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Leichtbau#

Leichtkonstruktionen und Leichtmaterialien erlangen aufgrund der zunehmenden technischen Möglichkeiten immer größere Wichtigkeit in verschiedenen Bereichen wie Architektur, Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt. Vorteile hierfür sind Materialersparnis, sparsamer Einsatz von Rohstoffen aber auch Energieersparnis im Antrieb von beweglichen Konstruktionen, Einsparung von Betriebskosten und Erhöhung der Nutzlast. Das Prinzip im Leichtbau ist, mit möglichst wenig Material maximale Stabilität zu schaffen.

Das Vorbild im Leichtbau ist die Natur. Erkenntnisse über biologische Strukturen und über allgemeine Gestaltungsgesetze der Natur machen es möglich, technische Bauteile zu entwerfen und zu optimieren. Die häufigste Methode ist der Einsatz von Hohlräumen. Man unterscheidet hierbei:

  • Zellulare Materialien: Vorbilder sind z. B. Holz, Kork und Knochen
  • Sandwich- und Röhren-Strukturen: diesen Aufbau findet man beispielsweise in Pflanzenblättern oder in der Schädeldecke
  • Organische Fasern und Faserverbunde: z. B. Haut, Haare oder Pflanzenzellwände
  • Hierarchischer Aufbau: Dabei wird eine hohe Anzahl an Hierarchieebenen aufgebaut, die die Materialeffizienz wesentlich erhöhen kann, Beispiele sind Holz, Knochen oder Sehnen.
  • Ein besonders interessantes Gebäude ist das Bejing Aquatic Center dessen Wände eigentlich nur aus Luftblasen umgeben von dünnen Plastikschichten bestehen!

Leichtbau in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt#

Leichtbau stellt eine der größten Herausforderungen für die Automobilindustrie dar. Dabei geht es im Wesentlichen um die Gewichtsreduktion bei Fahrzeugen und ihre Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch, die CO2-Emissionen und die Herstellungskosten. Im heutigen Karosseriebau werden hauptsächlich Aluminium, hochfeste und ultrahochfeste Stähle verwendet. Es gibt allerdings zahlreiche neue, stärkere und leistungsfähigere Materialien. Dennoch können Stahlteile nicht einfach durch leichtere Materialien ersetzt werden, denn jedes einzelne Bauteil muss spezifische Anforderungen erfüllen. Diesbezüglich werden viele Materialien erforscht oder stehen in der Entwicklung, die in Zukunft eventuell im Leichtbau Anwendung finden können.

Paradebeispiele des Leichtbaus finden sich in der modernen Luft- und Raumfahrt. Denn geringes Gewicht resultiert in maximierten Flugeigenschaften. Die hohen Anforderungen an Stabilität, Gewicht, Betriebstemperatur, Brandhemmung und Festigkeit lassen wenig Spielraum bei der Auswahl geeigneter Materialien. Deshalb ist auch in diesen Branchen die Materialwissenschaft gefragt, da laufend nach Innovationen gesucht wird.

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