Leichtbau – ein Umdenken am Beispiel des modernen Schiffbaus.

 

Die Errichtung des Eiffelturms machte Stahl endgültig zur Nummer 1 der Konstruktionsmaterialien. Das Zeitalter des ältesten Baumaterials Holz war abgelöst. Bauwerke, Maschinen und Schiffe wurden nun fast ausschließlich aus Stahl gefertigt. Fast 100 Jahre dauerte es, bis mit der Industrialisierung von Kunststoffen der Einsatz von faserverstärkten Materialien aufkam.[1][2]

Der Grund hierfür sind die speziellen Eigenschaften dieser Materialien. Sie werden aus sogenannten Verstärkungsfasern und einer Matrix hergestellt, die die Fasern umgibt.

Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes [2]

 

Die vier Paradoxa der Werkstoffe:

Faserverbundwerkstoffe können je nach Aufbau bestimmte Eigenschaften annehmen. Warum das so ist, zeigen die vier Paradoxa der Werkstoffe.

1. Paradoxon des festen Werkstoffes
Die wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedriger als die theoretisch berechnete (F. Zwicky).

2. Paradoxon der Faserform
Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als das gleiche Material in anderer Form, und je dünner die Faser, umso größer ist die Festigkeit (A. A. Griffith).

3. Paradoxon der Einspannlänge
Je kleiner die Einspannlänge, umso größer ist die gemessene Festigkeit einer Probe/Faser.

4. Paradoxon der Verbundwerkstoffe
Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würden, während von der stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann, als wenn sie alleine belastet würde (G. Slayter).

ZIEL IST ES, VERSCHIEDENARTIGE MATERIALIEN ZU EINEM WERKSTOFFVERBUND ZU KOMBINIEREN, UM VERBESSERTE EIGENSCHAFTEN ZU ERZIELEN.

 

Ziel ist es, verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen.

Ein Hauptvorteil ist die Gewichts­reduktion.

Eines der maßgeblichen Vorteile, die dadurch erreicht werden, ist das geringere Gewicht bei z. B. gleicher Festigkeit oder Steifigkeit [2]. Dass Gewichtsreduktion heute wichtiger ist denn je, zeigt der Blick auf unsere Umwelt und auf Energieressourcen. Nicht erst seit der Veröffentlichung des Berichtes des Club of Rome „Die Grenzen des Wachstums“ (1972) ist klar, dass sich am Energieverbrauch der Bevölkerung etwas ändern muss [3].

Die Umweltziele der Europäischen Union sehen eine 80%ige Reduzierung von Treibhausgasen und anderen Emissionen bis 2050 vor (im Vergleich zu 1990) [4]. Dabei wächst einer der größten Emittenten dieser Gase jedes Jahr deutlich an: der Transportbereich. Menschen wie Güter werden heute über weitere Strecken bewegt als je zuvor. Dafür wird in Europa rund ein Drittel der Gesamtenergie aufgewendet [5].

Weniger Gewicht bedeutet weniger Emissionen.

Newtons Gleichung [6] „Kraft = Masse x Beschleunigung“ macht deutlich: Reduzieren wir die Masse bei gleicher Beschleunigung, benötigen wir weniger Kraft. Oder anders gesprochen: Reduzieren wir bei einem Auto das Gewicht bei gleicher Geschwindigkeit, benötigt es weniger Treibstoff.

Autos, LKWs, Busse und Schiffe stehen auf dem Prüfstand, nicht erst seit Abgasskandal und Elektromobilität. Vergleicht man einmal, wie viel Gewicht zusätzlich zu den Passagieren im Durchschnitt bewegt werden muss, wird sichtbar, wo das Potenzial liegt. Jedes Kilogramm an Gewicht sorgt für mehr Verbrauch an Kraftstoff bei Verbrennungsmotoren.

WIR BEWEGEN ZUSÄTZLICH ETWA DAS 10-FACHE UNSERES EIGENEN GEWICHTS, WENN WIR MIT DEM AUTO FAHREN. GEHEN WIR AUF KREUZFAHRT MIT DER QUEEN MARY 2, IST ES DAS 350-FACHE!

Wir bewegen zusätzlich etwa das 10-Fache unseres eigenen Gewichts, wenn wir mit dem Auto fahren. Gehen wir auf Kreuzfahrt mit der Queen Mary 2, ist es das 350-Fache!

Die Renaissance der Faserverbund­werkstoffe.

Unsere heutigen Transportsysteme sind heute schon Leichtgewichte im Vergleich zu ihren älteren Varianten. Doch eines haben sie immer noch gemeinsam: Stahl und andere Metalle sind die Hauptkonstruktionswerkstoffe. Die Möglichkeiten, das Gewicht weiter zu reduzieren, durch raffinierte Konstruktionen oder speziellen Stahl, sind fast erschöpft.

Hier beginnt die Renaissance der Faserverbundwerkstoffe. Glasfaser- und kohlefaserverstärkte Polymere oder andere Verbundstoffe können enorm vielfältig sein. Das gilt auch für ihre Eigenschaften. Im Gegensatz zu den normierten metallischen Werkstoffen wie Stahl.

„Leicht bei hoher Festigkeit“ oder „belastungsgerechte Konstruktionsmöglichkeit“ sind sicherlich Stichworte, die das Potenzial im Vergleich zum Stahl zeigen. Die Liste der positiven Eigenschaften ist lang und notwendig:

– weniger Gewicht bei gleichen Anforderungen
– hohes Designpotenzial durch Freiformflächen
– keine Korrosion
– Dämpfung
– integrierte Funktionalität [2]

Allerdings werden die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe an vielen Stellen noch gar nicht genutzt. Das Beispiel Schiffbau zeigt, wo eines der größten Probleme liegt.

DIE VORTEILE DER FASERVERBUNDWERKSTOFFE WERDEN AN VIELEN STELLEN NOCH GAR NICHT GENUTZT.

Die Vorteile der Faserverbund­werkstoffe werden an vielen Stellen noch gar nicht genutzt.

Warum werden Faserverbund­werkstoffe im Schiffbau noch nicht großflächig eingesetzt?

Jeder Ingenieur im Schiffbau kennt sie, die „neuen“ Materialien und ihre herausragenden Eigenschaften: Faserverbundwerkstoffe. Aber auch die Herausforderungen, die damit einhergehen. Besonders im Schiffbau sind diese nicht zu unterschätzen. Großprojekte mit überlappender Konstruktions- und Bauzeit, strikten Regeln einer UN-Institution und nicht zuletzt der Kunde, der ein ausgefeiltes und einsatzbereites Schiff am Tag der Ablieferung erwartet [7][8].

Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist in vielen Bereichen bereits etabliert. Das Material und die Prozesse selbst zu entwickeln ist gar nicht mehr notwendig. Es geht vielmehr um einen Transfer und die Adaption [10].

Das häufigste Argument gegen Faserverbundwerkstoffe sind die höheren Kosten gegenüber Stahl. Aber ist das wirklich der Fall? Dagegen stehen die Vorteile der Leichtbauweise und der geringere Wartungsaufwand im Betrieb. Das wird noch durch die zunehmenden Anforderungen an die Effizienz und Umweltbilanz gestärkt. Auch die Möglichkeiten sind enorm. Die aktuell gebauten Schiffe aus Deutschland und Europa zeigen, dass die Kunden zunehmend auf Individualität und Design setzen.

Natürlich sind Faserverbundwerkstoffe nicht das ultimative Material für jede Herausforderung, jedes Bauteil oder gar Schiff. Aber dort, wo sie Vorteile bieten, sollten sie auch angewendet werden, um insgesamt ein überzeugendes Produkt für den Kunden zu liefern.

BETRACHTEN WIR DIE HEUTIGEN SCHIFFE, DIE IN DEUTSCHLAND UND EUROPA GEBAUT WERDEN, SEHEN WIR, DASS DER ANSPRUCH DER KUNDEN AN INDIVIDUALITÄT UND DESIGN ZUNIMMT.

 

Betrachten wir die heutigen Schiffe, die in Deutschland und Europa gebaut werden, sehen wir, dass der Anspruch der Kunden an Individualität und Design zunimmt.

Die Anwendung verursacht die größte Zurückhaltung.

Beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen müssen viele Entscheidungen getroffen werden: Wie bringe ich die Lasten ein, wie ist der Aufbau, welche Fasern verwende ich? Aber so komplex, wie es scheint, muss es nicht sein.

Auch im Bereich Stahl gibt es eine große Auswahl an möglichen Stahlsorten für die Konstruktion. Die Industrie hat sich auf wenige Sorten beschränkt. Ähnlich verhält es sich auch mit den Faserverbundwerkstoffen. Eine Optimierung bis zur letzten Lage ist oft weder notwendig noch sinnvoll. Viel wichtiger ist es, die Vorteile zu kennen. Dafür gibt es mittlerweile viele Unternehmen, die sich auf die Konstruktion und den Bau von Faserverbundprodukten spezialisiert haben. Sie unterstützen die Ingenieure dabei, die beste Lösung zu finden.

Unser Beitrag.

HYCONNECT unterstützt aktiv das Aufzeigen von Möglichkeiten und die Entwicklung von Lösungen im Einsatz von Faserverbundwerkstoffen.

Unsere Teammitglieder sind Teil von Leichtbaunetzwerken [11], unterstützen die Arbeitsgruppe zur Neugestaltung von Konstruktionsregeln im Schiffbau [12] und beraten Werften beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen.

NUR DURCH DEN SPRUNG IN EIN NEUES TECHNOLOGIE- UND WERKSTOFFZEITALTER KÖNNEN UNSERE TRANSPORTSYSTEME DEN GEWACHSENEN ANSPRÜCHEN GERECHT WERDEN.

 

Nur durch den Sprung in ein neues Technologie- und Werkstoffzeitalter können unsere Transportsysteme den gewachsenen Ansprüchen gerecht werden.

Zusammen­gefasst.

Der zunehmende Anspruch der Kunden und die Ziele moderner Umweltpolitik erfordern ein Umdenken. Leichtbaumaterialien wie Faserverbundwerkstoffe rücken zunehmend in den Fokus. Es gibt überall Bestrebungen, Faserverbundwerkstoffe vermehrt einzusetzen – selbst in konservativen Branchen wie dem Schiffbau. Spezialisierte Unternehmen bieten Lösungen für die genannten Herausforderungen an.
Nur durch den Sprung in ein neues Technologie- und Werkstoffzeitalter können unsere Transportsysteme den gewachsenen Ansprüchen gerecht werden. Auch damit die Hersteller sich weiter am Markt behaupten können, gilt es, nachhaltiger zu denken. Vom PKW über das Schiff bis zum Flugzeug gehört Leichtbau zu den Schlüsselfaktoren.

Literatur- und Quellenverzeichnis

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Stahl
[2] Faserverbundwerkstoffe Einführung – Suter-Kunststoffe AG
[3] https://www.nachhaltigkeit.info/artikel/entstehung_des_berichtes_541.htm
[4] https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2050_de
[5] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Consumption_of_energy/de
[6] Principia Mathematica – Sir Isaac Newton – https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze
[7] https://ec.europa.eu/growth/sectors/maritime/shipbuilding_en and https://www.maritime-executive.com/article/europes-shipbuilding-industry-under-threat#gs.saIwjAU
[8] https://www.wd-deo.gc.ca/eng/13785.asp and http://www.imo.org/en/About/conventions/listofconventions/pages/international-convention-for-the-safety-of-life-at-sea-(solas),-1974.aspx
[9] Aluminium im Schiffbau – Aluminium Zentrale Düsseldorf
[10] https://www.plastverarbeiter.de/71620/noch-viel-ungenutzes-potenzial-bei-faserverbundwerkstoffen/
[11] Maritimes Leichtbaunetzwerk E-Lass – www.e-lass.eu
[12] http://www.imo.org/fr/MediaCentre/MeetingSummaries/SDC/Pages/SDC-2.aspx

2018-11-07T14:10:21+00:00

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