Leistungsfähige Werkstoffe sind für den Fortschritt im Leichtbau unerlässlich. In der Werkstoffkunde gibt eine ganze Reihe von Materialien, die Leichtbau-Konstruktionen ermöglichen: Bauteile mit deutlich reduziertem Gewicht herzustellen, ohne dabei an Festigkeit, Zuverlässigkeit oder Lebensdauer einzubüßen. Welche Werkstoffe eignen sich für den Leichtbau? Welche Vor- und Nachteile haben sie? Wir geben hier eine grobe Übersicht über die verschiedenen Leichtbauwerkstoffe, ihre Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten und die möglichen Verarbeitungsprozesse.

Was zeichnet Leichtbauwerkstoffe aus?

Gibt es spezielle Leichtbauwerkstoffe? Was muss ein Material auszeichnen, das sich für den Leichtbau eignet? Die einleuchtendste Antwort liegt auf der Hand: ein geringes Gewicht! Natürlich gibt es Werkstoffe, deren geringe Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit sie als Werkstoffe für den Leichtbau empfehlen. Dazu gehören beispielsweise die Faserverbundkunststoffe – besser bekannt als CFK („Carbon“) oder GFK (Glasfaserkunststoffe) oder auch die metallischen Werkstoffe Aluminium und Magnesium oder hochfester Stahl.

Prinzipiell lässt sich jedoch mit jedem Werkstoff leicht bauen, designen, entwickeln – entscheidend sind neben den Materialeigenschaften auch die Verarbeitbarkeit, die Verfügbarkeit und die Kosten für den Werkstoff.

Exkurs: Bedeutung des Leichtbaus für die Industrie

Leichtbau gilt als einer der wichtigsten Bausteine für die Transformation der Industrie hin zu Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit. Wasserstoff als Energieträger benötigt den Leichtbau ebenso wie die Windenergie. Ein ressourcenschonendes Bauwesen ist ohne Leichtbau nicht denkbar. Emissionsneutrales Fliegen, überhaupt Mobilität mit Nachhaltigkeitsanspruch – ohne Leichtbau nicht denkbar.

Die wirtschaftliche Bedeutung des Leichtbau wird derzeit für verschiedene Länder in einer Studie nach der Methodik eines Satellitenkontos erfasst – und hat in Deutschland in etwas dasselbe wirtschaftliche Gewicht wie der Maschinenbau, eine der wichtigsten Branchen hierzulande.

Warum hat Leichtbau eine so unerwartet hohe wirtschaftliche Relevanz? Weil er eine Antwort ist, auf die aktuellen Herausforderungen bedingt durch den Klimawandel und die allgemeine politisch unsichere Lage. Der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in verschiedenen Branchen hat nicht primär das Ziel, Gewicht einzusparen. Übergeordnete Anforderungen sind die Schonung der Ressourcen und das Einsparen von Energie. Deshalb ist das Denken in Leichtbau in vielen Branchen unumgänglich geworden.

Das Verarbeiten und das Herstellen der Leichtbauwerkstoffe erfordert ein spezialisiertes Know-how und moderne Fertigungstechnologien. Die Vorteile in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Leistungsfähigkeit und Kosten rechtfertigen diese Investitionen oftmals schon kurzfristig. Deshalb wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von Leichtbauwerkstoffen und deren Verarbeitungsprozessen entscheidend für zukünftige Innovationen in der Industrie sein.

Welche Eigenschaften machen einen Werkstoff zum Leichtbauwerkstoff?

Generell sind es wie oben bereits erwähnt ein geringes Gewicht und hohe Festigkeitswerte, die einen Werkstoff für den Leichtbau prädestinieren. Dabei ist es immer der konkrete Anwendungsfall, der über den Werkstoff und seine Eignung entscheidet.

Das Einsparen von Bauteilgewicht spielt in der Produktentwicklung dabei häufig gar nicht die wichtigste Rolle, sondern vielmehr eine kosteneffiziente Herstellung, mechanische und chemische Eigenschaften wie Flammschutz oder die Fähigkeit zum Recycling. Ebenso wichtig sind Antworten auf die Fragen, ob sich der Werkstoff gut und kostengünstig verarbeiten lässt, wie sein Fügeverhalten ist und zu welchen Kosten er in den geforderten Mengen beschafft werden kann. Es gibt also je nach Einsatz und Branche viele Randbedingungen zu beachten, die unter anderem von den Stückzahlen, der Komplexität des Bauteils, den bisher verwendeten Werkstoffen, den Sicherheitserfordernissen und der zu erreichenden Lebensdauer sowie auch den wirtschaftlichen Bedingungen abhängig sind. Deshalb ist es notwendig, für jedes Projekt immer die gesamte Bandbreite an Werkstoffen in Betracht zu ziehen, um dann in einem Auswahlverfahren die richtigen Materialien für die Leichtbaulösung zu finden.

Diese Tabelle bietet eine Übersicht über wichtige Eigenschaften von Leichtbauwerkstoffen in Deutschland. Die Daten sind Näherungswerte und können je nach Jahr und Quelle variieren. (Quelle: Leichtbauwelt)

Welche Arten von Leichtbauwerkstoffen gibt es?

Grundsätzlich lassen sich auch die im Leichtbau verwendeten Werkstoffe gemäß der Werkstoffkunde in Metalle und Nichtmetalle einteilen. Eine weitere mögliche Unterscheidung ergibt sich für Nichtmetalle, die entweder aus fossilen Ausgangsstoffen oder aus nachwachsenden Biomaterialien hergestellt werden.

Metallische Werkstoffe: Aluminium, Magnesium und Stahl

Metallische Leichtbauwerkstoffe wie hochfester Stahl oder Aluminium und deren Legierungen sind aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit weit verbreitet. Magnesium ist ebenfalls ein herausragender Leichtbauwerkstoff, doch er ist in der Verarbeitung deutlich anspruchsvoller.

Aluminiumwerkstoffe werden aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen Festigkeit häufig im Leichtbau eingesetzt. Aluminium und seine Legierungen bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit und sind gut formbar.

Eines der Haupteinsatzgebiete ist die Automobilindustrie, wo Aluminium in Karosserieteilen, Motorblöcken, Rädern und anderen Komponenten verwendet wird, um das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und somit den Kraftstoffverbrauch zu senken. Im Flugzeugbau werden Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leichtigkeit ebenfalls weit verbreitet eingesetzt. Sie finden Verwendung in der Herstellung von Flugzeugrümpfen, Tragflächen, Fensterrahmen und anderen Bauteilen, um das Gewicht der Flugzeuge zu minimieren und gleichzeitig die strukturelle Integrität zu gewährleisten.Auch im Bauwesen werden Aluminium und seine Legierungen aufgrund ihrer Leichtigkeit und Witterungsbeständigkeit eingesetzt. Sie finden Verwendung in der Herstellung von Fassaden, Fensterrahmen, Türen und Dachverkleidungen, um die Belastung der Gebäudestruktur zu verringern und gleichzeitig energetische Effizienz zu gewährleisten.

Werkstoffe im Leichtbau: Aluminium

Magnesium und seine Legierungen zeichnen sich durch besonders geringes Gewicht aus. Magnesiumlegierungen mit hohem Festigkeitsniveau finden Verwendung in der Luftfahrt, im Automobilbau, aber auch für Werkzeuge und in der Sport- und Freizeitindustrie. Das Herstellen und Verarbeiten von Magnesium und seinen Legierungen erfordert besondere Kenntnisse und Fertigkeiten. Aber aufgrund der geringen Dichte und der damit verbundenen Gewichtsreduzierung ist das gezielte Verwenden von Magnesium-Werkstoffen durchaus attraktiv.

Hochfeste Stähle gehören ebenfalls zu den wichtigen Leichtbauwerkstoffen. Die hohen Festigkeitswerte werden durch spezielle Legierungen und Wärmebehandlungen erreicht bei vergleichsweise geringem Gewicht. Anwendungen für Bleche aus hochfestem Stahl finden sich beispielsweise in der Fahrzeugkonstruktion, um die passive Sicherheit zu erhöhen und das Gesamtgewicht zu reduzieren.

Hochfeste Stähle gehören ebenfalls zu den wichtigen Leichtbauwerkstoffen. Die hohen Festigkeitswerte werden durch spezielle Legierungen und Wärmebehandlungen erreicht – bei vergleichsweise geringem Gewicht. Anwendungen für solche Stahlbleche finden sich beispielsweise in der Fahrzeugkonstruktion, um bei geringem Gewicht die passive Sicherheit zu verbessern. Darüber hinaus werden hochfeste Stähle in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, insbesondere bei der Herstellung von Flugzeugstrukturen, um die strukturelle Integrität zu verbessern. Legierungsbestandteile, die in hochfesten Stählen häufig verwendet werden, sind beispielsweise Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän, die jeweils zur Verbesserung spezifischer Eigenschaften beitragen.

Nichtmetallische Werkstoffe für den Leichtbau

Zu den Nichtmetallen, die in der Konstruktion für Leichtbauteile eingesetzt werden, zählen faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die reinen Polymere (Duroplaste und Thermoplaste) sowie Holzwerkstoffe.

Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe

Kunststoffe, insbesondere Faserverbundwerkstoffe wie glas- oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (GFK/CFK), besitzen ein hohes Potenzial für zukünftige Entwicklungen im Leichtbau. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aus. Ihre Korrosionsbeständigkeit und guten Dämpfungseigenschaften erweitern zudem ihre Einsatzgebiete auf Bereiche, in denen hohe Steifigkeit und Zähigkeit gefordert sind.

Werkstoffe im Leichtbau: faserverstärkte Kunststoffe

Der Grundwerkstoff – die Matrix – ist ein Kunststoff. Als funktionalisierender – verstärkender – Bestandteil wird dann die namensgebende Faser in die Kunststoffmatrix eingebettet. Die Matrix umschließt dabei die Fasern, fixiert sie an der gewünschten Position (Stichwort Lastpfad) und schützt sie im Faserverbund so vor Umwelteinflüssen. Je länger diese Fasern sind, desto höher ist die Verstärkungswirkung und je kürzer die Fasern sind, desto leichter lassen sich faserverstärkte Kunststoffe verarbeiten. Faserverbundkunststoffe werden unter anderem im Fahrzeug- und Flugzeugbau, im Maschinenbau und in der Sportindustrie eingesetzt. Das ist beispielsweise bei Sportgeräten, Booten und speziellen Konstruktionen im Bauwesen der Fall. Aber auch für die Mobilität zu Lande, in der Luft und im Wasser spielen sie eine zunehmend wichtige Rolle, um das Gewicht für elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu senken und damit die Reichweite und Nutzlast zu erhöhen und gleichzeitig das hohe Batteriegewicht auszugleichen. Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen ist aufwendig, aber die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften rechtfertigen häufig die Kosten. Eine Herausforderung bleibt ihre Recyclingfähigkeit, die jedoch aktuell Gegenstand vielfältiger Forschung ist, welche bereits zu einigen Lösungen geführt hat.

Unverstärkte Hochleistungskunststoffe – Thermoplaste und Duroplate – werden im Leichtbau in der in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Automobilbau sowie in der Herstellung von Sportgeräten und technischen Komponenten eingesetzt. Diese Kunststoffe zeichnen sich je nach Variante und Additiven durch ihre thermische Stabilität, geringe Dichte, gute Isoliereigenschaften oder gute chemische Beständigkeit aus. Dadurch ermöglichen sie das Herstellen von Bauteilen, die hohen Temperaturen und aggressiven Umgebungsbedingungen standhalten können.

Zu ihren wichtigsten Merkmalen zählt ihre einfache Formbarkeit. Im Vergleich zu faserverstärkten Kunststoffen sind sie in der Regel kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten. Allerdings weisen sie auch eine geringere Festigkeit und Steifigkeit auf und eignen sich daher weniger für hochbelastete Strukturbauteile. Dennoch bieten sie aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Wärmebeständigkeit vielfältige Möglichkeiten für den Leichtbau in Branchen, in denen diese Eigenschaften entscheidend sind.

Werkstoffe im Leichtbau: naturfaserverstärkte Kunststoffe

Holzwerkstoffe im Leichtbau

Mit dem Hinweis auf die ökologischen Nachhaltigkeit werden Holzwerkstoffe zunehmend für die Konstruktion in der Baubranche eingesetzt, denn auch dieses Material besitzt mit der Kombination aus hoher Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht die Voraussetzungen für den Leichtbau. Holz bietet eine gute Steifigkeit und ist ein nachwachsender Rohstoff, der sich gut recyceln lässt. Für den Holzbau werden verschiedene Holzarten eingesetzt, darunter Balsaholz, Pappelholz, Fichtenholz und Paulowniaholz.

Balsaholz zeichnet sich durch seine geringe Dichte und hohe Festigkeit aus. Es ist allerdings aufgrund seiner Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastung nur bedingt einsetzbar. Pappelholz hingegen ist vergleichsweise stabil und leicht zu verarbeiten, jedoch nicht so fest wie Balsaholz. Fichtenholz ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und günstigen Preise beliebt, weist aber eine geringere Festigkeit auf. Paulowniaholz bietet eine gute Festigkeit bei sehr geringem Gewicht und ist zudem formstabil. Es lässt sich gut bearbeiten, ist jedoch in der Beschaffung aufwendiger und somit teurer.

Die Verarbeitungsmöglichkeiten dieser Hölzer reichen von der herkömmlichen Bearbeitung bis hin zur Nutzung moderner Fertigungstechniken wie dem Schichtholzverfahren.

Spezielle Leichtbau-Werkstoffe

Geschäumte Materialien für leichte Bauteile

Polyurethanschaum – er zählt zu den Kunststoffen – ist ein vielseitiger Leichtbauwerkstoff, der aufgrund seiner geringen Dichte und mechanischen Eigenschaften in verschiedenen Branchen weit verbreitet ist. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit, gute Schalldämmung und Wärmedämmung aus, was ihn attraktiv für den Leichtbau macht. Die Verarbeitung erfordert spezielle Maschinen und Anlagen, ist aber durchaus Stand der Technik und weit verbreitet. Der Schaumstoff wird dabei in die gewünschte Form gespritzt oder gegossen. Aufgrund seiner Leichtigkeit und der vergleichsweise einfachen Formgebung wird Polyurethanschaum hauptsächlich in der Automobilindustrie, im Bauwesen und in der Möbelherstellung als Leichtbauwerkstoff. Typischen automobile Bauteile aus Polyurethan sind Stoßfänger, Sitzen und Innenverkleidungen, während er im Bauwesen als Füll- und Dämmmaterial für Dächer, Wände und Böden dient.

Was kann Textilbeton im Bauwesen?

Textilbeton ist ein innovatives Baumaterial, das durch die Kombination von Textilien und Beton hohe Festigkeit und Flexibilität bietet. Im Leichtbau und im Bauwesen wird Textilbeton aufgrund seiner geringen Dicke und des leichten Gewichts geschätzt. Dadurch ermöglicht es eine ressourcenschonende Bauweise und eröffnet neue gestalterische Möglichkeiten. Zu den Vorteilen zählen auch die hohe Formbarkeit und gute Dämmfähigkeit. Allerdings ist Textilbeton noch vergleichsweise teuer in der Herstellung und erfordert spezielles Know-how bei der Verarbeitung. In Bezug auf die Rezyklierbarkeit besteht noch Forschungsbedarf, um effiziente Methoden zu entwickeln, die eine nachhaltige Wiederverwertung des Materials ermöglichen. Trotz dieser Herausforderungen birgt Textilbeton ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung im Bauwesen und eine nachhaltigere Gestaltung von Gebäuden.

Hybride Leichtbauwerkstoffe versus Monomaterialien?

Verbundwerkstoffe wie Textilbeton, aber auch Sandwichplatten, die beispielsweise aus Faserverbundkunststoffen und Aluminium- oder Magnesium-Legierungen bestehen können, bieten die Möglichkeit, unterschiedliche Werkstoffeigenschaften gezielt zu kombinieren. Generell ist die Kombination verschiedener Werkstoffe im Leichtbau in den letzten Jahren ein Trend geworden, da sich so die maximalen Potentiale aus den Materialien herausholen lassen und der Ressourcenverbrauch häufig minimiert werden kann. Dem entgegen steht allerdings häufig die Anforderung an eine gute Rezyklierbarkeit der Bauteile, da sich fest gefügte Werkstoffe nur aufwändig trennen lassen.

An Bedeutung gewinnen Sandwichplatten aus thermoplastischem Monomaterial mit einem wabenförmigen Sandwichkern zur Erhöhung der Stabilität. Die Wabensandwichbauweise ermöglicht eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit bei minimiertem Gewicht. Ebenso möglich sind Sandwich-Halbzeuge mit einem geschäumten Kern. Sandwiches mit Schaumkern können häufig ebenfalls als Monomaterial ausgeführt werden, da sich nicht nur Kunststoffe, sondern auch Holz und Metalle „schäumen“ lasssen.

Die Zukunft der Leichtbauwerkstoffe

In der Zukunft werden wir deutlich mehr Materialinnovationen benötigen, um die komplexen Herausforderungen zu bewältigen. In der heutigen Materialforschung spielen innovative Ansätze wie Quantencomputing eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Werkstoffe. Ein vielversprechendes Gebiet ist die Erforschung hochfester Magnesiumlegierungen, die in verschiedenen Industriezweigen Anwendung finden. Durch den Einsatz von Quantencomputing können komplexe Struktur- und Eigenschaftsberechnungen durchgeführt werden, die herkömmliche Rechenmethoden übersteigen. Dies ermöglicht es, Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften gezielt zu designen und dadurch deren Leistungsfähigkeit zu optimieren.

Diese Übersicht kann daher nur eine erste Näherung an die Vielfalt der im Leichtbau eingesetzten Materialien sein. Für Unternehmen bietet die Entwicklung neuer Werkstoffe und der passenden Verarbeitungsprozesse große Marktchancen, da weitere innovative Leichtbauwerkstoffe für die Zukunft benötigt werden.

Bild oben: Werkstoffe im Leichtbau – ohne Anspruch auf Vollständigkeit (Quelle: Leichtbauwelt)


Verwendete Quellen: Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie, European Aluminium, Wirtschaftsvereinigung Stahl, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Deutsche Säge- und Holzindustrie (DeSH), PlasticsEurope Deutschland e.V., Kunststoff Information (KI), International Magnesium Association, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V., Composites Germany, Nova-Institut GmbH, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) – Der Beitrag wurde außerdem unter Verwendung von Recherchen erstellt, die mit Hilfe von ChatGPT durchgeführt wurden.


Christine Koblmiller

Autor: Christine Koblmiller, Redakteurin, Gründerin, Fachjournalistin aus Leidenschaft und überzeugter Leichtbau-Fan.

Mit dem Metamagazin Leichtbauwelt.de habe ich 2018 ein neues Medienformat im B2B-Umfeld geschaffen. Leichtbauwelt ist Inspiration für Ihren Fortschritt und Wissen, wie’s leicht wird. Leichtbauwelt verlinkt, vernetzt und ordnet ein, verlagsunabhängig und transparent. Partei ergreife ich nur für den Leichtbau, von dessen Nutzen ich überzeugt bin.

Seit etwa 25 Jahren bin ich Redakteurin für technische B2B-Fachzeitschriften. Für verschiedene führende Fachmagazine habe ich als eBusiness-Projektmanager Industrie schon 2001 crossmediale Angebote eingeführt, denn die Digitalisierung aller Lebensbereiche hat Einfluss auf unser Informationsverhalten. Deshalb bin ich mir sicher, dass sich die Medienbranche wandeln muss. Mehr über mich finden Sie unter Conkomm, auf Xing oder LinkedIn.

„Leichtbau fasziniert und begeistert. Die Entwicklung von Leichtbauwelt über die letzten Jahre zeigt, dass der Markt unser Angebot braucht und gerne annimmt.“

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