2 4 6
Si, wt.%
8 10 12
Abbildung 7-11: Zusammenhang zwischen SDAS und Siliziumanteil
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Ausbildung des SDAS sind Abkühlgeschwindigkeit,
Temperaturgradient, Schmelzebehandlung und die chemische Zusammensetzung der
Schmelze. Letztere schwankt innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen. Es ist für die Eigen-
155

schaften des Gussteils von elementarer Bedeutung den genauen Einfluss der Hauptlegierungselemente
auf den SDAS zu kennen um diesen gezielt beeinflussen zu können.
Es wurde im Rahmen dieses Projektes der direkte Einfluss des Silizium- und Kupfergehaltes
auf den SDAS untersucht. Die in umfangreichen Vorversuchen ermittelten Zusammenhänge
sind in Abbildung 7-11 und Abbildung 7-12 dargestellt. Um dies zur Erzeugung realer
Gussteile anzuwenden und gezielt den SDAS in besonders beanspruchten Gussteilbereichen
einstellen zu können, ist es notwendig zu wissen wie sich die Abkühlbedingungen verteilt
über die gesamte Gussteilgeometrie unterscheiden. Mithilfe von Thermoanalysen wurde
dies untersucht (Abbildung 7-13). In Tabelle 1 und 2 sind exemplarisch die in einem Großversuchen
am Gussteil verwendeten Legierungsvariationen dargestellt. Die Auswertung der
Versuche erfolgte über die Bewertung der Schliffbilder dargestellt in Abbildung 7-14. Somit
konnten die optimalen Silizium- und Kupfergehalte ermittelt werden.
SDAS, µm
y = 0,565x 2 - 5,386x + 58,413
R 2 = 0,96
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
Cu, wt.%
3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
Abbildung 7-12: Zusammenhang zwischen SDAS und Kupferanteil
156

700
650
600
550
500
450
Kurve 4
Kurve 3
Kurve 2
Kurve 1
Abkühlkurven Al-Si-Cu
Tliq = 613°C
Tsol = 526°C
400
Time 10,791 21,691 32,591 43,491 54,391 65,291 76,191 87,091 97,991 108,891 119,791 130,691 141,591 152,491 163,391 174,291 185,191 196,091 206,991 217,891 228,791
Abbildung 7-13: Abkühlung in Abhängigkeit von Gussteilgeometrie
Tabelle 7-1: Legierungsvariation Si
Legierung Si Fe Cu Mn Mg Zn
1 10.99 0.09 0.002 0.04 0.32 0.007
2 9.71 0.08 0.001 0.03 0.24 0.006
3 8.59 0.10 0.001 0.03 0.24 0.006
4 7.57 0.10 0.002 0.03 0.22 0.006
5 6.97 0.10 0.002 0.03 0.22 0.007
6 6.05 0.11 0.002 0.02 0.21 0.007
7 4.70 0.11 0.002 0.02 0.21 0.007
8 3.72 0.12 0.002 0.02 0.19 0.009
9 2.75 0.12 0.002 0.02 0.18 0.009
10 2.06 0.13 0.002 0.02 0.17 0.008
11 1.30 0.13 0.002 0.02 0.17 0.009
157

Tabelle 7-2: Legierungsvariation Kupfer
Legierung Si Fe Cu Mn Mg Zn
1 5.61 0.06 0.37 0.002 0.21 0.004
2 7.09 0.08 0.76 0.002 0.30 0.005
3 6.79 0.07 1.42 0.002 0.27 0.005
4 6.92 0.08 1.76 0.002 0.28 0.005
5 6.65 0.07 2.13 0.002 0.25 0.005
6 7.07 0.07 2.23 0.002 0.26 0.005
7 7.10 0.07 2.60 0.002 0.26 0.005
8 6.90 0.07 3.20 0.002 0.27 0.005
9 7.10 0.08 4.71 0.002 0.25 0.004
Abbildung 7-14: Gefügeausbildung in Abhängigkeit von Silizium- und Kupferanteilen
158

7.2.5.4 Lieferantenoptimierung auf Grundlage der im Projekt erzielten Ersuchungsergebnissen
Die in den vorher aufgezählten Vorversuchen und Großversuchen in der Produktion erzielten
Kenntnisse über den Einfluss der Hauptlegierungs- und Störelemente auf die Gussteilqualität
wurde genutzt um einen Bewertung der Metalllieferanten vorzunehmen (Abbildung 7-15).
Es wurde versucht einen Balance zwischen den wirtschaftlichen Forderungen nach preisgünstigem
Einsatzmaterial und den qualitativen Anforderungen an das Gussteil- und Ausschussvermeidung
herzustellen.
Um nochmals zu untermauern, dass diese aus den Versuchen abgeleiteten Zusammenhänge
für die Großserie übertragbar sind wurden umfangreichen Fehleranalysen anhand der
Produktionsdaten bezüglich Legierungszusammensetzung und zuordenbaren Fehlern
(Abbildung 7-16) durchgeführt.
Abbildung 7-15: Einteilung der Lieferanten nach Schwankungsbreite ausgewählter
Elemente
159

Abbildung 7-16: Fehleranalysen am Gussteil zur Qualifizierung der gewonnen Erkenntnisse
7.2.5.5 Versuche Wärmebehandlung mit Luftabschreckung
Es wurden zur Optimierung der Gussteileigenschaften mittels Wärmebehandlung Versuche
zur Luftabschreckung nach Lösungsglühen und mit anschließender Warmauslagerung
durchgeführt. Ziel war es die Eigenspannungen im Gussteil zu reduzieren. In Abbildung
7-17 ist die Versuchsanordnung dargestellt. Besonders wichtig ist es dabei eine allseitige
Umströmung durch das Abschreckmedium Luft zu gewährleisten. In Abbildung 7-18 ist die
gemessen Temperaturverteilung während der gesamten Wärmebehandlung dargestellt. Es
wurden bei diesem Versuch die geforderten Härtewerte erreicht (Abbildung 7-19). Aufgrund
des hohen anlagentechnischen Aufwandes der für die Umsetzung in der Großserie nötig
wäre und des Potentials welches in den Legierungsoptimierungen realisiert wurde, hat man
diesen Ansatz im Rahmen des Projektes nicht weiterverfolgt.
160

Abbildung 7-17: Versuchsaufbau Luftabschreckung
Temperatur[°C]
600
500
400
300
200
100
0
00:00:00
00:16:00
00:32:00
00:48:00
START
Lösungsglühen
nach 75 min.
01:04:00
01:20:00
01:36:00
01:52:00
02:08:00
02:24:00
alle ZK erreichen
T=495°C nach 183 min.
02:40:00
02:56:00
03:12:00
03:28:00
03:44:00
04:00:00
Abschreckung
04:16:00
04:32:00
Zeit[min.]
04:48:00
05:04:00
05:20:00
05:36:00
Abbildung 7-18: Abkühlung bei verschiedener Probenlage
Warmeauslagerung
05:52:00
06:08:00
06:24:00
06:40:00
06:56:00
07:12:00
07:28:00
07:44:00
08:00:00
08:16:00
MP1
MP2
MP3
MP4
MP5
MP6
MP7
MP8
MP9
MP10
161

HB
110
108
106
104
102
100
98
96
94
92
90
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Abbildung 7-19: Erzielte Härtewerte (Forderung >85HB)
Es wurden des weiteren Versuche durchgeführt den Energieeinsatz bei der Wärmebehandlung
effizienter zu gestalten indem Temperaturen und Haltezeiten variiert wurden
(Abbildung 7-20). Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass keine Optimierung an der Anlagentechnik
notwendig wird.
HB
130
125
120
115
110
105
100
95
90
85
80
LG_505°C_60 bis 180min; WA_270°C_30 bis 90 min
WA_270°C_30 min
WA_270°C_60 min
WA_270°C_90 min
LG_t=x-4
LG_t=x-3
LG_t=x-2
LG_t=x-1
LG_t=x
1 2 3 4 5
Abbildung 7-20: Untersuchung zum effizienteren Energieeinsatz bei Wärmebehandlung
162

7.2.5.6 Gradientenguss
Es wurden Vorversuche zum Verfahren des Gradientengusses, wie in Abbildung 7-21 dargestellt,
anhand eines Stufenkeiles durchgeführt. Es wurde jeweils eine partikelverstärkte
und eine unverstärkte Legierung mit Variation der Wartezeit zwischen dem Vergiessen der
beiden Legierungen vergossen. Es wurden zur Bewertung der erzielten Gefüge Schliffe angefertigt
und Stauchversuche (Abbildung 7-22 und Abbildung 7-23) durchgeführt. Dieses
Verfahren wurde aufgrund des begrenzten Erfolges und der aufwendigen technischen Umsetzung
zurückgestellt um den erfolgreichen Teil der Legierungsoptimierung mit der notwendige
Intensität umsetzen zu können.
Abbildung 7-21: Versuchsaufbau
0,2%-Stauchgrenze [MPa]
160
140
120
100
80
60
40
20
Prüftemperatur: 300°C
0
0 2 4 6 8 10 12
Stauchgeschwindigkeit [mm/min]
Abbildung 7-22: Stauchversuche
Probe 15
Partikelanteil 42 %
Probe 15
Partikelanteil 12 %
163

0,2%-Stauchgrenze [MPa]
300
250
200
150
100
50
Stauchgeschwindigkeit: 1 mm/min
0
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00
Partikelanteil [%]
Abbildung 7-23: Stauchversuche
7.2.5.7 Qualifikation und Personalentwicklung
Rp0,2@20°C
Rp0,2@300°C
Es wurde durch die Firma H-Faktor eine umfangreiche Altersstrukturanalyse durchgeführt
und in Arbeitstreffen mit der Nemak Wernigerode GmbH ausgewertet (exemplarisch siehe
Abbildung 7-24 und Abbildung 7-25). Es zeigte sich dabei, dass die Periode ohne Facharbeiterausbildung
zu Beginn der 1990’er Jahre einen negativen Einfluss auf die Altersstruktur
hatte, dass dies aber durch die intensive Ausbildung von Facharbeitern während des letzten
Jahrzehnts gut abgefangen werden konnte. In Abbildung 7-25 ist diese in 2008 gute Altersverteilung
anhand des Balancewertes erkennbar. Es wurde in Rahmen der Analyse auch auf
die Probleme der Überalterung einzelner Abteilungen und den hohen Anteil an ausscheidenden
Mitarbeitern durch Renteneintritt und Altersteilzeit in den folgenden Jahren hingewiesen
und diese Problematik diskutiert.
Aufgrund der veränderten Wirtschaftslage im Jahr 2008 und 2009 kam es zu erheblichen
personellen Veränderungen in Form von Entlassungen im Hause der Nemak Wernigerode
GmbH. Die daraus resultierende Stimmungslage der Arbeitnehmer, hat dazu geführt, dass
die ursprünglich geplante Qualifikationsanalyse mit Hilfe eines Interviews der Mitarbeiter
nicht mehr als zielführend angesehen wurde.
164

HC score 2 – Altersstruktur 2006
Nemak Guss
Nemak Wernigerode – Okt. 2007 - Seite 22
Abbildung 7-24: Altersstruktur des Unternehme
HC score 2 – Prognose-Tool
Ergebnisse der Berechnungen der Prognose unter Berücksichtigung der eingegebenen Parameter:
Nemak Wernigerode – Okt. 2007 - Seite 33
Abbildung 7-25:-Entwicklung der Balance der Altersstruktur bis 2017
165

7.2.6 Nutzen für das Unternehmen, insbesondere Verwertbarkeit des Ergebnisses
Die im Rahmen des Projektes gewonnen Erkenntnisse über den Einfluss der Legierungselemente
sind stetig in den Fertigungsprozess eingeflossen. So wurden als wichtigste Punkte
die Vorgaben für die Strontiumveredlung und die Einteilung und Auswahl der Lieferanten
nach Maßgabe der im Projekt ermittelten Optimalwerte angepasst. Es konnten dadurch sowohl
finanzielle Einsparung als auch qualitative Verbesserung der Gussprodukte erzielt werden.
Dieses Projekt hat maßgeblich dazu beigetragen die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens
zu stärken.
8 Wirtschaftliche Aspekte des Leichtbaus
8.1 Kosten des Leichtbaus
Betrachtet man die Kostenstrukturen von Leichtbauteilen, so fällt zunächst auf, dass diese
sich kaum von denen herkömmlicher Standardkonstruktionen unterscheiden. So verwundert
es auch nicht weiter, dass in der diesbezüglichen Literatur die allgemeinen Kalkulationsgrundsätze
für Maschinenbaukonstruktionen übernommen werden, die z.B. in VDI 2225-1
(Konstruktionsmethodik - Technisch-wirtschaftliches Konstruieren - Vereinfachte Kostenermittlung)
vorgeschlagen werden.
Die Herstellkosten eines Leichtbau- wie eines Standardbauteils ergeben sich demnach als
Summe von Materialkosten (M), Fertigungskosten (F) und Produktlebenszykluskosten (P)
[REU07]. Dies wäre noch zu ergänzen um die Kosten für die konstruktive Auslegung (K) und
Erprobung (E) des Bauteils, welche je nach Seriengröße und Konstruktionsaufwand u. U.
eine durchaus beachtliche Höhe erreichen können, gerade bei Leichtbaukomponenten im
Automobilbereich.
Vereinfacht lässt sich der vorgenannte Zusammenhang in folgende Formel fassen:
H = M + F + P + K + E (8-1)
Die Materialkosten machen bei Fahrzeugkomponenten und Maschinenbauteilen mit 35-70%
den Hauptanteil der gesamten Herstellkosten aus [VDI 2225], ihre Höhe verhält sich proportional
zum effektiven Bauteilvolumen V und den spezifischen Werkstoffkosten Wspez, wobei
diese neben dem reinen Rohmaterialpreis u. U. auch umgelegte Entwicklungskosten und
Kosten für Schutzrechte (insbesondere im Fall „maßgeschneiderter“ Werkstoffe für bestimm-
166

te Kundenanforderungen) sowie Materialgemeinkosten (Einkauf, Lagerhaltung, Wareneingangsprüfung,
Transport, Verpackung etc.) umfassen können (Abbildung 8-1):
Werkzeugmaschine, schwer
Dampfturbine
Dieselmotor, stationär
Wasserturbine
PKW-Benzinmotor
PKW-Dieselmotor
PKW
Kran
M = V * Wspez (8-2)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Materialkostenanteile in %
Abbildung 8-1 : Materialkostenanteile von Erzeugnissen [REU07]
In Zusammenhang mit dem Bauteilvolumen wird in der spanenden Fertigung der Verschnitt
in Form eines Verschnittfaktors mit berücksichtigt. Bei gegossenen Bauteilen wäre hingegen
ein entsprechender Faktor für Kreislaufmaterial und Bearbeitungszugaben anzusetzen, der
je nach Bauteil und Produktionskonzept unterschiedlich ausfällt und die reinen Materialkosten
für das bearbeitete Material in Relation zu dem erzielbaren Verkaufserlös für die angefallenen
Bearbeitungsspäne setzt und zu den Lagerkosten, Legierungs- und Energiekosten für
das Wiederaufschmelzen des angefallenen Kreislaufmaterials hinzuaddiert.
Um diese komplexe Kostenrechnung, die beim Hersteller der jeweiligen Komponenten stattfindet,
für den Konstrukteur zu vereinfachen, wurde in VDI 2225 Blatt 2 versucht, eine Vergleichbarkeit
durch Einführung sogenannter Relativkostenfaktoren kv * =kv*(kv0) -1 zu ermöglichen,
indem die jeweiligen Materialkosten (und anteiligen Fertigungskosten) in Relation zu
einem Referenzwerkstoff (warmgewalzter Rundstahl S235JRG1 DIN EN 10025) gesetzt
werden. In der Konstruktionstechnik sind diese Relativkostenfaktoren inzwischen weit verbreitet
und für die verschiedensten Werkstoffe u. a. auch in Werkstoffdatenbanken und Materialcharts
zu finden (Abbildung 8-2 und Abbildung 8-3).
167

In wieweit eine derart vereinfachte Darstellung der Realität gerecht wird, mag zur Diskussion
gestellt sein. Auch wird in diesem Zusammenhang zurecht darauf hingewiesen, dass die
geforderte Werkstoffgüte einen wesentlichen Faktor bei der Kostenermittlung spielt, und
dass für höhere Werkstoffgüten für hoch beanspruchte Teile mit entsprechenden Aufschlägen
kalkuliert werden muss [REU07].
Relativkostenfaktoren für Gusseisen- und Stahlgusswerkstoffe zeigt Tabelle 8-1.
Festigkeit, MPa
Schäume
Naturstoffe
Keramik
Polymer, Elastomer
Volumenbezogener Relativkostenfaktor
Metalle
Abbildung 8-2: Festigkeitsbezogene Relativkostenfaktoren [REU07]
168

Abb 8 3
Elastizitätsmodul in GPa
Naturstoffe
Schäume
Technische
Keramik
Polymer, Elastomer
Volumenbezogener Relativkostenfaktor
Metalle
Abbildung 8-3: E-Modulbezogene Relativkostenfaktoren [REU07]
169

Tabelle 8-1: Relativkostenfaktoren für Gusseisen- und Stahlgusswerkstoffe nach
[KUR04]
Stückgewicht
Werkstoff Stüc
kzahl
DIN
EN
1562
DIN
EN
1561
DIN
EN
1563
DIN
EN
1681
Relativkostenfaktor für Schwierigkeitsgrad
Vollguss
ohne
Kerne
und Aussparungen
Vollguss
mit einfachen
Kernen
und Aussparungen
Hohlguss
mit einfachenRippen
und
Aussparungen
1…5 100 2 2,3 3,4 4,7
>5…10 50 1,8 2,15 3 4,3
>10…50 10 1,6 2 2,9 4
>50…10
0
>100…5
00
>500…1
000
Umrechnungszahl
Temperguss GJMW, GJMB
Gusseisen mit Lamellengraphit GJL
Gusseisen mit Kugelgraphit GJS
Stahlguss GS
1,7 1,0 1,5 2,0
8.2 Materialkosten
5 1,45 1,8 2,7 3,6
1 1,45 1,6 2,5 3,2
1 1,45 1,6 2,3 3
Hohlguss
mit
schwierigerKernarbeit
Ziel des Konstrukteurs muss es neben der aus technischer Sicht erforderlichen Reduzierung
des Bauteilgewichts immer sein, die Materialkosten so gering wie möglich zu halten. Die
höchsten Einsparpotenziale bietet hierbei der Strukturleichtbau ohne eine Werkstoff- oder
Prozessoptimierung. Sind die hierbei möglichen Gewichtseinsparpotenziale jedoch einmal
gehoben, so ist eine weitere Gewichtsreduktion nur noch durch werkstofflichen Leichtbau
170

möglich, sofern nicht die Möglichkeit der Integration von Funktionen benachbarter Bauteile
oder der Absenkung von Sicherheitsfaktoren besteht. In diesem Fall werden die Kosteneinsparungen,
die sich durch die Verringerung des Materialeinsatzes ergeben u. U. ganz oder
teilweise durch die höheren spezifischen Materialkosten von Leichtbauwerkstoffen oder die
Kosten für die Prozessoptimierung zur Erzielung einer höheren Werkstoffqualität wieder
ausgeglichen.
Leichtbau-Werkstoffe zeichnen sich gegenüber Standardwerkstoffen durch ihre höhere spezifische
Tragfähigkeit bei vergleichbaren Belastungszuständen aus. Dieser Vorteil wird jedoch
durch einen höheren Aufwand bei der Herstellung des Werkstoffs und dessen Verarbeitung
erkauft. So erreichen viele Aluminium-Legierungen ihre verbesserten Gebrauchseigenschaften
erst nach einer energieintensiven Wärmebehandlung, das Gleiche gilt für die Herstellung
von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit. Die hohen Kosten von Matrix-, Verbund-
und Schaumstrukturwerkstoffen verhindern zusammen mit dem hohen Verarbeitungsaufwand
derzeit noch deren großflächigen Einsatz im Fahrzeugbau und in anderen kostensensitiven
Anwendungsbereichen.
Ein Kostenvergleich der unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffe ist gerade bei Werkstoffen,
die sich am Markt noch nicht durchgesetzt haben, problematisch, da der Anteil der Entwicklungskosten
an den spezifischen Materialkosten u. U. überproportional hoch sein kann und
da bei etablierten Werkstoffen, die in großen Mengen hergestellt werden, Skaleneffekte in
der Regel wesentlich stärker zum Tragen kommen und den Preis senken. Zudem schwanken
die Werkstoffpreise saisonal- und nachfragebedingt sowie aufgrund von Schwankungen
der Rohstoffpreise, so dass ein Vergleich der spezifischen Materialkosten zum Zeitpunkt X
nicht ohne Weiteres auf einen Zeitpunkt Y übertragbar ist.
Um dennoch eine grobe Orientierungshilfe zu haben, kann der Konstrukteur auf die in Werkstoffdatenbanken
(siehe Kapitel 4) hinterlegten Kostenbereiche zurückgreifen, die sich z.B. in
Form eines Bubblecharts darstellen lassen (Abbildung 8-4, Abbildung 8-5).
171

E-Modul (GPa)
Naturstoffe
Schäume
Technische
Keramik
Polymer, Elastomer
Volumenbezogener Relativkostenfaktor
Metalle
Abbildung 8-4:Spezifische Werkstoffkosten auf den E-Modul bezogen [ASH07]
E-Modul (GPa)
Naturstoffe
Schäume
Technische
Keramik
Metalle
Polymer, Elastomer
Volumenbezogener Relativkostenfaktor
Abbildung 8-5: Spezifische Werkstoffkosten auf die Festigkeit bezogen [ASH07]
Im konkreten Fall sind jedoch außer dem reinen Materialpreis auch die Kosten für das
Schmelzen und Vergießen, eine evtl. Wärmebehandlung und die mechanische Bearbeitung
(Schnittgeschwindigkeiten/Werkzeugstandzeiten) zu berücksichtigen.
172

173

8.3 Entwicklungskosten und Entwicklungsrisiko
Mit zunehmendem Leichtbaugrad bzw. zunehmender Gewichtseinsparung in Bezug auf das
Gewicht des Referenzbauteils steigen die Kosten progressiv mit dem Aufwand an. Ist durch
konsequenten Strukturleichtbau gerade bei mittleren und großen Serien noch eine Gewichtseinsparung
nur mit geringen Mehrkosten verbunden oder im Idealfall sogar „zum Nulltarif“
möglich, so steigen die Kosten bei kombinierten Struktur-/Werkstoffleichtbaulösungen
bedingt durch die höheren Materialkosten deutlich an. Sind aufwändige Prozessanpassungen
notwendig und werden höhere Anforderungen an Hilfs- und Betriebsstoffe sowie Prüfprozesse
gestellt, so können die Kosten überproportional ansteigen bis zu einem Punkt, an
dem Leichtbau nur noch im Kontext der Gesamtkonstruktion und ihrer Kosten wirtschaftlich
ist und eine starke technische Motivation zur Gewichtseinsparung besteht (Abbildung 8-6).
Abbildung 8-6: Kosten für fortschreitenden Leichtbaugrad [Eisenwerk Brühl]
Anspruchsvolle Bauteilentwicklungen werden in Hochlohnländern zunehmend in Form von
Entwicklungspartnerschaften zwischen Gussabnehmer / Originalequipmenthersteller (OEM)
und hochspezialisertem Zulieferer ausgeführt, während traditionelle Lohnfertigung mehr und
mehr in Entwicklungs- und Schwellenländer ausgelagert wird und in den technologisch
Hochlohnländern an Bedeutung verliert. Als Entwicklungspartner teilen Auftraggeber und
Auftragnehmer sich Kosten und Risiko, allerdings in unterschiedlichem Maße. Obwohl die
174

Verteilung des Entwicklungsrisikos individuell äußerst verschieden ausfallen kann und nicht
immer analog zu der Verteilung der Entwicklungskosten verläuft, kann doch folgende Abbildung
für eine beispielhafte Verdeutlichung der Zusammenhänge herangezogen werden:
100%
0%
Risiko OEM
Risiko Gießerei
Konstruktion
Konstruktion
Virtual Testing
Virtual
Testing
Prototyping
Prototyping
ototypenerprobung
Prototypen-
Erprobung
rkstoffentwicklung
Werkstoffentwicklung
rozessentwicklung
Prozessanpassung
Serienstart
Serienstart
Abbildung 8-7: Verteilung des Entwicklungsrisikos zwischen OEM und Zulieferer
Von der Konstruktion bis zur Prozessanpassung fällt der Anteil des Gussabnehmers am
Entwicklungsaufwand und steigt der Anteil der Gießerei am Entwicklungsaufwand. Beim Serienstart
selbst lastet das Risiko in der Regel gleichermaßen auf beiden Entwicklungspartnern,
wenn der Gussabnehmer bereits an Lieferverträge gebunden ist und die Gießerei kurz
vor Beginn der Amortisation ihrer Entwicklungskosten steht (Abbildung 8-7).
Es existieren verschiedene Modelle für Lieferantenbeziehungen zwischen Gießerei und
Gussabnehmer:
Entwicklungspartnerschaft: Gussabnehmer und Gießerei teilen sich den Aufwand; teilen
sich auch das bei der gemeinsamen Entwicklung aufgebaute Know-How bzw. Rechte
an Patenten; eine typische Variante
Eigenentwicklung: Gießerei initiiert Entwicklung selbst, trägt auch die Kosten und sichert
sich hierdurch Wettbewerbsvorteile und Schutzrechte
Auftragsentwicklung: der Gussabnehmer gibt die Entwicklungsvorgabe und trägt die
kompletten Entwicklungskosten, die Entwicklung wird von der Gießerei durchgeführt
175

Auftragsfertigung: OEM erteilt Fertigungsauftrag mit vorgegebenem Eigenschaftsprofil,
Gießerei muss ggf. Prozessanpassung vornehmen, um die Vorgaben realisieren zu können
Im Fall einer Entwicklungspartnerschaft oder einer Eigenentwicklung stärkt die Gießerei die
Kundenbindung in Abhängigkeit von der Intensität, mit der sie die Leichtbauentwicklung
selbst vorantreibt oder sich gemeinsam mit dem Gussabnehmer an der Entwicklung beteiligt.
So kann es z.B. sein, dass der Automobilhersteller Werkzeuge bezahlt und der Personalund
Versuchsaufwand zur Erstellung von Prototypen der Gießerei nicht im Einzelnen vergütet
wird.
8.4 Kosten für Schutzrechte
Die Möglichkeit, Bauteilinnovationen durch Schutzrechte gegen Plagiatoren abzusichern,
besteht in zwei Varianten: Für eine vorliegende Bauteilstruktur und die damit verbundene
Funktionalität kann ein Gebrauchsmusterschutz beantragt werden, für einen Prozess, einen
Werkstoff oder ein Fertigungsverfahren kann ein Patent beantragt werden. Für beides ist das
deutsche Patent- und Markenamt (DPMA) in Berlin bzw. in Münschen zuständig. Für Patente
kann entweder ein nationaler, europäischer oder weltweiter Schutz beantragt werden, während
Gebrauchsmuster in Deutschland einzigartig sind und international keine Geltung besitzen.
Die Kosten variieren hierfür zwischen einigen tausend Euro für ein nationales und mehreren
zehntausend Euro pro Jahr für ein weltweites Patent. Zudem steigen die Kosten progressiv
mit jedem Jahr, für das der Patentschutz aufrecht erhalten wird.
Beim DPMA werden die dort eingereichten Patente grundsätzlich veröffentlicht und damit
auch einem Personenkreis zugänglich gemacht, der sich außerhalb des angemeldeten Geltungsbereichs
der angemeldeten Schutzrechte befindet. Gerade aufgrund der schwierigen
Situation in der VR China und anderen ehemaligen Ostblock-Staaten, in denen eine rechtliche
Verfolgung von Schutzrechtsverletzungen problematisch ist, sehen viele Unternehmen
inzwischen davon ab, Schutzrechte für Erfindungen anzumelden. Hinzu kommt, dass gerade
große Automobilhersteller bestrebt sind, die Abhängigkeit von einem einzelnen Lieferanten
zu vermeiden und Monopole zu umgehen. Schutzrechte können in diesem Zusammenhang
die Verhandlungen erschweren bzw. sich auf die Kundenbindung negativ auswirken. Viele
Gießereien, die sich zu den Automobilzulieferen zählen, sind aus diesem Grund dazu übergegangen,
ihr Know-How nicht mehr offen zu zeigen.
176

8.5 Wirtschaftlichkeitsaspekte
Erfahrungen haben gezeigt, dass der „Einkauf“ beim Automobilhersteller häufig in einem
laufenden Bauteilentwicklungsprozess möglichst lange offen lassen will, welche Gießerei
den Auftrag für die Serienfertigung bekommt. Dagegen sind die „Entwickler“ bei den Automobilherstellern
erfahrungsgemäß eher geneigt, früher im Entwicklungsprozess feste Partnerschaften
zu Gießereien einzugehen, um deren Unterstützung intensiver nutzen zu können.
Die Gießerei, die frei gefahrene Produkte/Prototypen mit entwickelt hat, hat in der Regel
Vorteile bei der Vergabe des Auftrags für die Serienfertigung, da der Entwicklungsaufwand
für das Freifahren von Prototypen bei einem Wettbewerber, der später in den Prozess eintritt,
zusätzliche Kosten beim OEM verursacht und die Zeitspanne bis zur Serienreife u. U.
deutlich verlängert.
Die Erfahrungen haben gezeigt, dass die Bereitschaft der Gussabnehmer/Automobilhersteller
höhere Preise für leichtere Bauteile zu zahlen, bauteilspezifisch ist.
Je nach Dringlichkeit der Gewichtseinsparung schwankt die Vergütungsbereitschaft zwischen
2 und 6 €/kg Gewichtsminderung. Soll beispielsweise bei einem PKW-Modell aus
Gründen der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts unbedingt eine Optimierung der Gewichtsverteilung
erfolgen, die sonst nur durch zusätzliche Ausgleichsmassen realisiert werden
kann, so kann in diesem Fall der Benefit, den der Automobilhersteller zu zahlen bereit
ist, überdurchschnittlich hoch sein.
Um die Entwicklungskosten und –risiken bei besonders innovativen und daher auch mit erhöhten
Risiken behafteten Produkten zumindest teilweise abzufangen, nutzen viele Gießereien
die Möglichkeiten einer öffentlichen Förderung im Rahmen von Forschungs- und Innovationsprogrammen
des Bundes, der Länder und der Industrie. Hierbei wird in der Regel nur
eine Teilförderung, d.h. ein Zuschuss zu den Gesamtkosten des Entwicklungsprojektes gewährt,
wobei gleichzeitig gefordert wird, dass die Ergebnisse veröffentlicht werden und der
Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden. Dies kann im Einzelfall im Konflikt mit den Interessen
des Gussabnehmers stehen. Andererseits genügt der Wissensvorsprung, der sich
aus der Projektlaufzeit ergibt, in der Regel schon, um sich einen deutlichen Wettbewerbsvorteil
über mehrere Jahre hinaus zu sichern. Über die Beteiligung an Forschungs- und Innovationsnetzwerken
besteht zudem die Möglichkeit, neue Lieferantenbeziehungen aufzubauen
und vom gemeinsam erarbeiteten Know-How mit zu profitieren. Einen Überblick über aktuelle
Förderprogramme bieten unter anderem die untenstehenden Internetadressen. Aktuelle
Industrie- und Verbundforschungsprojekte im Bereich Gießereitechnologie werden in den
Fachausschüssen und Arbeitskreisen des BDG vorgestellt. Hierüber besteht auch die Möglichkeit
einer direkten Teilnahme an Forschungsprojekten.
177

Förderdatenbank des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWT):
http://www.foerderdatenbank.de/
Förderinformationen des Bundes:
http://www.foerderinfo.bund.de/
Informationsseite der TU Berlin zu verschiedenen nationalen und internationalen Förderprogrammen:
http://www2.tu-berlin.de/zuv/IIIC/foerder/links.htm
http://www2.tu-berlin.de/zuv/IIIC/foerder/links.htm
Fördernavigator des Projektträgers Jülich (PTJ):
http://www.fz-juelich.de/ptjnavigator/
http://www.elfi.ruhr-uni-bochum.de/
Förderdatenbank der Ruhr-Universität Bochum (kostenpflichtig, ein kostenloser Probeaccount
ist jedoch kostenlos möglich):
http://www.elfi.ruhr-uni-bochum.de/
178

9 Konstruktionskataloge
9.1 Leichtbau-Konstruktionselemente
179

Abbildung 9-1: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 1
180

Abbildung 9-2: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 2
Abbildung 9-3: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 3
181

Abbildung 9-4: Leichtbau-Konstruktionselement, zu Regel 4
9.2 Leichtbau-Konstruktionsbeispiele
Fallbeispiel Konstruktion: Gegossenes Flügelstrukturteil für Flugzeuge
Werkstoff: Aluminium
Hersteller: Aluminium-Feinguss Soest GmbH
Gießverfahren: Feinguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 20 %
Das in Abbildung 9-4 dargestellte Strukturteil eines Flügels für die Luftfahrtindustrie ersetzte
eine genietete Bauteilvariante aus 16 Blech- und Zerspanteilen. Dieses Feingussteil erzielte
somit eine Gewichtsersparnis von 20 % (bei gleichbleibender Festigkeit). Die gegossene
Ausführung des Flügelstrukturteils macht eine Montage der einzelnen Blechteile überflüssig
und konnte zudem die Bearbeitung des Bauteils um 91 % reduzieren. Beim Vergleich der
182

Herstellungskosten wird deutlich, dass sich durch den Austausch eine Kosteneinsparung von
33 % ergeben hat (Abbildung 9-5).
Abbildung 9-5: Flügelstrukturteil aus Aluminium [ZGV03]
Abbildung 9-6: Verringerter Montageaufwand durch Integralkonstruktion [ZGV03]
Fallbeispiel Konstruktion: Grundkufe für Bergbaumaschinen
Werkstoff: -verschleißfester Stahlguss-
Hersteller: -unbekannt-
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 3 %
183

Eine Grundkufe ist ein Bauelement einer Bergbaumaschine, die für den Streckenausbau
unter Tage verwendet wird. Auf Basis eines Stahlgussteils wurde dieses Bauelement früher
mit Stahlblechen zusammengefügt und als Schweißkonstruktion realisiert. Durch das Zusammenspiel
von konstruktiven und fertigungstechnischen Maßnahmen konnte dieses Bauteil
als gegossene Variante hergestellt werden. Das neu entwickelte Stahlgussteil macht eine
Kosteneinsparung von 15 % möglich, indem die diversen Bearbeitungsschritte wie das
Schweißen oder Bohren entfallen.
Die Integralbauweise erreicht eine Gewichtseinsparung von 3 %, da bestimmte Bereiche des
Bauelements auf Grund von fertigungstechnischen Maßnahmen verändert werden konnten.
Der Austausch der Schweißkonstruktion durch das Stahlgussteil hat keine negativen Einflüsse
auf die geforderten Festigkeiten (Abbildung 9-7).
Abbildung 9-7: Stahl-Stahlguss-Konstruktion (früher) Stahlgussbauteil (heute)
[ZGV00]
Fallbeispiel Konstruktion: Hochgeschwindigkeitsschlitten für eine Werkzeugmaschine
Werkstoff: EN-GJS-400-18
Hersteller: Heidenreich & Harbeck AG, Moelln
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 15 %
Im Folgenden wird die Entwicklung einer bionischen Verrippungskonstruktion für einen
Hochgeschwindigkeitsschlitten einer Werkzeugmaschine durch Topologieoptimierung dargestellt
(Abbildung 9-9). Die aus der Natur bekannten Konstruktionen wachsen nach Regeln,
die ihnen zu höchster Stabilität bei geringstem Materialeinsatz verhelfen. Moderne Compu-
184

terprogramme sind heute in der Lage, solche Strukturen zu berechnen und in das zu fertigende
Bauteil konstruktiv einfließen zu lassen. Solche bionisch angepassten Konstruktionen
sind auf Grund ihres geringen Eigenspannungszustandes höher belastbar und somit den
Erfordernissen des Leichtbaus und der Ergonomie am besten angepasst.
Hier liegen interessante Anwendungsgebiete für die Gussfertigung, die wie kein anderes
Verfahren in der Lage ist, solche komplizierten und scheinbar ungeordneten Strukturen auch
bearbeitungs- und werkzeugseitig wirtschaftlich zu fertigen.
Der Optimierung des Hochgeschwindigkeitsschlittens aus EN-GJS-400-18 erfolgte komplett
in der Konstruktionsabteilung der Gießerei. Durch die Topologieoptimierung konnte eine 15
%-ige Gewichtseinsparung bei Halbierung der Verformungen erreicht werden. Die Herstellungskosten
des optimierten Hochgeschwindigkeitsschlittens betragen etwa 90 % der ursprünglichen
Version, was unter anderem auch an der schnellen Realisierung des Bauteils
von nur 2 Wochen lag.
Abbildung 9-8: Hochgeschwindigkeitsschlitten einer Werkzeugmaschine [ZGV02]
Fallbeispiel Konstruktion: Kolben für Hochleistungsmotoren
Werkstoff: M142, M174 (übereutektische warmfeste AlSi-Legierungen)
Hersteller: Mahle GmbH, Alzenau
Gießverfahren: Kokillenguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 23 %
185

Um den immer stärker steigenden
thermischen und mechanischen
Anforderungen an Kolben für Ottound
Dieselmotoren gerecht zu
werden, sind konstruktive und
werkstoffspezifische Optimierungen
im Automobilbau unabdingbar.
Die daraus resultierenden Ent-
Abbildung 9-9: Gegossener Aluminium-Kolben für
wicklungen von wand- und luftge-
Otto-Motoren [BIN05]
führten Direkteinspritztechnologien
haben zu teilweise komplexen Brennraumgeometrien geführt, die durch die Gießtechnik beherrscht
werden müssen.
Die dennoch erreichten Gewichtseinsparungen konnten unter anderem durch dünne Wandstärken,
optimiert mittels FEM, niedrigere Kompressionshöhen sowie weiterentwickelte Abstützkonzepte
wie Trapez- oder Stufenpleuel realisiert werden.
Mit Hilfe der Kombination aus Trapezabstützung und einer neuen Kolbentechnologie konnte
die Firma Mahle, Stuttgart, das Kolbengewicht für einen Ottomotor innerhalb von 8 Jahren
Entwicklungszeit um 23 % reduzieren (Abbildung 9-9, Abbildung 9-10), [BIN05].
Abbildung 9-10: Vergleich zwischen altem (links) und verbessertem Design (rechts)
[BIN05]
Das weiterentwickelte Design des Kolbens zeichnet sich sowohl durch einen günstigen Kraftfluss
in die Lagerung des Kolbenbolzens als auch durch eine reduzierte Bodenstärke aus.
Das entscheidende Merkmal der weiterentwickelten Konstruktionen ist jedoch die durch die
Hintergießung der Ringpartie erzielte Gewichtsreduzierung.
186

Fallbeispiel Konstruktion: Kurbelwelle
Werkstoff: SiBoDur 700-10
Hersteller: Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 10 %
Abbildung 9-11: Hohlgegossene Kurbelwelle aus hochsiliziumhaltigem Gusseisen
[MEN07]
Durch konstruktive Veränderungen und die entsprechend angepasste Wahl des Werkstoffes
ist die Realisierung der Leichtbauweise auch am Beispiel Kurbelwellen möglich, (Abbildung
9-12).
Generell sind gegossene Kurbelwellen (bei vergleichbarem Design) bedingt durch die niedrigere
Dichte rund 10 % leichter als geschmiedete Varianten. Jedoch liegen die Festigkeitswerte,
Dehnungen und Duktilität unter denen der geschmiedeten Bauteile.
In einer Studie der Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen wurden Kurbelwellen aus
Schmiedestahl, z.B. für 1,9 l Dieselmotoren, durch silizium-, borlegiertes Gusseisen mit Kugelgraphit
ersetzt, indem man die hier nötige Dauerfestigkeit durch Rollieren der am stärksten
beanspruchten Bereiche der Welle erhöht hat. Die so aufgebrachten Druckeigenspan-
187

nungen steigern die Schwingfestigkeit um 10 bis 15 %. Die Substitution der geschmiedeten
Kurbelwelle erzielte eine 10 %-ige Gewichtsersparnis [PRU07].
Fallbeispiel Konstruktion: Nockenwelle für einen Ventiltrieb
Werkstoff: G-100Cr6
Hersteller: Gussstahl Lienen GmbH & Co KG, Lienen
Gießverfahren: Vollformgießen mit EPS-Schaummodell
Realisierte Gewichtsersparnis: -Prototyp-
Abbildung 9-12: Hohlgegossene Nockenwelle [ZGV04]
Durch die Nutzung des Lost-Foam-Verfahrens für die Herstellung dieses Stahlgussteils ließ
sich eine für diese Werkstoffgruppe sehr hohe Genauigkeit erzielen. Die Nutzung von verdampfbaren
Modellen (verlorene Modelle) macht es möglich solche komplexen, kern- und
gratlosen Gussteil herzustellen, wie die hier abgebildete hohlgegossene Nockenwelle aus
G-100Cr6 [ZGV04].
Auf Grund der Verfahrensgenauigkeit konnten zudem Wandstärken von nur 6 mm ausgeführt
werden. Das dadurch nur noch 2,1 kg schwere Gussteil konnte so bedeutend leichter
hergestellt werden. Neben Massereduzierung und steigender Komplexität trat auch eine
Verbesserung der Oberflächengenauigkeit ein. Zusammen mit der bei diesem Verfahren
188

möglichen grat- und kernlosen Fertigung ließ sich der Nachbearbeitungsaufwand bedeutend
verringern (Abbildung 9-12).
Dieses Fallbeispiel macht deutlich, wie durch fertigungstechnische Veränderungen komplexe
Geometrien, Massereduzierungen durch Verringerung der Wandstärken sowie Einsparungen
von Bearbeitungsschritten realisiert werden können.
Fallbeispiel Konstruktion: Querträger für die Armaturentafel
Werkstoff: AlMg5Si2Mn, MgAl5Mn
Hersteller: Georg Fischer Druckguss GmbH, München
Gießverfahren: Druckguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 50 %
Die Forderungen nach Bauteilen mit hohen Festigkeiten bei guten Dehnungen und geringem
Gewicht lassen sich im Automobilbau in besonderer Weise durch Hybridbauvarianten realisieren.
Eine Kombination aus den Werkstoffen AlMg5Si2Mn und MgAl5Mn kommt durch einen
Querträger für die Armaturentafeln im Audi A8 (Baujahr 2004) zum Einsatz und wurde durch
die Firma Georg Fischer Druckguss GmbH, München entwickelt. Die entwickelte Druckgusskomponente
ist durch seine Material-Mix-Bauweise nur etwa halb so schwer wie ein konventionelles
Blechbauteil. In sicherheitsrelevanten Bereichen des Querträgers wurde
AlMg5Si2Mn wegen seiner hohen Bruchdehnung (bis 15 %) eingesetzt. Dieses Aluminium-
Bauteil wird z.B. auf der Fahrerseite als Hohlprofil-Variante verbaut [MAI04], (Abbildung
9-13).
Die gegossene Variante zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass kostenintensive
Anbauteile oder Fügeverfahren entfallen. Eine abschließende Optimierung der Druckgussform
machte eine Serienfertigung mit hoher Stückzahl möglich.
189

Abbildung 9-13: Druckgegossener Querträger aus AlMg-Werkstoffverbund [MAI04]
Fallbeispiel Konstruktion: Stirn- und Schließplatte für eine Spritzgießmaschine
Werkstoff: EN-GJS-400-15
Hersteller: Römheld & Moelle Eisengießerei, Maschinen- und Apparatebau GmbH, Mainz
Gießverfahren: Sandguss (Nassguss)
Realisierte Gewichtsersparnis: 15 %
Basis für die Optimierung dieser Konstruktion bestehend aus Stirnplatte, Kniehebelmechanik
und Schließplatte war ein Referenzmodell aus dem Werkstoff EN-GJS-400-15. Es galt bei
dieser Studie die Schließkräfte der Gießmaschine (deutlicher Reduzierung des Gesamtgewichtes)
zu erhöhen und die Aufspannmaße zu erweitern. Um eine Gewichtsreduzierung bei
gleichbleibend hohen Festigkeiten zu erreichen, wurde die Basiskonstruktion durch eine Topologieoptimierung
in Verbindung mit der Finite-Elemente-Analyse verbessert [FRI04],
(Abbildung 9-14).
190

Abbildung 9-14: Gewichtsreduzierte Baugruppe mit Stirn- und Schließplatte [FRI04]
Entscheidend für das Zusammenführen der verschiedenen Designvorschläge unter Berücksichtigung
der Herstellbarkeit und funktionsbedingter Restriktionen war hier die interdisziplinäre
Zusammenarbeit von Ingenieuren des Maschinenherstellers, der Gießerei und des Optimierers
wobei der Softwareeinsatz zur Topologieoptimierung ein wesentliches Instrument
darstellte.
Dabei wurden in der Optimierung insgesamt 15 aus unterschiedlichen Aufspannsituationen
resultierende Lastfälle simultan berücksichtigt. Die auf konventionellem Weg (Ähnlichkeitskonstruktion)
zuvor generierte Referenzlösung konnte auf diese Weise um ca. 15% leichter
gestaltet werden, ohne dabei die Anforderungen an die Steifigkeit der Maschinenteile zu verletzen
(Abbildung 9-15).
Die Gestaltung des CAD-Modells wurde auf Basis zweier Designvorschläge generiert, bei
denen mit und ohne Entformungsrichtung gearbeitet wurde. Aus den vom Optimierungsprogramm
automatisch generierten Lösungsvorschlägen konnten die wesentlichen Designmerkmale
identifiziert und die konstruktive Umsetzung durchgeführt werden.
191

Abbildung 9-15: Ursprüngliche und optimierte Varianten der beiden Bauteile [FRI04]
Fallbeispiel Konstruktion: Zylinderunterteil einer Dieselbäre
Werkstoff: EN-GJS-500
Hersteller: Friedrich Wilhelms-Hütte GmbH, Mülheim a. d. Ruhr
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 5 %
Eine Dieselbäre ist eine mit Dieselkraftstoff betriebene Rammbäre, welche nach dem Prinzip
der Schlagzerstäubung arbeitet. Auf das Rammgut wirken während der einzelnen Arbeitsschritte
einer Dieselramme die Kompression, der Schlag des Kolbens und der Explosionsdruck
des Kraftstoffs. Ihren Einsatz finden die sogenannten Dieselbären überwiegend in der
Bauindustrie. Die verknüpfte Bauweise aus Ramme und Motor (Ramm-Motor-Einheit) ermöglicht
ein selbstständiges Arbeiten.
Das Zylinderunterteil einer Dieselbäre ist bei maximalen Explosionsdrücken auf das Rammgut
von 350 bis 2600 kN sowohl starken dynamischen als auch thermischen Belastungen
ausgesetzt. Das Zylinderunterteil wird in der Dieselbäre als Bindeglied zwischen Schlagkolben
und die das Rammgut stützende Schlaghaube verbaut.
192

Die zuvor eingesetzte Stahl-Schweiß-Konstruktion des Zylinderunterteils konnte auf Grund
von konstruktiven Veränderungen und einer Werkstoffumstellung durch eine Variante aus
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-500) realisiert werden. Die Gestaltungsfreiheit des Gießens
erlaubte eine beanspruchungsgerechte Formgebung mit guter Ableitung der auftretenden
Betriebsspannungen, so dass Spannungsspitzen in bestimmten Bauteilbereichen vermieden
werden konnten. Daraus resultiert sowohl eine erhöhte Lebensdauer als auch eine
bessere Betriebssicherheit der Dieselbäre.
Im Zuge der Substitution der Stahl-Schweiß-Konstruktion durch eine Bauteilvariante aus
GJS-500 ergab sich eine Gewichtseinsparung von 70 kg. Zusätzlich lassen sich durch die
gegossene Ausführung rund 16 % der Herstellungskosten einsparen (ZGV01.1], (Abbildung
9-16).
Abbildung 9-16: Dieselbäre (ursprüngliche und gewichtsoptimierte Variante) [ZGV01.1]
193

9.3 Beispielkatalog Bionik
Im Folgenden eine Sammlung von Beispielen für gegossene, nach bionischen Prinzipien
konstruierten Leichtbauskonstruktionen.
Fallbeispiel Bionik: Blatt der Riesenseerose
Mechanismus: Versteifung durch radiale Verrippung
Abbildung 9-17: Blatt einer Riesenseerose
Abbildung 9-18: Blattunterseite der Riesenseerose
194

Anwendung: Aluminium-Stahlverbund-Druckgussteile (VarioStruct)
Werkstoff:
Gießverfahren: Druckguss
Hersteller: Gießereiinstitut der RWTH Aachen
(Verbundprojekt mit VW und Porsche)
Abbildung 9-19: VarioStruct-Verbundgussteile aus Aluminiumdruckguss mit eingegossener
Stahlverrippung [RWTH Aachen]
Fallbeispiel Bionik: Biologisches Wachstum eines Baums
Mechanismus: Strukturoptimierung durch gezielte Eliminierung von Material an gering beanspruchten
Stellen und durch Materialanlagerung an stärker beanspruchten Stellen
Abbildung 9-20 : Das kraftliniengerechte Wachstum eines Baums dient als natürliches
Vorbild für die Bauteilgestaltung [DRA09]
195

Anwendung: Lagertraverse für Werkzeugmaschine („BioCast“)
Werkstoff: EN-GJS-400
Hersteller: Heidenreich & Harbeck AG, Moelln
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: -Prototyp-
Abbildung 9-21: Lagertraverse für Werkzeugmaschine, Material: EN-GJS-400, Gewicht:
500 kg, Abmaße: 1475x970x800 mm [GIE07]
Durch topologische Veränderungsmaßnahmen konnten bei dieser Lagertraverse für eine
Werkzeugmaschine die gegensätzlichen Anforderungen nach Leichtbau und gleichzeitig
hoher Steifigkeit verwirklicht werden. Hierzu waren seitens der Fertigung Änderungen nötig.
So wurden statt eines großen Innenkerns zusätzlich auch zwei große Seitenkerne benötigt,
welche in der Handformerei hergestellt wurden.
Zur Konstruktion wurden Verfahren wie statische FEM-Berechnung, Modalanalyse (Charakterisierung
des dynamischen Verhaltens schwingungsfähiger Systeme mit Hilfe der Eigenschwingungsgrößen)
sowie die so genannte Topologieoptimierung angewandt. Sie brachte
wichtige Hinweise für die kraftflussgerechte Gestaltung und somit für die endgültige Bauteilgeometrie.
196

Fallbeispiel Bionik: Schale der Kokosnuss
Mechanismus: Faserdurchsetzte Struktur der Kokosnusschale wirkt beim Aufprall
dämpfend auf den Kern.
Abbildung 9-22: Die faserdurchsetzte Schale der Kokosfrucht bietet ausreichenden
Schutz gegen das Aufplatzen beim Aufprall [RWTH Aachen]
197

Anwendung: faserverstärkte Strukturbauteile
Material / Gießprozess / Hersteller: Gießereiinstitut der RWTH Aachen
Abbildung 9-23: faserverstärktes Strukturbauteil [RWTH Aachen]
Fallbeispiel Bionik: Haifischhaut
Mechanismus: Die in Strömungsrichtung verlaufenden Rillen auf der Haut verringern die
Reibung beim Gleiten durch das Wasser, da sie die Entstehung von bremsenden Querströmungen
verhindern.
198

Abbildung 9-24: Feinstrukturierte Haifischschuppen [Eye of Science]
Anwendung: feingegossenes Pumpenlaufrad mit mikrostrukturierter Gussoberfläche zur
Minimierung des Strömungswiderstands
Material:
Gießprozess: Feinguss („Strukto Guss“)
Hersteller: Grohno GmbH, Düren)
Abbildung 9-25: Pumpenlaufrad mit mikrostrukturierter Oberfläche [Grohno GmbH]
199

Fallbeispiel Bionik: Wabenartige Struktur eines Elefantenschädels
Abbildung 9-26: Struktur eines Elefantenschädels [MAI05]
Mechanismus: Der Elefantenschädel ist ein Paradebeispiel für eine kraftoptimierte Struktur.
Durch angepasstes Knochenwachstum entlang der Kraftverlaufslinien und Eliminierung gering
beanspruchter Bereiche wird das Gewicht auf ein Minimum reduziert.
Anwendung: Maschinenbett einer großen Vertikaldrehmaschine („BioCast“)
Werkstoff: EN-GJL-250
Hersteller: Heidenreich & Harbeck AG, Moelln
Gießverfahren: Sandguss
Realisierte Gewichtsersparnis: 30 %
Abbildung 9-27: Durch strukturbionische Optimierung und den Einsatz von Großkernen
konnte das Gewicht dieses Maschinenbettes von 13,5 auf 9 t reduziert werden.
[MAI05]
200

9.4 Bionik-Katalog „Stützen und Tragen“
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