Fragenkatalog Flashcards
Nennen und begründen Sie die Ziele im Leichtbau.
Gewichtsreduzierung: Betriebskosten, Energie, Ressourcen reduzieren
Gewichtsoptimierung: Erhöhen der Nutzlast
Mehrwerte erzielen durch Funktionsintegration (z.B. Tank in Flugzeugtragfläche)
Nennen Sie Leichtbauansätze.
Gesamtprodukt optimieren
Systematische Betrachtungsweise (Eigenschaften + Gewicht)
Hybridisierung der Konstruktion (z.B. Stoffwechsel, neue Funktionen)
Effizienz des Gesamtsystems (Kosten-/Nutzen, Produktlebenszyklus)
Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Systemzuverlässigkeit über Produktlebensdauer (Herstellungs- und Betriebskosten beachten)
Erklären Sie die möglichen Auswirkungen vom Leichtbau in einem selbstgewählten Beispiel.
Höherfester Stahl -> leichtere Karosserie -> kleinerer Motor -> kleinere Bremsanlage + kleinerer Tank
Welche Fachdisziplinen stehen beim Leichtbau im Vordergrund bzw. finden Anwendung?
Werkstoffkunde
Konstruktion (Festigkeitslehre),
Fertigungstechnik,
Simulation (Topologieoptimierung)
Welche Leichtbaustrategien kennen Sie?
Konzeptleichtbau (Funktionsintegration)
Bedingungsleichtbau(Anpassung über Lasten)
Fertigungsleichtbau (Optimierung der Fertigung z.B. kleben statt schweißen)
Formleichtbau (Bauteilform)
Stoffleichtbau (Werkstoffwechsel)
Erklären Sie den Zusammenhang zwischen den Leichtbaustrategien und Auslegungsgrenzwerten.
WS bis zu seinen Grenzen ausnutzen
Alle Bereiche gleichmäßig ausnutzen
Auslastungsgrenzen exakt kennen
Was bedeutet Strukturoptimierung/Topologieoptimierung?
Exakte Lasten und optimierte Sicherheitsbeiwerte, homogene Lastverteilung
Erklären Sie den Unterscheid zwischen den Verbundwerkstoffen Teilchen-, Faserverbund- und Schichtwerkstoffen. Benennen und skizzieren Sie jeweils ein Beispiel.
Schicht-Verbund: Verstärkungs- oder Funktionsphase als Deckschicht oder abwechselnd
Faser-Verbund:
Dünne Fasern gerichtet oder regellos
Teilchen-Verbund:
Feinste, gleichmäßig verteilte Kristalle in der Matrix
Was bedeutet Bionik im Zusammenhang mit Leichtbau, nennen Sie Beispiele
Konstruktionsprinzipien aus der Natur, zB. Wabenstruktur, Sandwichbau, Halme, Gras, Bambus
Mechanische Eigenschaften: Vergleichen Sie qualitativ das Versagensverhalten im Spannungs-Dehnungsdiagramm von spröden und duktilen Werkstoffen und leiten Sie hieraus die Gebrauchseigenschaften bei Belastung ab.
Spröde: spontanes Versagen, keine Dehnung (Keramik)
Duktil: Dehung (Versagen kündigt sich an, lässt sich dadurch besser einsetzen), Verhalten bei versch. Temperaturen (Stahl)
Welche Brucharten kennen Sie?
Statischer Bruch z.B. Verformungsbruch
Dynamischer Bruch z.B. Schwingungsbruch; erkennt man nicht von außen
Was bedeutet Kerben und Kraftumlenkung für die dyn. Belastung?
Mehrachsiger Spannungszustand,
Bauteil kann schon bei niedrigeren Spannungen versagen
Kräfte nicht umlenken (3-achsiger Spannungszustand)
(Verringerung der Lebensdauer des Bauteils)
Beschreiben Sie anhand eines Werkstoffes das temperaturabhängige Werkstoffverhalten.
Verringerung der Festigkeit (warm), Sprödbruch (kalt)
sie Graphen
Nennen Sie Kriterien zur Werkstoffauswahl.
Beanspruchungsgrad, Bauteilversagensverhalten, Sicherheitsvorgaben (-kennzahlen), Anforderungsgebiet, Einsatzgebiet, Kundenvorgaben, Kosten Gewicht Festigkeit Umgebung Verfügbarkeit Branche
Beschreiben Sie den systematischen Prozess der Werkstoffauswahl.
Phase 1: Klärung der Aufgabenstellung (Produktanforderungen definieren Materialanforderungen)
Phase 2: Systematische Auswahl ( Funktionen eines Produktes)
Phase 3: Entwurfsphase ( Überprüfung vom möglichen detaillierten Materiallösungen, Konkretisierung der Auswahl)
Phase 4: Ausarbeitung der Werkstoffauswahl (Dokumentation, Nachweise vom Werkstoffverhalten)
Beschreiben Sie die Werchselwirkungen bei der Materialauswahl in Bezug auf Konstruktion, Werkstoff und Fertigung.
Werkstoff (z.B. Lasten halten)
Fertigung (Fertigungsfähigkeit)
Konstruktion
Alle stehen miteinander in einem Dreieck in Wechselwirkungen
!!! Ordnen Sie den Materialanforderungen eine Eigenschaftsgröße zu. !!!
Zugfestigkeit - Rm Elastizität - E spezf. Wärmeausdehnung Verschleißfestigkeit Dehnbarkeit Bruchdehnung
Vergleichen Sie in der Tendenz verschiedene Profile zur Belastungsanforderung.
Eigenschaften von Profilen
- Geschlossene Profile / Vollmaterial besser bei Torsion
- Rohr oder I-Träger besser bei Biegung, statt Vollmaterial
Vergleichen Sie die Werkstoffgruppen Metalle, Polymere, Keramik, Verbundwerkstoffe durch spezifische Vor- und Nachteile
Metalle: Hochfest, höhere Temperaturen, contra: korrosionsanfällig
Polymere: Leicht, chemisch stabil, contra: mechanische Eigenschaften
Keramik: Hohe Festigkeiten, contra: sehr spröde
Verbundwerkstoff: hohe Festigkeiten, hohe Steifigkeiten, contra: anisotropische
Eigenschaften (Manchmal auch vorteil)
Welche Leichtbauwerkstoffe (Werkstoffgruppen) kennen Sie?
Nicht-Eisenmetalle (Kunstoffe, Polymere, Verbundwerkstoffe, Faserverstärkte Kunststoffe, Keramiken)
Metalle (Höher feste Stähle, Aluminium, Magnesium, Titan)
Vergleichen Sie das Verformungsverhalten von Thermoplasten und Duroplasten in Abhängigkeit von der Temperatur.
siehe Verhaltensdiagramm
Wodurch zeichnen sich faserverstärkte Kunstoffe als Verbundwerkstoffe aus. Beschreiben Sie die Eigenschaften.
Anisotropes Verhalten
Matrix hält Faser in Position und schützt vor Umwelteinflüssen
Faser (sorgt für hohe Festigkeit)
Lastangepasste Faserrichtung
Verbund besser als Werkstoff allein
Gestaltungsprinzipien im Leichtbau?
leicht, stabil, wirtschaftlich, geringes Gewicht, geringe Kosten, funktionsintegration
Konstruktive Prinzipien für den Leichtbau.
Gitter-/Wabenstruktur
Direkte Krafteinleitung
Große Flächen- und Widerstandsmomente
Natürliche Stützfunktion durch Krümmung
Völlige Ausschöpfung der Konstruktion
Integratives Prinzip
Ausnutzung des Materials
Nutzungs– und Belastungsdauer muss gewährleistet sein
Welche Fertigungsverfahren würden Sie im Leichtbau bevorzugt anwenden? Begründen Sie ein ausgewähltes Verfahren anhand eines eigenen Beispiels.
Urformen (Spritzen, Gießen)
Umformen (Tiefziehen)
Fügen
Additive Fertigung / Generative Fertigungsverfahren (Rapid Prototyping)
z.B. 3D Druck –> Hinterschnitte nur durch Urformen möglich
Was sind Tailored Blanks und Tubes? Wie werden sie hergestellt und wo angewendet?
Tailored Blanks (Der Belastung angepasste Bleche; durch Walzen angepasste mechan. Eigenschaften: unterschiedliche Bleche zusammenschweißen und danach gewalzt)
Tailored Tubes (Der Belastung angepasste Rohre - versch. Wandstärken, hydroforming)
Erklären Sie die wirkenden Kräfte in der Klebeschicht.
Adhäsion (Kraft zwischen Kleber und Werkstoff)
Kohäsion (Kraft innerhalb des Klebers)
Unter welchen Kriterien würden Sie den 3D-Druck in der Serie einsetzen?
Nicht-Fertigbarkeit mit anderen Verfahren
Prototypen/Kleinstserien
Systemdenken/besser Wirtschaftlichkeit (Verfahrensschritte einsparen - statt 10 Teilen 4 Teile)
Mitunter bei besserer wirtschaftlichen Herstellung des Gesamtsystems (Montage)
Welche Voraussetzungen müssen für ein Simulationsverfahren zur Werkstoffnutzung gegeben sein?
Exakte Belastungsannahmen,
Exakte Materialeigenschaften,
technische Umsetzbarkeit
Nennen Sie Bauweisen des Leichtbaus
Vollwandschalensysteme
Differential-bauweise
Integral-bauweise
Integrierende Bauweise
Hybrid-bauweise
Modul-bauweise
Verbund-bauweise
Durch welche äußeren Faktoren wird der Sprödbruch begünstigt
Mehrachsiger Spannungszustand
Schlagartige Belastung
Tiefe Temperaturen
Nennen Sie Gründe für einen Werkstoffwechsel?
Technische Verbesserung (Höherer Gebrauchswert + Reduzierung Produktkosten)
Marktanpassung (Kundenwünsche)
Qualitätsverbesserung
Wirtschaftliche Gesichtspunkte
Ästhetische Anforderungen
Steigende Rohstoffpreise
Risiken und Aufwand der systematischen Materialsuche
Höhere Arbeitsbelastung,
erhöhte Komplexität des Gesamtprozesses,
erhöhter Konstruktionsaufwand,
Dokumentationsaufwand
Welche Werkstoffe können eingesetzt werden in Hinblick auf Gewichtsoptimierung?
Metallische Werkstoffe (Alu, Titan, Magnesium)
Nicht-metallische Werkstoffe (Kunstoffe, technische Keramiken)
Verbundwerkstoffe (keramische oder metallische Verbundwerkstoffe)
Faserverstärkte Kunststoffe (GFK+CFK)
Gefahr bei Klebestellen?
Wie gut haftet der Kleber an der Wand?
Welche Last kann der Kleber übertragen?
Nicht zerstörungsfrei nachweisbar
Nennen Sie verschiedene Fügetechniken
Kleben (Kunststoffe, Verbundwerkstoffe)
Schweißtechnik insbesondere Laserschweißen (Metalle, Thermoplaste)
Clinchen bzw. Druckfügen
Vorteile des Hydromechanischen Tiefziehen?
Hohe Ziehverhältnisse im Erstzug
Gleichmäßige Blechdickenverläufe
Hohe Form + Maßgenauigkeit
Hohe Oberflächengüte
Günstige Einspannungszustände (einzelne Umform Stufen)
Nennen Sie Voraussetzungen für die Ausschöpfung einer Konstruktion
Lasten eindeutig bestimmen
Einsatz hochwertiger Werkstoffe
Verwendung genauer Berechnungsmethoden
Gezielte Versuche
Realistische Annahmen für Sicherheitsbeiwerte
Vermeidung von Spannungskonzentrationen (dyn. Beanspruchung)
Hohe Vorgabe für die Lebensdauer
Strukturmerkmale - Grundprinzip? Ergebnis (Bsp.)? Auslegung?
Grundprinzip: Massen werden an Stellen größter Belastung konzipiert; an Stellen geringer Belastung reduziert
Ergebnis: Dünnwandige, profilierte Stabprofile; geschlossene Rohre; gefächerte, verippte Flächentragwerke
Auslegung: Zugbeanspruchungen sind günstiger als Druckbeanspruchungen; Fachwerke erhöhen Gesamtgewicht; Segmentierung zur Belastungsanpassung; Symmetrische Bauweise
Was sind Faserverstärkte Stoffe?
Verbund- oder Kompositwerkstoff (Werkstoff aus mind. 2 verbundenen Materialien)
Besondere Eigenschaften der Einzelkomponenten kombinieren
Matrix bestimmt wesentliche Eigenschaften
Technische Eigenschaften von Keramiken?
Geringe Dichte
Hohe Steifigkeiten + E-Modul
Hohe Härte
Geringe thermische Wärmeausdehnung
Werkstoffgruppen im Leichtbau?
Metalle (Stähle, Alu, Magnesium, Titan); nicht Metalle (Kunstoffe, Faserverstärkte Kunstoffe, Keramik)
Parameter von faserverstärkten Kunstoffen?
Art + Länge
Mech. Eigenschaften der Fasern
Art + Ausgangskomponente der Matrix
Anteil + Ausrichtung
Oberflächenbehandlung
Zusatzstoffe der Matrix
Verarbeitungsverfahren
Eigenschaften von Glas-, Kohle-, Aramidfasern?
Glasfasern (geringe Dichte, Kriechneigung, Feuchtigkeitsaufnahme; Hohes E-Modul + Festigkeit)
Kohlefasern (sehr fest + steif, leicht, elektr. leiftfähig, vielfältig verarbeitbar)
Aramidfasern (Hohe Festigkeit, Geringe Dichte, Temeperaturbeständig, niedrige elektr. Leitfähigkeit)
Struktureigenschaften der Kunstoffgruppen?
Thermoplaste (eher spröde, Einsatzbereich unterhalb d. Glastemperatur, unter Wärmezufuhr plastisch verformbar)
Elastomere (schwach/weitmaschig vernetzt, sehr felxibel, große reversible Verformung möglich)
Duroplaste (starkvernetzt, hohe mech. Belastbarkeit u. chemische Beständigkeit, Verstufung der Polymere durch 3D-Vernetzung, nur mechanisch bearbeitbar)
Werkstoffentscheidung (Betrachtungen u. mögliche Kriterien für nicht Einführung)
Objektive Bewertung als Grundlage syst. Methoden
Subjektive Einschätzung aus unterschiedlicher Sicht:
Investitionskosten
Anwendungsrisiko bei unbekannten Werkstoffen
Markteinführung
Kundenakzeptanz
Gestaltungsreglen bei versch. Belastungsarten
Druck: Symetr., dünnwandiger, hohler Querschnitt (optimal dünnwandiges Rohr)
Biegung: Randfaser versteifen (optimal: I-Profil)
Schub: Mitte versteifen (optimal: Kreisprofil)
Torsion: Wie Druck
Grundregeln der Konstruktion?
Mechanische Beanspruchung sicherstellen
Kerbfreie Bauteilgestaltung
Korrosionsschutzgerechte Asuführung
Symmetrie ausnutzen
Thermische Ausdehnung und temperaturabhängige Eigenschaften beachten
Kriterien zur Auswahlbewertung?
Wirschaftl. Aspekte (Material-, Herstellungskoten, Standardisierung)
Techn. Aspekte (geringes Gewicht + Volumen, Leichtbau)
Immaterielle Aspekte (Imagewechsel)
Methoden zum Auswahlprozess?
Top-Down-Methode (Einschränkung der Auswahl der Lösungsvarianten)
Branchen- und Werkzeug bezogene Standards (insb. bei Produktionsvarianten)
Arbeits- und Leitblätter (ähnlich wie Konstruktionskatalog)
Belastungsarten? + Beispiele
Belastungsart: statisch, dynamisch
Verformungsverhalten: elastisch, plastisch
Versagens-/Bruchverhalten: duktil, spröde, Schwingsbruch
Verhalten bei Bauteilversagen: verfestigend, gummielastisch
Zug, Druck, Biegung, Scherung, Torsion
4-Arten von Verbundwerkstoffe im Leichtbau?
Teilchenverbundwerkstoffe
Faserverbundwerkstoffe
Durchdringungsverbundwerkstoffe
Schichtverbundwerkstoffe
Ansätze für den Nachweis von Leichtbaustrukturen?
Steifigkeitsnachweis
Tragfähigkeitsnachweis
Restfestigkeitsnach.
Nutzungsdauernach.
Rissfortschrittsverhalten
Strukturzuverlässigkeit
Merkmale von Formleichtbau
Eindeutige Kraftleitungspfade
Einsatz von Profilgeometrien
Lösungsstrategien von Leichtbau in 3 Phasen?
Entwurfsphase: Kosten bestimmen, Einsatz von CAD
Konstruktionsphase: Werkstoffauswahl, Strukturauswahl, Fertigungstehnik, Funktionsinterpretation
Fertigungsphase: Toleranzen festlegen
Wann wird Leichtbau eingesetzt?
Gewichtsoptimierung (Energie, Ressourcen, ökolog. Aspekte)
Erhöhung der Nutzlast (Logistik z.B. Flugzeugbau, Raumfahrt)
Mehrwert steigern (Interpret. von weiteren Funktionen)
Kosten-Nutzenanalyse (Automotive (Werkstoffeinsatz))
Nennen Sie Anforderungsprofile im Leichtbau.
Biologisches Anforderungsprofil:
Massearm, langlebig, Herstellung mit geringem Energieaufwand
Technisches Anforderungsprofil:
Leicht, Funktionsintegration, Stabil, Wirtschaftlich
