Kristallstruktur als Leichtbauelement

Science - Aus Wissenschaft und Forschung

Große Steifigkeit mit minimalem Materialeinsatz war das Ziel – ausgehend von geometrischen Überlegungen sollte eine aus Dreiecken zusammengesetzte Raumgitterstruktur, vergleichbar einer Kristallstruktur, entwickelt werden.

03. Dezember 2009
Aus einfachen Grundelementen lassen sich komplexe, sehr leichte Strukturen herstellen – hier aus Aluminium, aber auch Stahl wäre verwendbar.
Bild 1: Kristallstruktur als Leichtbauelement (Aus einfachen Grundelementen lassen sich komplexe, sehr leichte Strukturen herstellen – hier aus Aluminium, aber auch Stahl wäre verwendbar.)

In einem solchen symmetrischen Gitter werden eingeleitete Kräfte in die angrenzenden Flächen und Kanten verteilt. Die hier vorgestellten Leichtbauelemente können in jeder Dimension, aus unterschiedlichen Materialien und in vielerlei Formen einfach hergestellt werden. Die Bänder des gewählten Materials werden schräg in einem Winkel von etwa 60° eingeschnitten und im rechten Winkel ineinandergesteckt.

Dieses Gitter besteht aus Pyramidenstümpfen, die von beiden Seiten des Gitters ineinandergreifen. Es wurden bisher Muster aus Aluminium, GFK, CFK, Pappe und Sperrholz hergestellt. Die Struktur kann aus annähernd allen Materialien (auch Stahl) in jeder Größe eingesetzt werden, wobei vor allem ab etwa 30 mm die Vorteile gegenüber anderen Systemen zum Tragen kommen. Auch gebogene und konvexe Teile werden nach diesem System gefertigt. Die maschinelle Fertigung kann kostengünstig ›endlos‹ mit geringem Aufwand erfolgen. Die einzelnen Elemente können ohne Festigkeitsverlust verbunden werden. Das Einbringen von zusätzlichem Isolierschaum ist problemlos möglich, und Leitungen können problemlos in den Platten verlegt werden. Zudem kann bei Bedarf das Volumen für Flüssigkeiten und Gase genutzt werden .

Eine Platte mit den Maßen 1.000 mm x 500 mm x 50 mm wurde eingehender untersucht. Der Biegeversuch ergab einen streng linearen Verlauf mit einer reversiblen Verformung von 2,89 mm bei einer Last von 750 kg. Ermutigt durch die Versuchsergebnisse wurde die FKA Aachen beauftragt, eine solche Platte zu simulieren. Von dort wurde festgestellt, dass bei einer Last von 10.000 kg eine bleibende Verformung von etwa 13 mm auftritt, was der Verformung einer Platte aus 27 mm starkem Vollmaterial entspricht.

Werden zwei Gitter aufeinander gesetzt, so entsteht eine aus Pyramiden- und Oktaederstümpfen zusammengesetzte Raumstruktur, wodurch die Effizienz des Leichtbauelements nochmals gesteigert werden kann. So können Bereiche eines Bauteiles, das besonders hohe Lasten aushalten soll, verstärkt werden. Zwar steigt dadurch der Fertigungsaufwand für das Leichtbauelement; dennoch sind viele Anwendungen denkbar, für die sonst teurere Materialien eingesetzt werden müssten. Auch in diesem Falle sind die Fertigungskosten für das Raumgitter im Vergleich zu anderen Konstruktionen gering.

Interessant erscheint auch die Möglichkeit, für große Strukturen die Einzelteile anzuliefern und das Leichtbauelement vor Ort zusammenzusetzen.

Erschienen in Ausgabe: 11-12/2009