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E-Book

Handbuch Leichtbau

Methoden, Werkstoffe, Fertigung

VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2011
Seitenanzahl1298 Seiten
ISBN9783446428911
CD zum Buch1
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis199,99 EUR

Beim Leichtbau werden Strukturen und Materialien verwendet, die das Gewicht eines Endproduktes signifikant verringern, ohne seine Festigkeit und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Das vorliegende Handbuch beschreibt die komplexen Zusammenhänge zwischen Methoden, Werkstoffen und Produktion. Der Leser erfährt alle Besonderheiten von der Konzeption über das Design, die Erprobung und Bewertung bis zur Produktion und Qualitätssicherung. Beschrieben sind hochfeste Stähle, Leichtmetalle (Al, Mg, Ti), faserverstärkte Kunststoffe und hybride Strukturen aus verschiedenen Materialien.
Durch die Vermittlung der systemübergreifenden Leichtbau-Kompetenz gelangt der Anwender zu eigenen erfolgreichen Gesamtlösungen.

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Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
Autorenverzeichnis32
Teil I –Produktentstehungsprozess für Leichtbaukomponenten und -systeme36
1.1Grundlagen42
1.1.1Modellierung von Produktentstehungsprozessen­43
1.1.2Grundlagen der Systemtechnik44
1.1.3Bekannte Prozessmodelle45
1.1.4Grenzen herkömmlicher Prozessmodelle47
1.1.5Neues Modell für einen Produkt­entstehungsprozess – Controlling vs. Entwicklerunterstützung49
1.1.5.1Controlling im Mittelpunkt49
1.1.5.2Unterstützung von Entwicklern50
1.2Das integrierte Produktentstehungs-Modell (iPeM)51
1.2.1Hypothesen der Produkt­entstehung51
1.2.2Begriffe und Elemente des iPeM53
1.2.2.1Aktivitätenmatrix53
1.2.2.2Aktivitäten der Produktentstehung54
1.2.2.3Problemlösungsprozess SPALTEN56
1.2.2.4Das Systemtriple aus Ziel-, Objekt- und Handlungssystem57
1.2.2.5Ressourcen57
1.2.2.6Phasenmodell58
1.2.2.7Erfahrung und Wissen im Produkt­entstehungsprozess58
1.2.3Modellebenen59
1.3Anwendung des iPeM bei der Entwicklung einer Felge aus kohlenstofffaser­verstärkem Kunststoff60
1.4Zusammenfassung64
1.5Weiterführende Informationen65
2.1Dimensionen des Technologiemanagements im Umfeld Leichtbau68
2.1.1Grundlagen des strategischen Technologiemanagements68
2.1.2Auslöser von Innovationen69
2.1.3Technologieadaption – Chance für die Produktentwicklung70
2.2Methodische Unterstützung bei der Identifikation von Technologiepotenzialen72
2.2.1Identifikation von Leichtbaupotenzialen­74
2.2.2Bewertung von Technologiealternativen für verschiedene Märkte77
2.3Erstellung und Abstimmung von Technologiestrategien88
2.4Fazit90
2.5Weiterführende Informationen90
3.1Einleitung94
3.2Anforderungen an Leichtbaukonstruktionen94
3.3Leichtbaustrategien97
3.3.1Bedingungsleichtbau98
3.3.2Konzeptleichtbau99
3.3.3Stoffleichtbau100
3.3.4Formleichtbau101
3.3.5Fertigungsleichtbau102
3.3.6Leichtbau versus Kosten102
3.4Bauweisen105
3.4.1Differentialbauweise105
3.4.2Integralbauweise105
3.4.3Modulbauweise106
3.4.4Verbundbauweise107
3.4.4.1Hybridbauweise108
3.4.4.2Multi-Material-Design108
3.5Fazit110
3.6Weiterführende Informationen110
4.1Computergestützte Konstruktion – Computer Aided Design (CAD)114
4.2Computergestützte Entwicklung (CAE)116
4.2.1Produktsimulation mit der Finite-Elemente-Methode (FEM)116
4.2.2Kurzer Rückblick auf die Entwicklung der FEM116
4.2.3Anwendungsbereiche der FEM117
4.2.4FEM-Programme118
4.2.5Ablauf einer FEM-Analyse119
4.2.6Literatur zu Berechnungs­programmen und zu FEM123
4.3Strukturoptimierung123
4.3.1Topologieoptimierung124
4.3.1.1Topologieoptimierung eines Fahrradbremskraftverstärkers126
4.3.1.2Topologieoptimierung eines Felgensterns128
4.3.2Formoptimierung131
4.3.2.1CAD-basierte Formoptimierung132
4.3.2.2FE-Netz-basierte Formoptimierung133
4.3.2.3Beispiel zur Netz-basierten Formoptimierung133
4.3.3Formoptimierung mit Sicken139
4.3.4Parameteroptimierung144
4.4Fazit148
4.5Weiterführende Informationen148
5.1Definition der Begriffe152
5.2Rahmenbedingungen für den Systemleichtbau155
5.3Analyse und Synthese des technischen Systems157
5.3.1Funktionsintegration in einem Bauteil158
5.3.2Trennung der Funktionen158
5.4Rechnergestützte Methoden im Systemleichtbau159
5.4.1Topologieoptimierung von Elementen in einem technischen System160
5.4.2Optimierung von mecha­tronischen Systemen160
5.4.3Automatische Lastenermittlung162
5.5Konstruktion eines Roboterarms162
5.6Fazit166
5.7Weiterführende Informationen167
6.1Verifizierung und Validierung von Produkteigenschaften170
6.2Virtuelle und experimentelle Validierungsumgebung171
6.3Zielkonflikte bei der Validierung von Produkt­eigenschaften im Leichtbau172
6.4Validierungsprozess173
6.5Systemleichtbau durch keramische Werkstoffe als Beispiel174
6.6Fazit176
6.7Weiterführende Informationen176
7.1Bedeutung des Leichtbaus im automobilen Rennsport180
7.2Gestaltung eines Leichtbauteils für einen Rennwagen180
7.3Auslegung einer Crash­struktur aus CFK unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen181
7.4Leichtbaukonzept eines Heckflügels184
7.4.1Heckflügel mit Stützstruktur184
7.4.2Heckflügel ohne Stützstruktur186
7.5Stofflicher Leichtbau im Rennsport187
7.5.1Bremsscheibe aus CFK188
7.5.2Pedalerie188
7.5.3Getriebegehäuse aus CFK188
7.5.4Stützstrebe aus CFK189
7.6Zusammenfassung189
7.7Weiterführende Informationen190
Teil II – Werkstoffe für den Leichtbau – Auswahl und Eigenschaften192
1.1Werkstoffe und ihre Eigenschaften198
1.2Allgemeine Aspekte der Werkstoffauswahl201
1.2.1Informationsquellen201
1.2.2Darstellen und Vergleichen von Werkstoffeigenschaften201
1.2.3Werkstoffauswahl im Produkt­entstehungsprozess202
1.3Auswahlstrategien203
1.3.1Anforderungsprofil und Werkstoffbewertung203
1.3.2Werkstoffindices zur Bewertung von Werkstoffen205
1.4Werkstoffauswahl mit Werkstoffindices206
1.4.1Leichtbaurelevante Werkstoff­­indices209
1.4.2Werkstoffauswahldiagramme211
1.5Mehrfache Randbedingungen und konkurrierende Ziele212
1.5.1Mehrfache Randbedingungen212
1.5.2Konkurrierende Ziele213
1.6Einfluss der Bauteilform216
1.6.1Grundsätzliches216
1.6.2Form und Effizienz216
1.6.3Der Formfaktor217
1.6.4Rolle des Formfaktors bei der Werkstoffauswahl218
1.7Beschränkungen durch den Bauraum219
1.7.1Grundsätzliches219
1.7.2Auswahlstrategie bei beschränktem Bauraum219
1.7.3Weitere Bauteile und Lastfälle221
1.8Zusammenfassung223
1.9Weiterführende Informationen223
2.1Stähle sind vielseitige Werkstoffe228
2.2Hochfeste Flachprodukte228
2.2.1Stähle für Feinstblech (< 0,5 mm)228
2.2.2Stähle für Feinblech (0,5–3 mm)231
2.2.2.1Bake Hardening-Stähle234
2.2.2.2Phosphorlegierte Stähle und hochfeste IF-Stähle235
2.2.2.3Mikrolegierte Stähle (HSLA-Stähle)236
2.2.2.4DP-Stähle (Dualphasen-Stähle)236
2.2.2.5TRIP-Stähle oder RA-Stähle (Restaustenit-Stähle)237
2.2.2.6CP-Stähle (Complexphasen-Stähle)237
2.2.2.7PM-Stähle (teilmartensitische Stähle)238
2.2.3Stähle für Bleche in größeren Dicken240
2.2.4Stähle für das Pressformen246
2.3Stähle für Schmiedestücke249
2.4Stähle für hochfeste Drähte252
2.5Höchstfeste Stähle252
2.5.1Höchstfeste Vergütungsstähle254
2.5.2Höchstfeste martensitaushärtende Stähle (Maraging-Stähle)254
2.6Recyclierverhalten von Stahl255
2.7Weitere Informationen255
3.1Aluminium als reiner Stoff260
3.2Aluminiumlegierungen261
3.2.1Einteilung und Nomenklatur261
3.2.2Knetlegierungen für Struktur­bauteile263
3.2.2.1Mittelfeste Strukturwerkstoffe der Legierungsgruppe Al-Mg (EN AW-5xxx)264
3.2.2.2Mittelfeste Strukturwerkstoffe der Legierungsgruppe Al-MgSi (EN AW-6xxx)268
3.2.2.3Mittelfeste Strukturwerkstoffe der Legierungsgruppe Al-ZnMg (EN AW-7xxx)270
3.2.2.4Hochfeste Al-Cu- und Al-ZnMgCu-Legierungen der Serien AW-2xxx und AW-7xxx271
3.2.3Gusslegierungen für Strukturbauteile271
3.3Be- und Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen273
3.3.1Formgießen – Urformen273
3.3.2Halbzeuge aus Aluminiumknet­legierungen – Umformen274
3.3.2.1Aluminium-Strangpressprofile274
3.3.2.2Bänder, Bleche und Platten275
3.3.2.3Werkstoffverbunde mit Aluminium276
3.3.3Verarbeitung von Aluminium­halbzeugen277
3.3.3.1Bearbeitung von Profilen277
3.3.3.2Blechumformung277
3.3.4Trennen von Aluminium­legierungen279
3.3.5 Oberflächenbehandlungen279
3.3.6Fügen279
3.3.7.Reparaturmöglichkeiten281
3.4Konstruktive Gesichtspunkte281
3.4.1Gewichtseinsparungsgrundsätze281
3.4.2.Elastische Werkstoffeigenschaften und Leichtbaugrad281
3.4.3Verhalten unter schlagartiger Beanspruchung284
3.4.4Schwingfestigkeitsgrundsätze284
3.5Recycling284
3.6Anwendung von Aluminiumwerkstoffen285
3.7Zusammenfassung287
3.8Weiterführende Informationen288
4.1Magnesium als reines Metall294
4.2Magnesiumlegierungen295
4.2.1Einteilung und Nomenklatur von Magnesiumlegierungen295
4.2.2Einfluss der Legierungselemente296
4.3Eigenschaften von Magnesiumlegierungen297
4.3.1Mechanische Eigenschaften297
4.3.2Physikalische Eigenschaften299
4.3.3Chemische Eigenschaften301
4.4Korrosion und Korrosionsschutz302
4.4.1Korrosion302
4.4.2Korrosionsschutz303
4.4.2.1Zusatz von ausgewählten Legierungselementen303
4.4.2.2Oberflächenbehandlung von Magnesiumwerkstoffen303
4.5Verarbeitung und Bear­beitung von Magnesium­legierungen306
4.5.1Urformen306
4.5.2Umformen307
4.5.3Fügen von Magnesiumlegierungen308
4.6Anwendung von Magnesiumlegierungen309
4.6.1Automobilbau309
4.6.2Elektronik310
4.6.3Maschinenbau311
4.6.4Raumfahrt312
4.7Fazit312
4.8Weiterführende Informationen313
5.1Titan als Metall320
5.2Einteilung der Titanwerkstoffe320
5.2.1Reintitan320
5.2.2Titanlegierungen321
5.3Eigenschaften von Titanlegierungen324
5.3.1Physikalische und technologische Eigenschaften324
5.3.2Konsequenzen für eine werkstoffgerechte und kosteneffektive Konstruktion im Leichtbau327
5.4 Be- und Verarbeitung von Titanwerkstoffen328
5.4.1 Wärmebehandlung328
5.4.2Fügeverfahren331
5.4.2.1Thermisches Fügen331
5.4.2.2Mechanisches Fügen332
5.4.2.3Chemisches Fügen334
5.4.3Spanende Bearbeitung334
5.4.4 Trennen, Stanzen, Lochen und Abtragen335
5.4.5 Umformen335
5.4.6Oberflächenbearbeitung336
5.4.6.1Dekorative Schichten336
5.4.6.2Verschleißschutzschichten337
5.4.6.3Festigkeitsstrahlen337
5.5Sicherheitsaspekte und Recycling337
5.6Halbzeugherstellung und Halbzeugformen338
5.7Anwendungsbeispiele339
5.8 Zusammenfassung und Ausblick341
5.9Weiterführende Informationen342
6.1Grundlagen348
6.2Thermoplaste351
6.2.1Standardkunststoffe356
6.2.2Technische Kunststoffe357
6.2.3Hochleistungspolymere357
6.3Duromere358
6.3.1Harzsysteme, Formmassen358
6.3.2Vernetzte Polyurethane360
6.4Elastomerwerkstoffe361
6.4.1Vernetzte Elastomere (Gummiwerkstoffe, Kautschuk)361
6.4.2Thermoplastische Elastomere (TPE)361
6.5Geschäumte Polymere363
6.5.1Weichelastische Schaumstoffe365
6.5.2Halbharte Schaumstoffe366
6.5.3Harte Schaumstoffe367
6.6Füllstoffe und Additive368
6.7Weiterführende Informationen370
7.1Das Prinzip von Verbundwerkstoffen376
7.2Kunststoffe als Matrix377
7.3Verstärkungsfasern und ihre Eigenschaften379
7.3.1Glasfasern379
7.3.2Kohlenstofffasern381
7.3.3Aramidfasern383
7.3.4Naturfasern385
7.4Textile Halbzeuge387
7.4.1Matten und Vliese389
7.4.2Gewebe389
7.4.3Gelege391
7.4.4Geflechte392
7.4.5Gesticke394
7.4.6Fibre Patch Preforming396
7.4.7Nähtechnologie396
7.4.8Bindertechnologie400
7.5Imprägnierte Halbzeuge400
7.5.1Duromere Systeme401
7.5.2.1 Nicht-fließfähige (endlosfaserverstärkte) Duromerprepregs403
7.5.2Thermoplastische Systeme405
7.6Eigenschaften von faser­verstärkten Kunststoffen411
7.6.1Haftung zwischen Matrix und Faser413
7.6.2Einfluss auf Festigkeit und Steifigkeit414
7.7Anwendungsgebiete418
7.8Weiterführende Informationen425
8.1Strukturkeramiken für Leichtbauanwendungen432
8.1.1Eigenschaften im Vergleich zu anderen Konstruktionswerkstoffen432
8.1.2Keramische Wälzlager für die Antriebstechnik434
8.1.3Leichtbau-Kameragehäuse aus Siliciumnitrid435
8.2Leichtbau mit Faserverbund-Keramiken436
8.2.1Keramische Verbundwerkstoffe436
8.2.2Verstärkungsfasern437
8.2.3Herstellverfahren für CMC-Bauteile439
8.2.4Eigenschaften der CMC-Werkstoffe441
8.2.5Hochtemperatur-Leichtbau in der Raumfahrt442
8.2.6Keramische Leichtbaubremsen443
8.3Zusammenfassung und Ausblick445
8.4Weiterführende Informationen445
9.1Verbundwerkstoffe vs. Werkstoffverbund450
9.2Grundlagen der Hybridisierung451
9.3Leichtbaurelevante Hybridkonzepte454
9.3.1Kunststoff-Metall-Hybride454
9.3.2Kunststoff-Kunststoff-Hybride457
9.3.3 Kunststoff-Keramik-Hybride459
9.3.4Kunststoff-Holz-Hybride460
9.4Zusammenfassung462
9.5Weiterführende Informationen462
Teil III – Fertigungsverfahren im Leichtbau – Formgebung, Be- und Verarbeitung464
1.1Gießen472
1.1.1Verfahrensspezifische Möglich­keiten zur gegossenen Leichtbaukonstruktion472
1.1.1.1Konstruieren von Gussteilen472
1.1.1.2Charakteristische Größen der Gießprozesse473
1.1.2Auswirkungen von Prozess und Legierung auf die Eigenschaften des Bauteils473
1.1.2.1Auswirkungen der Erstarrungsbedingungen auf Gefüge und Festigkeit473
1.1.2.2Gießbare Magnesiumwerkstoffe474
1.1.2.3Gießbare Aluminiumlegierungen474
1.1.2.4Titanlegierungen für den Formguss475
1.1.2.5Gusseisenwerkstoffe und gießbare Stähle476
1.1.2.6Hybride Werkstoffe477
1.1.3Verfahren der Gießereitechnik478
1.1.3.1Dauerform und verlorene Form478
1.1.3.2Wirkgrößen im Gießprozess478
1.1.3.3Schmelze, Gießen und Nachbearbeitung479
1.1.4Schwerkraftguss482
1.1.4.1Schwerkraftkokillenguss482
1.1.4.2Schwerkraftsandguss484
1.1.4.3Eignung des Sandgussverfahrens für den Leichtbau486
1.1.5Das Niederdruck-Kokillengieß­verfahren487
1.1.6Das Druckgießverfahren488
1.1.7Das Feingussverfahren491
1.1.7.1Leichtbau im Feinguss492
1.1.7.2Beispiele von Feingussbauteilen493
1.1.8Ausblick494
1.1.9Weiterführende Informationen zu 1.1496
2.1Herstellung von Leichtbaustrukturen aus Blech durch Umformen516
2.1.1Unterschiedliche Leichtbaustrategien516
2.1.2Erweiterte Formgebungsgrenzen durch wirkmedienbasierte Blechumformverfahren517
2.1.3Herstellung belastungs­angepasster Blechformteile522
2.1.4Presshärten höchstfester Blechformteile523
2.1.5Hybridbauweisen auf Basis von Blechhalbzeugen525
2.1.6Weiterführende Informationen zu 2.1527
2.2Herstellung von Leichtbaustrukturen durch Massiv­umformung529
2.2.1Einordnung der Massivumformung und deren Verfahren529
2.2.2Strangpressen529
2.2.2.1Verarbeitete Werkstoffe529
2.2.2.2Verfahrensprinzip des Strangpressens532
2.2.2.3Warmstrangpressen und Wärmebehandlung537
2.2.2.4Runden beim Strangpressen537
2.2.2.5Verbundstrangpressen540
2.2.3Schmieden540
2.2.3.1Freiformschmieden540
2.2.3.2Gesenkschmieden541
2.2.3.3Werkzeugversagen543
2.2.4Weiterführende Informationen zu 2.2543
2.3Herstellung von Leichtbaustrukturen durch Biegeumformung544
2.3.1Profile als Basis für den Leichtbau544
2.3.2Herstellung von geraden Profilen durch Biegen545
2.3.3Herstellung von belastungsangepassten Profilen durch Biegen551
2.3.4Biegen von Rohren und Profilen554
2.3.5Biegen von belastungsangepassten Rohren und Profilen559
2.4Zusammenfassung561
2.5Weiterführende Informationen zu 2.3562
3.1Zerteilen570
3.1.1Verfahren des Zerteilens570
3.1.2Verschleiß und Formfehler an der Schnittfläche571
3.1.3Zerteilen von NE-Metallen571
3.2Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide573
3.2.1Einfluss auf den Prozess des Zerspanens573
3.2.2Zerspanen von NE-Metallen576
3.2.2.1Titanzerspanung576
3.2.2.2Magnesiumzerspanung580
3.2.2.3Aluminiumzerspanung581
3.3Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide583
3.3.1Wasserstrahlschneiden583
3.3.2Schleifen584
3.4Abtragen585
3.4.1Laserbearbeitung585
3.4.2Funkenerosives Abtragen586
3.5Zusammenfassung586
3.6Weiterführende Informationen587
4.1Verfestigung durch Umformen594
4.1.1Verfestigungsstrahlen (Kugelstrahlen)594
4.1.2Verfestigung durch Walzen (Festwalzen)595
4.2Wärmebehandlung595
4.2.1Härten595
4.2.1.1Martensitische Umwandlung595
4.2.1.2Zeit-Temperatur-Umwandlungs­schaubilder (ZTU-Schaubilder)597
4.2.1.3Härtbarkeit von Stahl599
4.2.2Vergütung von Stahl600
4.2.3Chemische Verfahren bei Stählen601
4.2.4Aushärten am Beispiel einer Aluminiumlegierung602
4.2.5Aushärtung von Magnesium­legierungen606
4.2.6Härten und thermomechanisches Behandeln von Titanlegierungen607
4.3Zusammenfassung609
4.4Weiterführende Informationen609
5.1Extrusion616
5.1.1Rohr- und Profilextrusion617
5.1.2Extrusionsblasformen618
5.2Spritzgießen620
5.2.1Thermoplast-Spritzgießen622
5.2.2Elastomer-Spritzgießen623
5.2.3Duroplast-Spritzgießen623
5.2.4Sonderverfahren624
5.3Schäumverfahren627
5.3.1Extrusionsschäumen627
5.3.2Partikelschäumen628
5.3.3Polyurethanschäumen630
5.4Pressen632
5.5Tiefziehen632
5.6Rotationsformen633
5.7Zusammenfassung635
5.8Weiterführende Informationen635
6.1Verarbeitung kurzfaser­verstärkter Kunststoffe642
6.1.1Verfahren mit duromerer Matrix642
6.1.1.1Bulk Moulding Compound (BMC)642
6.1.1.2Reinforced-Reaction Injection Moulding (R-RIM)643
6.1.2Verfahren mit thermoplastischer Matrix643
6.2Verarbeitung langfaser­verstärkter Kunststoffe645
6.2.1Herstellung langfaserverstärkter Duromerer645
6.2.1.1Fasersprühen von Polyurethan645
6.2.1.2Fließpressen von SMC646
6.2.1.3Herstellung langfaserverstärkter duromerer Compounds im Direktverfahren648
6.2.2Herstellung langfaserverstärkter Thermoplaste651
6.2.2.1Fließpressen glasmattenverstärkter Thermopaste651
6.2.2.2Fließpressen langfaserverstärkter Stäbchengranulate652
6.2.2.3Fließpressen langfaserverstärkter Thermoplaste im Direkt-Verfahren652
6.2.2.4Fließpressverfahren für langfaserverstärkte Thermoplaste im Vergleich653
6.2.2.5Spritzgießen langfaserverstärkter Thermoplaste656
6.2.2.6Fertigungsverfahren für lokal endlosfaserverstärkte Langfaserverbunde658
6.2.2.7Eigenschaften langfaserverstärkter Thermoplaste658
6.3Herstellung endlosfaser- und textilverstärkter Duromerbauteile660
6.3.1Handlaminiertechnik660
6.3.1.1Unterteilung der Verfahren661
6.3.1.2Beispiele für die Anwendung des Handlaminierens662
6.3.2Prepreg-Technologien665
6.3.2.1Einteilung in Teilprozesse665
6.3.2.2Teilprozesse der Prepreg-Technologie666
6.3.2.3Werkzeugtechnologien671
6.3.2.4Aushärtetechnologien671
6.3.2.5Anwendungsbeispiele für unterschied­liche Prepreg-Technologien673
6.3.3Flüssigharz-Imprägnierverfahren – LCM-Technologien676
6.3.3.1Übersicht über die Verfahren676
6.3.3.2Gebräuchliche Harzimprägierverfahren679
6.3.3.3Harzinjektionsverfahren680
6.3.3.4Pultrusion692
6.3.3.5Faserwickeln695
6.4Herstellung endlosfaser- und textilverstärkter Thermoplastbauteile698
6.4.1Formgebung von Organoblechen – Pressverfahren698
6.4.2Umformen mit Gummi­werkzeugen699
6.4.3Match-Metal-Molding699
6.5Weiterführende Informationen701
7.1Bearbeitungsfehler und Bearbeitungsqualität708
7.2Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide710
7.2.1Verschleiß und Schneidstoffe710
7.2.2Fräsen710
7.2.3Bohren712
7.2.4Drehen715
7.3Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide716
7.3.1Schleifen716
7.3.2Wasserstrahlschneiden716
7.4Abtragen718
7.4.1Abtragen mit Laserstrahlen718
7.4.2Funkenerosives Abtragen (EDM)718
7.5Zusammenfassung719
7.6Weiterführende Informationen720
8.1Technologie der Keramik­herstellung726
8.2Formgebung Technischer Keramik728
8.2.1Prinzipien keramischer Formgebung728
8.2.2Keramische Formgebungs­verfahren731
8.2.2.1Pressformgebung731
8.2.2.2Plastische und thermoplastische Formgebung735
8.2.2.3Gießformgebung739
8.2.2.4Sonderverfahren741
8.2.3Binderkonzepte und Entbinderungsverfahren742
8.3Komplexe keramische Bauteilstrukturen743
8.3.1Grundlagen743
8.3.2Fertigungstechnische Möglich­keiten und Anwendungsbeispiele für den Leichtbau746
8.3.2.1Direkte Formgebung747
8.3.2.2Formgebung und Fügen748
8.3.2.3Replikationstechniken750
8.3.2.4Verwendung von Trägermaterialien (PT-Keramik®)752
8.3.2.5Keramik aus biogenen Rohstoffen754
8.4Zusammenfassung756
8.5Weiterführende Informationen757
9.1Oberflächenbehandlung als Vorbereitung zur Fertigung762
9.1.1Oberflächenmodifizierung mit Plasma762
9.1.2Chemische Aktivierung762
9.2In-mould Assembly (IMA)764
9.2.1Umspritzen und Umpressen764
9.2.2Verarbeitung von Organoblechen in hybriden Verbunden765
9.2.2.1Allgemeine Aspekte765
9.2.2.2Fertigung von verstärkten Bauteilen auf Basis von Organoblechen765
9.2.3Fertigungsverfahren für lokal endlosfaserverstärkte Langfaserverbunde767
9.2.4Hybride Innenhochdruck­umformung769
9.3Post Moulding Assembly (PMA)771
9.3.1Vergleich von PMA und IMA771
9.3.2Verbindungstechnik als wesentlicher Aspekt der PMA-Route772
9.4Fügen von Hybridverbunden mit anderen Bauteilen773
9.5Zusammenfassung774
9.6Weiterführende Informationen774
Teil IV – Fügetechnologien im Leichtbau776
1.1Stanznieten782
1.1.1Verfahrensbeschreibung783
1.1.2Qualitätsbestimmende Größen von Stanznietverbindungen785
1.1.3Konstruktive Hinweise786
1.1.4Einsatzbereich787
1.1.5Mechanische Eigenschaften der Verbindungen788
1.1.6Systemtechnik zum Stanznieten792
1.1.7Prozessüberwachung des Setzvorgangs793
1.1.8Nacharbeitslösungen und Reparatur795
1.1.9Anwendungsbeispiele für das Stanznieten796
1.2Blindnieten797
1.2.1Blindnietsysteme – genormt und anwendungsbezogen797
1.2.2Allgemeine Richtlinien zur Auswahl von Blindnieten800
1.2.3Qualitätssicherung801
1.2.4Anwendungsbeispiele für das Blindnieten803
1.3Schließringbolzensetzen805
1.3.1Schließringbolzensysteme806
1.3.2Eigenschaften von Schließring­bolzenverbindungen807
1.3.3Allgemeine Richtlinien809
1.3.4Qualitätssicherung810
1.3.5Anwendungsbeispiele für das Schließringbolzensetzen812
1.4Clinchen814
1.4.1Clinchsysteme815
1.4.2Mechanische Eigenschaften von Clinchverbindungen819
1.4.3Allgemeine Richtlinien820
1.4.4Qualitätssicherung822
1.4.5Anwendungsbeispiele für das Clinchen824
1.5Loch- und gewindeformendes Schrauben826
1.5.1Schraubsysteme827
1.5.2Eigenschaften der Schraub­verbindungen830
1.5.3Allgemeine Richtlinien836
1.5.4Qualitätssicherung840
1.5.5Anwendungsbeispiele für Verschraubungen im Automobilbau841
1.6Hochgeschwindigkeitsbolzen setzen­842
1.6.1Grundlagen und Begriffe844
1.6.2Verfahrensablauf und Verbindungsausbildung844
1.6.3Eigenschaften der Bolzensetzverbindungen im Vergleich mit anderen Verfahren846
1.6.4Korrosionsbeständigkeit850
1.6.5Setzgerät zum Bolzensetzen851
1.6.6Richtlinien zur Konstruktion und Fertigung854
1.6.7Anwendungsbeispiele für das Bolzensetzen855
1.7Toleranzausgleich858
1.7.1Definitionen und Funktions­prinzipien858
1.7.2Automatischer rotatorischer Toleranzausgleich859
1.7.3Automatischer translatorischer Toleranzausgleich862
1.7.4Manueller Toleranzausgleich862
1.7.5Einbauwerkzeuge und Hinweise zur Fertigung864
1.7.6Anwendungsbereiche865
1.8Weiterführende Infomationen867
2.1Fügen durch Umformen von Rohr- und Profilteilen874
2.2Fügen durch Weiten875
2.2.1Einsatz eines Wirkmediums876
2.2.2Einsatz eines starren Werkzeuges879
2.2.3Einsatz von Wirkenergie881
2.3Fügen durch Engen882
2.3.1Einsatz von Wirkenergie882
2.3.2Einsatz eines starren Werkzeuges885
2.4Zusammenfassung885
2.5Weiterführende Informationen886
3.1Schweißen890
3.1.1Anforderungen an Schweiß­verfahren für den Leichtbau892
3.1.2Übersicht wichtiger Schweiß­verfahren894
3.1.2.1Metall-Lichtbogenschmelzschweiß­verfahren894
3.1.2.2Spezielle Schweißverfahren898
3.1.3Lichtbogenarten beim MSG-Schweißen901
3.1.4Wärmereduzierte MSG-Prozesse904
3.1.4.1MSG-Prozesse mit Treppenstufenimpuls904
3.1.4.2ColdArc-Prozess906
3.1.4.3CMT-Prozess908
3.1.4.4Micro-MIG- Prozess909
3.1.5Anwendung der energie­reduzierten MSG-Prozesse910
3.1.6Schweißen von Leichtmetalldruckguss912
3.1.7Besonderheiten beim Schweißen verfestigter Werkstoffe914
3.1.8Weiterführende Informationen zu 3.1917
4.1Kleben als Fügeverfahren938
4.1.1Klebgerechte Gestaltung938
4.1.1.1Kleben geschlossener Profile940
4.1.1.2Kleben von T-Stößen942
4.1.2Klebstoffe für den Leichtbau942
4.1.2.1Epoxidharzklebstoffe942
4.1.2.2Polyurethanklebstoffe944
4.2Vorbehandlung der Oberflächen zum Kleben944
4.3Leichtbauwerkstoffe und deren Klebbarkeit944
4.3.1Kleben von Stahlblechen946
4.3.2Kleben formgehärteter Stahlbauteile946
4.3.3Kleben von Aluminiumblechen950
4.3.4Kleben von Aluminium-Druckguss952
4.3.5Kleben von Magnesium955
4.3.6Kleben von Titan956
4.3.7Kleben lackierter Bleche956
4.3.8Kleben von Kunststoffen958
4.3.8.1Kleben thermoplastischer Kunststoffe958
4.3.8.2Kleben von Elastomeren959
4.3.8.3Kleben von Duromeren959
4.3.9Kleben von Faserverbund­werkstoffen959
4.4Rechnerische Auslegung von Leichtbauklebungen961
4.4.1Analytische Berechnungsmethoden für Klebverbindungen962
4.4.1.1Berechnung von dünnen, strukturellen Klebschichten962
4.4.1.2Berechnung von flexiblen, gummielastischen Klebschichten964
4.4.2Numerische Berechungsmethoden für Klebverbindungen966
4.4.2.1Berücksichtigung mehrachsiger Spannungszustände967
4.4.2.2Kohäsivzonenmodelle968
4.5Kleben im Fahrzeugbau969
4.5.1Kleben im Karosserie-Rohbau969
4.5.2Kleben in der Automobilmontage971
4.6Zusammenfassung971
4.7Weiterführende Informationen972
5.1Grundlagen des Hybridfügens978
5.2Fertigung nach verschiedenen Verfahren979
5.3Eigenschaften der Verbindungen und deren Prüfung982
5.3.1Qualitätssicherung982
5.3.2Quasistatische Beanspruchung983
5.3.3Schwingende Beanspruchung985
5.3.4Schlagartige Beanspruchung985
5.3.5Alterungs- und Korrosions­verhalten988
5.3.6Temperaturabhängigkeit der Verbindungseigenschaften989
5.4Besonderheiten bei loch- und gewindeformendem Schrauben in Kombination mit dem Kleben989
5.5Anwendungsbeispiele992
5.6Weiterführende Informationen995
6.1Ziele der Qualitätssicherung998
6.2Qualitätsmanagement – eine Unternehmens­philosophie999
6.3Maßnahmen zur Qualitätssicherung1001
6.3.1Aufgaben in der Produktion von Faserverbundbauteilen1001
6.3.2Einteilung der Qualitäts­sicherungsmaßnahmen1002
6.3.3QS-Maßnahmen bei zulassungspflichtigen Bauteilen im Bauwesen1005
6.3.3.1Einteilung1005
6.3.3.2Eigenüberwachung1005
6.3.3.3Fremdüberwachung1006
6.4Prüfverfahren an faser­verstärkten Kunststoffen1006
6.4.1Werkstoffprüfung1006
6.4.1.1Übersicht der Verfahren1006
6.4.1.2Zerstörungsfreie Prüfverfahren1007
6.4.1.3Rheologische Prüfverfahren1008
6.4.1.4Physikalische Prüfverfahren1009
6.4.1.5Prüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften1010
6.4.1.6Prüfverfahren zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften1018
6.4.1.7Bewertung auf Eignung für die werks­eigene Produktionskontrolle1019
6.4.1.8Übersicht über weitere Prüfnormen1020
6.4.2Bauteilprüfung1021
6.5Zusammenfassung1021
6.6Weiterführende Informationen1022
Teil V – Bewertung von Bauteilen und Leichtbaustrukturen1024
1.1Beschreibung von Plastizitätsmodellen1032
1.1.1Überblick1032
1.1.2von Mises-Modell1033
1.1.3Chaboche-Modell1033
1.1.4Anwendung des Chaboche-Modells auf die Rückfederung1034
1.1.5Phänomenologische Modelle für Anisotropie1035
1.1.6Texturmodelle1036
1.1.7Anwendung von Texturmodellen auf Leichtbauwerkstoffe1038
1.2Beschreibung von Schädigungs- und Versagensmodellen1041
1.2.1Bruchmechanismen1041
1.2.2Bruchkriterien für duktilen Bruch1042
1.2.3Schädigungsmechanik für duktilen Bruch1043
1.2.4Anwendung des Gologanu-Modells auf die Kantenrissbildung beim Walzen1044
1.2.5Anwendung des Gologanu-Modells auf das Grenzformänderungsschaubild1046
1.2.6Faserverstärkte Kunststoffe1047
1.2.7Bruchmechanik1050
1.2.8Weiterführende Informationen zu 1.1 und 1.21051
2.1Einleitung1078
2.2Betriebsfestigkeit als Basis für die Bauteilauslegung1082
2.2.1Inhalt des Lastenheftes1084
2.2.2Formen des Versagens1086
2.2.2.1Strukturdynamische Stabilität1086
2.2.2.2Stabilität gegen Knicken und Beulen1087
2.2.2.3Festigkeitsversagen1087
2.2.3Auswahl des Materials1088
2.2.4Beispiel 1: Betriebsfeste Auslegung einer hochbelasteten Kunststoffkomponente im Motorraum1089
2.2.4.1Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Proben1091
2.2.4.2Übertragung der Ergebnisse auf ein Bauteil1094
2.2.4.3Bewertung mehrachsiger Beanspruchungszustände1095
2.3Numerische und experimentelle Betriebs­lastensimulation1098
2.3.1Materialeigenschaften1099
2.3.2Mehrachsigkeit1099
2.3.3Festigkeit von Proben und Bauteilen im Vergleich1101
2.3.4Schadensakkumulation1101
2.4Möglichkeiten der Betriebsfestigkeit im Entwicklungsprozess1104
2.4.1Beispiel 2: Entwicklung eines innovativen Hochleistungsradsatzes – Besonderheiten bei der Auslegung und Bewertung von Bauteilen aus Metall1104
2.4.1.1Umlaufbiegeversuche unter variablen Amplituden an skalierten Proben zur Reibkorrosion zwischen Aluminium-scheibe und Stahlachse1105
2.4.1.2Experimentelle Betriebslastensimulation am Aluminium./Stahl-Hybridradsatz1108
2.4.2Beispiel 3: Einsatz faser­verstärkter Kunststoffe in Primär- und Sekundärkomponenten – Entwicklung von Kunststoffrädern1111
2.4.2.1Fahrzeugräder aus faserverstärkten Kunststoffen1113
2.4.2.2Anforderungen an Kraftfahrzeugräder aus Sicht der Betriebsfestigkeit1113
2.4.2.3Mechanisches und physikalisches Verhalten von faserverstärkten Kunststoffen1117
2.4.2.4Numerische Betriebsfestigkeits­simulation an Kunststoffrädern1118
2.4.2.5Entwicklung einer ersten Bemessungsphilosophie für Kunststoffräder1119
2.4.2.6Betriebsfestigkeitsversuche an Kunststoffrädern1120
2.5Zusammenfassung1122
2.6Weiterführende Informationen1122
3.1Standardisierte ZFP für den Leichtbau1130
3.2ZFP-Entwicklungen für die Prüfung von Ausgangs­werkstoffen1132
3.2.1Fertigungsprüfung von Fein­blechen – prozessintegrierte mikromagnetische Charakterisierung von Werkstoffkenngrößen1132
3.2.1.1Das Multiparameter-Konzept 3MA1135
3.2.1.2Mikromagnetische Online-Bestimmung von Streckgrenze und Zugfestigkeit1137
3.2.2ZFP begleitend zur Werkstoff­entwicklung hochfester Karosseriestähle – mikromagnetische Charakterisierung von plastischem Verformungsverhalten1140
3.2.2.1ZFP-Verfahren zum Online-Monitoring der plastischen Verformung an Dualphasen-Stahl1141
3.2.2.2Monitoring von Laststeigerungs­versuchen1141
3.2.3ZFP von Faserverbundwerkstoffen1145
3.2.3.1ZFP von Faserverbundmaterial mit Ultraschall1145
3.2.3.2Thermographie von Faserverbund­werkstoffen1146
3.2.3.3Wirbelstromprüfung von CFK1150
3.3ZFP-Entwicklungen für die Prüfung von Halbzeugen und Werkstoffverbunden1150
3.3.1Fertigungsintegrierte Prüfung von Tailored Blanks1150
3.3.2Fertigungsprüfung von Laserschweißungen1155
3.3.3Fertigungsprüfung mechanischer Fügungen1156
3.3.4Prozessintegrierte Qualitätsüberwachung und -optimierung beim Rührreibschweißen1157
3.3.4.1Unregelmäßigkeiten beim FSW1158
3.3.4.2Zerstörungsfreie Prozessüberwachung beim Rührreibschweißen1159
3.3.4.3Zerstörungsfreier Nachweis von Schlauchporen1163
3.3.4.4Oxideinschlüsse1166
3.3.4.5Mit Leistungsultraschall unterstütztes FSW1168
3.4Zusammenfassung1170
3.5Weiterführende Informationen1172
4.1Einleitung1178
4.2SHM-Methoden1179
4.3Erfassung von Betriebs­lasten durch SHM1181
4.3.1Systeme zur Erfassung der Betriebslasten1181
4.3.2Identifizierung von extremen Landelasten (hard landing detection)1182
4.3.3Anpassung der Inspektionsforderungen1182
4.3.4Sicherheitsfaktoren1183
4.4Strukturoptimierung durch SHM1184
4.4.1Grundlagen für die SHM-Anwendung am Druckrumpf1186
4.4.2Beispiele zur Gewichtsreduzierung für typische Rumpfschalen1187
4.4.3Alternative Stringer-Überwachung1190
4.4.4Schlussfolgerungen1190
4.5Inspektion von Leichtbaustrukturen1190
4.5.1Reduzierung oder Ersatz von konventionellen Inspektionen1191
4.5.2Reduzierung oder Ersatz von Modifikationen1192
4.5.3Lebensdauerverlängerung1192
4.5.4Zustandsabhängige Wartung1193
4.5.4.1 Erfassung von Betriebslasten1193
4.5.4.2Kontinuierliche Überwachung1193
4.6Ausblick1194
4.7Weiterführende Informationen1194
5.1Einleitung1198
5.2Schäden und Reparaturen an FVK-Strukturen1198
5.2.1Schadensursachen1199
5.2.2Schadensformen1199
5.2.3Schadensbereiche1199
5.2.4Reparaturkategorien1200
5.3Reparaturverfahren monolithischer Verbundwerkstoffe1200
5.3.1Provisorischer Oberflächenschutz mit Reparaturklebebändern1201
5.3.2Schleifen1201
5.3.3Reparatur von Delaminationen mit injizierenden Verfahren1201
5.3.4Reparatur von Delaminationen durch Einsetzen von Nieten1202
5.3.5Reparatur von Schäden durch zusätzliche Lagen1202
5.3.5.1Reparatur durch Auflaminieren1202
5.3.5.2Quick Repair Methode von Boeing1203
5.3.6Schäften als Reparaturverfahren1204
5.3.6.1Allgemeines und Empfehlungen von Airbus1204
5.3.6.2Empfehlungen von Boeing1206
5.3.6.3Empfehlung von EADS1207
5.3.7Verfahren mit Aufdopplung1211
5.4Reparatur von Sandwichstrukturen1215
5.4.1Anbindungsfehler zwischen Wabe und Decklaminat1215
5.4.2Oberflächenversiegelung bei zulässigen Schadensgrößen1215
5.4.3Beschädigung von Decklaminat und Kernstruktur1216
5.4.4Reparatur bei einem durchgehenden Schaden1221
5.5Fazit1222
5.6Weiterführende Informationen1222
6.1Ressourceneffizienz als Leitbild1228
6.2End-of-Life-Konzept1229
6.3Beispiele für das Recycling von Leichtbauwerkstoffen1230
6.3.1Materialidentifikation als Schlüsselprozess: Metalle in Luftfahrtanwendungen1232
6.3.2Mechanische Aufbereitung als Schlüsselprozess: Werkstoffliche Kreislaufführung von GFK1233
6.3.2.1Ausgangsmaterialien1234
6.3.2.2Aufbereitungstechnik1234
6.3.2.3Produkte1234
6.3.3Thermische Behandlung als Schlüsselprozess: Pyrolyse­prozesse zur Rückgewinnung von Kohlenstofffasern1235
6.3.4Kombination mit der Rohstoff­erzeugung als Schlüsselprozess: GFK-Verwertung im Zementwerk1237
6.4Schlussfolgerungen1237
6.5Weiterführende Informationen1238
Teil VI – Ganzheitliche Bilanzierung1240
1.1Bedeutung von Nachhaltigkeit und Lebenszyklusanalyse1246
1.2Entwicklung und Stand der Technik1248
1.2.1Entwicklung der Ökobilanz nach ISO1248
1.2.2Attributional und Consequential LCA1250
1.3Problematik der Verein­fachung komplexer Zusammenhänge1252
1.3.1Ökonomisch basierte Input-Output-Ökobilanz-Ansätze1253
1.3.2Bewertung der Ressourcen1253
1.3.3Ansätze mit „Footprinting“1254
1.4Populäre Fehleinschätzungen von Werkstoffen und Materialien1255
1.4.1Polymere und Erdöl-Ressourcen1255
1.4.2Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen1257
1.4.3Bioabbaubare Produkte1257
1.4.4Recycling1258
1.4.5Leichtbau1259
1.5Einflüsse von Leichtbau-Aspekten auf die technisch-ökologischen Eigenschaften von Produkten und Systemen1261
1.5.1Material und Rohstoffbereit­stellung in der Vorkette1263
1.5.2Vom Material zum System1265
1.5.3Systemverhalten in der Nutzung1267
1.5.4Nachnutzungsoptionen1268
1.6Folgerungen und Empfehlungen1268
1.7Weiterführende Informationen1270
Sachregister1274

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