Unter Leichtbau versteht man den Aufwand, ein Design so zu verändern, dass sich das Verhältnis von Nutzgewicht zu Eigengewicht verbessert, ohne dass sich dies negativ auf die Funktionalität auswirkt. Ein Ziel könnte daher sein, die Nutzlast eines Fahrzeugs zu erhöhen, ohne dessen Eigengewicht zu erhöhen; oder das Gewicht des Fahrzeugs auf die gleiche mögliche Zuladung zu reduzieren, ohne seine Funktion als Sicherheits-, Komfort- und Assistenzsystem zu beeinträchtigen.

Leichtbau ist seit Jahren ein heißes Thema. Obwohl der Leichtbau in der Regel zu größeren Gewichtseinsparungen führt, als ein bloßer Materialaustausch erreichen könnte, versuchen Konstrukteure in der Praxis, andere Materialien im Leichtbau zu verwenden. Ein einfacher Materialaustausch ist jedoch keine zufriedenstellende Lösung, da ein anderes Material in der Regel eine andere Konstruktion (z. B. mehr Bauraum oder andere Radien) und/oder eine andere Herstellung erfordert, z. B. Umformung, ursprüngliche Umform- oder Fügetechnik.

Aus technologischer Sicht bietet eine Kombination aus Leichtbau und Materialien die größten Potenziale. Wer das Gewicht von Bauteilen reduzieren möchte, muss daher mit den Grenzen des Materialleichtbaus vertraut sein.

Qualitätsindikatoren erleichtern die Bewertung

Wenn man sich zunächst auf die mechanischen Eigenschaften konzentriert, ist es im Leichtbau üblich, die spezifischen, dichtebezogenen Eigenschaftswerte eines Materials zu berücksichtigen. Für einfache analytisch lösbare Spannungsfälle wie Zug/Druck, Biegung, Torsion, Knicken von Stäben und Knicken von Platten lässt sich recht einfach zeigen, dass die erforderliche Masse von geometrischen und materiellen Parametern abhängt.

Geht man von einer vorgegebenen Geometrie aus, was aus technologischer Sicht oft sinnvoll ist – beispielsweise der gegebenen Länge und dem Bauraum der Konstruktion –, hängt das Endgewicht von bestimmten Materialeigenschaften ab, die man als Qualitätsmerkmale bezeichnet Diese Lastfälle sind in den Tabellen der Leichtbauliteratur zu finden.

Diese Tabellen verwenden jedoch häufig durchschnittliche Materialeigenschaften, um einen durchschnittlichen Qualitätsindex anzugeben. Wenn diese Parameter jedoch als Grundlage für die Materialvorauswahl herangezogen werden, sind die bereitgestellten Eigenschaften nicht ausreichend, da viele Materialien ein so breites Eigenschaftsspektrum aufweisen, dass die Mittelwerte für den konkreten Fall nicht geeignet sind. Während sich zumindest bei metallischen Werkstoffen einige Werte wie Elastizitätsmodul oder Dichte kaum mit der Legierungszusammensetzung oder Wärmebehandlung ändern, gilt dies für andere wichtige Werte wie die Zugfestigkeit überhaupt nicht.

Standardisiert auf die Eigenschaften von Stahl

Oben in Abbildung 1 zeigt eine Tabelle die Qualitätsindikatoren, die den Bereich der Eigenschaftsvarianz eines Materials widerspiegeln. Die Tabelle verdeutlicht, dass der Elastizitätsmodul und die Dichte von Verbundwerkstoffen wie Holz oder faserverstärkten Kunststoffen sowie deren Anteile (Faserdichte) und geometrische Ausrichtung zur Belastung (Faserorientierung, Schichtaufbau mit mehreren Lagen) erheblich variieren manche Fälle. Denn Faserverbundwerkstoffe sind eigentlich keine Werkstoffe, sondern Konstruktionen aus in einer Matrix ausgerichteten Fasern.

Die Tabelle wurde entsprechend den Eigenschaften von Stahl, dem im Maschinenbau am häufigsten verwendeten Werkstoff, standardisiert. Daher geben alle Tabellenwerte direkt die Gewichtsunterschiede einer geometrisch ähnlichen Konstruktion aus einem bestimmten Material im Vergleich zu Stahl an. Wenn beispielsweise eine GFK-Strebe auf Festigkeit ausgelegt ist, kann sie 1,19 bis 15,86-mal leichter sein als eine Stahlstrebe, je nachdem, welche Legierungen oder Faserverbundstoffe als Abdeckung verwendet werden. Muss die Strebe jedoch auf Steifigkeit ausgelegt werden, ist sie in GFK nur 0,37 bis 0,93 mal leichter, also mindestens 7 % schwerer.

Interessant ist, dass hinsichtlich des Güteindex für Längssteifigkeit alle metallischen Konstruktionswerkstoffe gleichermaßen geeignet sind. Aus diesem Grund bietet ein Materialersatz keinen Vorteil – nur CFK ermöglicht unter diesen Bedingungen eine leichtere Konstruktion.

Da die in der Literatur häufig verwendeten Tabellen wenig aussagekräftig sind, verdeutlicht der untere Teil von Abbildung 1 diese Zusammenhänge noch einmal. Die Tabellen bzw. entsprechenden Diagramme, wie sie im unteren Teil der Abbildung 1 dargestellt sind, ermöglichen eine eindeutige Einordnung der Eignung eines Materials für bestimmte Lastfälle. Allerdings sind nicht nur die mechanischen Eigenschaftswerte, die durch Qualitätsindikatoren definiert werden können, bei der Materialauswahl zu berücksichtigen. Zu den weiteren technologischen Eigenschaften, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen, gehören Dauerfestigkeit, Dehnung und Bruchzähigkeit, thermische Stabilität bzw. Wärmeausdehnungskoeffizient sowie weitere Materialeigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit, Trenn- und Fügebarkeit und andere, die darüber hinausgehen Umfang dieses Artikels.