Leichtbauwerkstoffe auf Basis von Kunststoffen

Ingenieurwissenschaften und Informatik

Version 7.0 vom 14.12.2022

11M0569

Lightweight Construction Materials based on Polymers

• Angewandte Werkstoffwissenschaften (M.Sc.)
• Fahrzeugtechnik (Master) (M.Sc.)
• Entwicklung und Produktion (M.Sc.)
• Informatik - Verteilte und Mobile Anwendungen (M.Sc.)

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Das Thema Leichtbau spielt insbesondere bei der Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Fahrzeugtechnik und Mobilität sowie in den Bereichen Sport und Freizeit eine entscheidende Rolle. Dabei besteht das Ziel darin, durch eine geeignete Kombination von Leichtbau-Strategien, Leichtbau-Bauweisen und Leichtbau-Werkstoffen möglichst hohe gewichtsspezifische Bauteileigenschaften zu erreichen. Eine Schlüsselqualifikation der Ingenieure besteht in diesem Zusammenhang auch darin, sowohl die isotropen als auch insbesondere die anisotropen Werkstoffe rechnerisch zu betrachten.

In diesem Modul wird daher zunächst ein Überblick zum Thema Leichtbau gegeben. Dazu werden die Bereiche Leichtbaustrategien, Leichtbauweisen und Leichtbauwerkstoffe genauer betrachtet. Im Bereich der Materialien werden dann die Leichtbauwerkstoffe auf Basis von Kunststoffen vertieft. Der Fokus wird hier auf den endlosfaserverstärkten Kunststoffen liegen. Dazu werden sowohl die Faser- und Matrixmaterialien als auch die zugehörigen Fertigungsverfahren näher beleuchtet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt dann in der Auslegung und Dimensionierung endlosfaserverstärkten Kunststoffe.

Im Rahmen des begleitenden Praktikums werden die Studierenden angeleitet, mittels der Finite Elemente Methode (FEM) und unter Anwendung der klassischen Laminattheorie Bauteile aus Faserverbundkunststoffen zu berechnen.

Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls besitzen die Studierenden einen fundierten Überblick über den Bereich Leichtbau. Dabei vertiefen sie den Bereich der endlosfaserverstärkten Kunststoffe hinsichtlich Materialien, Fertigungsverfahren und Berechnung. Insbesondere sind sie in der Lage, in diesem Bereich eine gezielte Auswahl hinsichtlich Materialkombination und Fertigungsverfahren zu treffen. Außerdem können sie den Lagenaufbau für endlosfaserverstärkte Kunststoff-Bauteile definieren und rechnerunterstützt eine Steifigkeits- sowie Festigkeitsanalyse durchführen.

- LeichtbaustrategienStoffleichtbau, Formleichtbau, Bedingungsleichtbau, Konzeptleichtbau, Fertigungsleichtbau- LeichtbauweisenModulbauweise, Verbundbauweise, Vollwandschalensysteme, Differentialbauweise, Integralbauweise, integrierende Bauweise, Hybridbauweise- Gestaltungsprinzipien- LeichtbauwerkstoffeStahl, Aluminium, Titan, Magnesium, faserverstärkte Werkstoffe (Metalle, Kunststoffe)- Faser- und Matrixmaterialien endlosfaserverstärkter Kunststoffe- Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkter Kunststoffe- Berechnung endlosfaserverstärkter KunststoffeMischungsregeln, klassische Laminattheorie, Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse

Wissensverbreiterung
Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage,
- das Thema Leichtbau im Überblick darzustellen.
- die verschiedenen Leichtbau-Strategien zu nennen und zu erläutern.
- die verschiedenen Leichtbau-Bauweisen zu nennen und zu erläutern.
- die verschiedenen Leichtbau-Werkstoffe zu nennen und zu erläutern.
- Materialkombinationen und Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffe zu beschreiben.
- die Mischungsregeln, die klassische Laminattheorie, Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse für endlosfaserverstärkte Kunststoffe zu beschreiben.
Wissensvertiefung
Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage,
- im Bereich der endlosfaserverstärkten Kunststoffe eine gezielte Auswahl hinsichtlich Materialkombination und Fertigungsverfahren zu treffen.
- den Lagenaufbau für endlosfaserverstärkte Kunststoff-Bauteile zu definieren.
- rechnerunterstützt eine Steifigkeits- sowie Festigkeitsanalyse für endlosfaserverstärkte Kunststoff-Bauteile durchzuführen.
Können - instrumentale Kompetenz
Die Studierenden sind in der Lage Leichtbauwerkstoffe sachgerecht auszuwählen und einzusetzen.
Sie sind in der Lage, insbesondere endlosfaserverstärkte Kunststoff-Bauteile auszulegen und zu dimensionieren sowie das Potenzial und die Grenzen der Leichtbau-Werkstoffe allgemein zu beurteilen.

Können - kommunikative Kompetenz
Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, sich mit Fachleuten aus den Bereichen Leichtbau sowie Faserverbundkunststoffe auszutauschen und entsprechende Projekte durchzuführen.
Können - systemische Kompetenz
Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, Leichtbau-Strategien für die Auslegung und Dimensionierung von Bauteilen für Leichtbauanwendungen praktisch einzusetzen. Insbesondere im Bereich der endlosfaserverstärkten Kunststoffe können sie eine Material- und Fertigungsauswahl treffen und solche Bauteile berechnen.

Vorlesung, Literaturstudium

Grundlagen der Werkstoffkunde mit dem Schwerpunkt Kunststoffe, Grundlagen der Mechanik (Statik und Festigkeitslehre), Grundlagen der Fertigungstechnik

Krumpholz, Thorsten

Krumpholz, Thorsten

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Wiedemann, J.: Leichtbau – Elemente und Konstruktion, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2007

Siebenpfeiffer, W.: Leichtbau-Technologien im Automobilbau, Springer Vieweg Verlag, Berlin, 2013

Klein, B.: Leichtbau-Konstruktion, Springer Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2009

Neitzel, M.; Mitschang, P.: Handbuch Verbundwerkstoffe, Carl Hanser Verlag, München, 2014

Ehrenstein, G.: Faserverbund-Kunststoffe, Carl Hanser Verlag, München, 2006

Schürmann, H.: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer Verlag, Berlin, 2007

Klausur 2-stündig

In der Klausur wird das erworbene Wissen zum Thema Leichtbau allgemein und endlosfaserverstärkte Kunststoffe im Spezifischen abgefragt. Zusätzlich werden einfache Berechnungs- und Interpretationsaufgaben zur Auslegung und Dimensionierung endlosfaserverstärkter Kunststoffe gestellt.

In der Klausur wird das erworbene Wissen zum Thema Leichtbau allgemein und endlosfaserverstärkte Kunststoffe im Spezifischen abgefragt. Zusätzlich werden einfache Berechnungs- und Interpretationsaufgaben zur Auslegung und Dimensionierung endlosfaserverstärkter Kunststoffe gestellt.

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