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Die Abteilung Hybride Werkstoffe und Leichtbau

Leiter der Abteilung: Prof. (apl.) Dr.-Ing. Kay Weidenmann

Hier finden Sie eine kompakte Zusammenfassung unserer Aktivitäten.

Wissenschaftliche Mitarbeiter

M.Sc. Henrik Werner
M.Sc. Jonas Hüther
Dipl.-Ing. Christoph Lohr
M.Sc. Pascal Pinter
M.Sc. Florentin Pottmeyer
M.Sc. Peter Rupp
M.Sc. Matthias Stoll
M.Sc. Anna Trauth
M.Sc. Vincent Sessner
M.Sc. Michael Seitz
M.Sc. Markus Muth

Kernkompetenz

Gemeinsam sind wir stark ...

Hybride Werkstoffe, d.h. Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde, die aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt oder gefügt werden, spielen in der industriellen Anwendung eine immer wichtigere Rolle. Ziel des hybriden Leichtbau ist dabei in der Regel die Reduktion der Masse von Tragwerkstrukturen oder Bauteilen bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauteilleistungsfähigkeit, die sich beispielsweise in einer höheren Steifigkeit, einer höheren Festigkeit, einer erhöhten Zähigkeit oder einer verbesserten Schwingfestigkeit äußert. Neben Stählen mit einer vergleichsweise hohen Steifigkeit und Dichte besitzen primär die Leichtmetalle Aluminium und Magnesium sowie Polymere auf Grund ihrer geringen Dichte ein hohes Leichtbaupotenzial. Ein Vorteil der letztgenannten Werkstoffgruppe ist darüber hinaus die gute Verarbeitbarkeit. Nachteilig bei allen Leichtmetallen und Polymeren ist die geringe Steifigkeit, die bei eingeschränktem Bauraum nur durch den Einsatz von Verstärkungselementen erhöht werden kann. Zum Einsatz kommen hier vor allem keramische oder metallische Partikel oder Fasern, wodurch die absolute und zum Teil auch die spezifische Steifigkeit erhöht wird. Die Kombination artverschiedener Werkstoffe in einem Verbundwerkstoff oder einem durch eine konventionelle Fügetechnologie generierten Werkstoffverbund resultiert dabei stets in der Entstehung einer Grenzfläche. Diese ist für die Leistungsfähigkeit des Verbundes mit entscheidend, da sie die Lastübertragung zwischen den Verbundpartnern gewährleistet.

Werkstoffe von morgen

Die Relevanz hybrider Werkstoffe und Leichtbaustrukturen in der industriellen Fertigung hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Ein Beispiel ist der für die 5er-Serie von BMW entwickelte Hybridrahmen mit einem leichten Aluminiumvorderwagen, der an eine Stahlrahmenstruktur gefügt wurde. Der verbreitete Einsatz von Verbundwerkstoffen zeigt sich auch im Flugzeugbau am Beispiel des A380: Neben der Werkstoffverbundvariante „Glare“ bei der Aluminiumbleche und Glasfasermatten verklebt werden, werden hier im Bereich des Leitwerks faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Das hohe Entwicklungspotenzial lässt sich gerade in der Luftfahrt am besten darstellen: Waren bei der Boeing 777 noch knapp 10 % der Gesamtmasse Verbundwerkstoffe, sind es beim A380 bereits 20 %. Bei der geplanten Boeing 7E7 soll der Anteil auf 50 % steigen, wobei erstmals komplette Rumpfsektionen aus Verbundwerkstoffen eingesetzt werden sollen

Mehr als die Summe ihrer Teile

Für die Entwicklung moderner, „maßgeschneiderter“ Verbundwerkstoffe sind grundlegende Kenntnisse über Zusammensetzung, Struktur, Synthese sowie über Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien notwendige Voraussetzung – jeweils für alle Verbundpartner. Diese „Vorgeschichte“ eines Werkstoffes beeinflusst stark das Gefüge, die Grenzflächenentwicklung und mögliche Gefügefehler. Dazu gehören zum Beispiel Form und Größe der Körner und bei Verbundwerkstoffen außerdem die Art der Verbundpartner, ihr Volumenanteil, ihre räumliche Anordnung und ihre metallurgische Affinität. Aus der Kenntnis dieser Merkmale auf die physikalischen Eigenschaften eines Verbundwerkstoffes zu schließen – und umgekehrt bestimmte, gewünschte Eigenschaften durch gezieltes Verbundwerkstoffdesign einzustellen, ist eine Hauptaufgabe der Abteilung „Hybride Werkstoffe und Leichtbaustrukturen.

Eine Kernkompetenz ist dabei die Ableitung von Prozess-Gefüge-Eigenschafts- Korrelationen für Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Dazu wird deren Mikrostruktur mit Hilfe metallographischer und mikroskopischer Verfahren charakterisiert. Die Gefügeparameter werden mit mechanischen Eigenschaften korreliert, die mit Hilfe verschiedener Prüfverfahren ermittelt werden. Aus diesen Kenntnissen lassen sich Theorien zur Gefüge-Eigenschafts-Korrelation ableiten, die eine Werkstoffoptimierung sowie im Idealfall die Vorhersage der Bauteileigenschaften erlauben.

Handbuch Leichtbau im Hanser-Verlag erschienen

handbuch_leichtbauSeit September 2011 ist das Handbuch Leichtbau (Hanser Verlag) erhältlich. Dr.-Ing. Kay Weidenmann, Leiter der Abteilung „Hybride Werkstoffe und Leichtbaustrukturen“ am IAM-WK des KIT, hat sich als Koordinator des mehrere hundert Seiten umfassenden Abschnittes „Werkstoffleichtbau“ und als (Mit-)Autor an mehreren Kapiteln wie z.B. „Werkstoffauswahl" oder „Hybride Werkstoffe" bei der Erstellung des Handbuches, das insgesamt ca. 1000 Seiten umfasst, beteiligt. Das Handbuch Leichtbau beschreibt die vielfältigen Zusammenhänge zwischen Methoden, Werkstoffen und Fertigung. Dabei werden dem Leser unterschiedliche Leichtbau-Kompetenzen z.B. aus den Bereichen der Konzeption, Design, FE-Analyse, Erprobung, Bewertung, Produktion oder Qualitätssicherung vermittelt. Der Abschnitt „Werkstoffleichtbau“ umfasst die Vorstellung unterschiedlicher Werkstoffe, wie z.B. hochfeste Stähle, Leichtmetalle (Al, Mg, Ti), faserverstärkte Kunststoffe und hybride Strukturen und stellt damit die Grundlagen dieser wesentlichen Leichtbaustrategie dar. Umfang und Breite der Themenauswahl machen das Handbuch Leichtbau zu einem der ersten deutschsprachigen Bücher, das sich vollumfänglich mit den verschiedenen Aspekten des Leichtbaus beschäftigt. Durch die Vermittlung der systemübergreifenden Leichtbau-Kompetenz gelangt der Anwender zu eigenen erfolgreichen Gesamtlösungen. Die Herausgeber des Handbuchs sind Prof. Dr.-Ing. Frank Henning, Lehrstuhlinhaber Leichtbautechnologie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), und Dipl.-Chem. Elvira Moeller, die seit mehr als 30 Jahren Herausgeberin und Autorin von Büchern und anderen Beiträgen ist. Darüber hinaus waren zahlreiche weitere Wissenschaftler des KIT als Koordinatoren und Autoren an der Erstellung des Buches beteiligt. Das Handbuch Leichtbau ist zum Preis von € 229,-- im Buchhandel erhältlich.

Forschungsvorhaben der Abteilung