Voroptimierte Konstruktionselemente
Es werden auch diejenigen unserer Entwicklungspartner von den Ergebnissen des BIOCAST®-Forschungsprojektes profitieren, die nicht unbedingt den exakt passenden Maßanzug für ihr Produkt benötigen, sondern hochwertige Konfektionsware wünschen. Hier werden wir zukünftig für wiederkehrende Konstruktionselemente vorgefertigte, robuste Lösungen einsetzen.
Dazu haben wir gemeinsam mit Partnern von der TU Harburg übliche Rippenstrukturen katalogisiert und diese für typische Lastfälle eingehender betrachtet. Für Kombinationen aus Rippenübergang und Lastfall mit ausgeprägter Kerbwirkung wurden Formoptimierungen durchgeführt. Die so gefundenen Konturen wurden schließlich noch hinsichtlich der Herstellbarkeit optimiert, wobei großer Wert auf Robustheit (gegenüber Fertigungsimperfektionen) gelegt wurde. Bauteile, die mit diesen modifizierten Konstruktionselementen versehen sind, werden von Haus aus größere Festigkeit bzw. Steifigkeit mit sich bringen.
Eines dieser vorgefertigten Konstruktionselemente ist das unten dargestellte T-Profil, das Bestandteil fast jedes Gussteils ist, beispielsweise als Übergang zwischen einer Rippe und einer Wand. Bei Belastung dieses Profils mit einer Querkraft stellt der üblicherweise eingesetzte Innenradius von 10mm eine Kerbe dar. Im Verlauf der Oberflächenspannung tritt im Kehlbereich eine deutliche Spannungsüberhöhung auf. Solche Spannungsspitzen sind in hochbelasteten Konstruktionen immer der Ausgangspunkt für Rissausbreitungen.
Mit dem optimierten und hinsichtlich Robustheit verbesserten Rippenübergang lassen sich die Spannungsspitzen an der Bauteiloberfläche vermeiden. Mit nur knapp 7% Materialmehraufwand steigt die Belastbarkeit dieser Rippenverbindung um mehr als 100 % !
Noch erheblich größer ist der Vorteil gegenüber dem konkurrierenden Fertigungsverfahren Schweißen. Häufig wird die Entscheidung für das Fertigungsverfahren allein auf Basis der Zugfestigkeit oder des E-Moduls getroffen. Wer jedoch die Kerbwirkung und die Freiheit bei der Formgebung gegossener Konstruktionen außer Acht lässt, läuft Gefahr, die funktionalen Anforderungen an das Bauteil nicht optimal zu erfüllen.
Fakt ist, dass Schweißnahtübergänge erhebliche Kerbwirkungen verursachen und daher bei der Festigkeitsberechnung mit 1mm-Radien zu modellieren sind. Dieses führt zu schädlichen Spannungsspitzen, die auch tatsächlich im Bauteil vorhanden sind. Nicht umsonst werden beispielsweise immer mehr Maschinenträger in Windkraftanlagen von Schweiß- auf Gusskonstruktionen umgestellt.
Fazit: Auch wenn das Gießen ein uraltes Fertigungsverfahren darstellt, es ist in Kombination mit modernsten Berechnungsmethoden auch das Fertigungsverfahren der Zukunft, denn nur mit ihm lassen sich hoch belastbare Leichtbaukonstruktionen wirtschaftlich herstellen.