Leichtbau (Fach) / Theorie (Lektion)

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• Was bedeutet ein hoher Profilformfaktor bei einer Konstruktion? Ein hoher Profilformfaktor bedeutet bei einer Konstruktion viel Material in möglichstgroßem Abstand zur Lastangriffsachse anzuordnen.
• Was bedeutet ein hoher Profilformfaktor bei einer Konstruktion? Aus welchem Grund sollte bei biege-, torsions- und knickgefährdeten Bauteilen ein hoher Profilformfaktor gewählt werden? Ein hoher Profilformfaktor bedeutet bei einer Konstruktion viel Material in möglichstgroßem Abstand zur Lastangriffsachse anzuordnen. Um ein möglichst hohes Widerstandsmoment gegen die Belastung zu entwickeln (bzw. möglichst steifes Bauteil).
• Aus welchem Grund sollte bei biege-, torsions- und knickgefährdeten Bauteilen ein hoher Profilformfaktor gewählt werden? Um ein möglichst hohes Widerstandsmoment gegen die Belastung zu entwickeln (bzw. möglichst steifes Bauteil).
• Nennen Sie vier weitere grundsätzliche Regeln zum leichtbaugerechten Konstruieren. 1. Möglichst direkte Krafteinleitung und Kraftausgleich2. Realisierung eines möglichst großen Flächenträgheits- bzw. Widerstandsmoments3. Feingliederung von Strukturen4. Nutzung der natürlichen Stützwirkung durch Krümmung5. Gezielte Versteifung von Konstruktionen in den Hauptbelastungsrichtungen6. Bevorzugen des integrativen Prinzips7. Absolute Ausschöpfung einer Konstruktion
• Nennen Sie zwei Arten von Konstruktionsprinzipien, die als Leichtbauweisen von der Natur abgeschaut wurden. - Stützkonstruktionen (Versteifungsprinzip Seerosenblatt)- Sandwichkonstruktionen (Sandwichwabenelement)- Faserverbundkonstruktionen (Bruchfläche Seeigelzahns)
• Skizzieren und erläutern Sie drei leichtbaugerechte Konstruktionsprinzipien. - Zusammenfassung von Einzelteilen zu einstückigen Bauteilen- Querschnitte mit großem Profilformfaktor- Traglasterhöhung durch vorgekrümmte Bauteile- Schließen von offenen Strukturen- Versteifung einer Platte durch Rippen oder Untergurte
• Was versteht man unter dem Integrativen Prinzip? Nennen Sie 2 Vorteile dieses Prinzips! - So wenig Einzelteile wie möglich verwendenVorteile: - kein zusätzlicher Verbindungsaufwand / Montageprobleme entfallen,- Gewichtsersparnis- Steifigkeitsgewinn
• Extremer Leichtbau kann nur realisiert werden, wenn überzogene Sicherheiten drastisch reduziert werden können. Welche vier Vorraussetzungen müssen dazu gegeben sein? - Genaue Kenntnis der Kräfte (Größe, Richtung)- Einsatz hochwertiger Werkstoffe mit garantierten Spezifikationen- Verwendung genauer Berechnungsmethoden- Optimierte Geometrie
• Welche Leichtbauprinzipien werden bei Wellblechdächern ausgenutzt und welche Vorteile bietet es gegenüber einem normalen Flachdach?? - Die natürliche Stützwirkung durch Krümmung wird ausgenutzt, wodurch dieKonstruktion besser gegen Durchbiegung und Durchschlagen stabilisiert wird und inHauptbelastungsrichtung gezielt versteift wird.
• Warum wird meist nur in Großserien mit Laser geschweißt? - hohe Anschaffungskosten hohe Anforderungen an die Nahtvorbereitung und Positionierung der Teile
• Nennen Sie drei im Leichtbau verwendete Schweißverfahren, die in der Vorlesung behandelt wurden. - Punktschweißen- Laserschweißen- Rührreibschweißen (Friction Stir Welding)
• Welche Vor- und Nachteile (je 2) zeigt das Laserstrahlschweißen gegenüber dem E-Hand-Schweißen? Vorteile:- hohe Schweißleistung bezogen auf die eingesetzte Energie- hohe Schweißgeschwindigkeit- geringe Wärmeeinbringung und dadurch ein geringer Verzug- Tiefschweißeffekt- kein Zusatzwerkstoff notwendigNachteile:- aufwendige Nahtvorbereitung- nicht überall einsetzbar wegen hohem Geräteaufwand- Festigkeit einer Niet- oder Schweißverbindung nicht erreichbar- Vielfach aufwändigere Oberflächenbehandlung der Klebstellen nötig- Belastete Klebverbindungen neigen zu kriechen, sind empfindlich gegenüber harten Stößen und Schlägen
• Nennen Sie drei unterschiedliche Nietformen - Halbhohlstanzniet, Blindniet, Vollniet,Rohrniet, Stanzniet, Halbrundnieten
• Nennen Sie zwei Vor- und zwei Nachteile des Nietens Vorteile:- Keine ungünstige Werkstoffbeeinflussung (Aber: evtl. Kaltverfestigung)- Ungleichartige Werkstoffkombinationen möglich- Bei Überlastung kein schlagartiges Versagen- Verbesserte Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Crashverhalten- Bessere RisstoleranzNachteile:- Bauteilschwächung => größere Querschnitte notwendig- Stumpfstöße nicht möglich- Bauteile müssen überlappen
• Vergleichen Sie Punktschweißen und Nieten. Nennen Sie jeweils vier Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Gemeinsamkeiten:- keine Gas- und flüssigkeitsdichten Verbindungen- Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden werden- verzugsarm- außer bei Blindnieten müssen Bauteile immer von beiden Seiten zugänglich sein- Stanzen und Punktschweißen verbessern Steifigkeit- bei Scherbeanspruchung am belastbarstenUnterschiede:- durch Nietlöcher wird der Grundwerkstoff im Gegensatz zum Punktschweißengeschwächt, dadurch größere Querschnitte notwendig- beim Nieten können ungleichartige Werkstoffe verbunden werden- beim Nieten keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen wie Aufhärtungen oder Gefügebeeinflussungen- Nieten besitzen eine geringere Festigkeit- Nietverbindungen sind durch das Eigengewicht der Nieten schwerer- bei Überlastung kein schlagartiges Versagen der Nietverbindung, da Deformationsarbeit durch „Setzen“ aufgenommen wird
• Durch welche beiden Kräfte wirkt eine Klebung? Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um eine qualitativ hochwertige Klebeverbindung herzustellen? - Adhäsion, Kohäsion- Kohäsion = Eigenfestigkeit des Klebers- Adhäsion = Bindekräfte zwischen Klebstoff und FügeteiloberflächeVoraussetzungen: (2 davon)- Oberfläche entfettet,- Oberflächen aktiviert,- exakt aufeinander passende Fügeteilgeometrie, etc.
• Nennen Sie je drei Vor- und Nachteile des Klebens. Vorteile:- geringe Temperaturen- keine Gefügeveränderung wie beim Schweißen- keine Kerbwirkung, wodurch günstiger Dimensioniert werden kann- nicht nur unterschiedliche Metalle, auch Metalle mit andersartigen WKdauerhaft verbindbar- Kleber verhindert Kontaktkorrosion, ist Isolier-/DämmstoffNachteile:- Schälfestigkeit sehr gering- Nur begrenzte Warmfestigkeit
• Nennen Sie außer dem Schweißen, Nieten und Kleben vier weitere angewandte Blech-Verbindungstechniken - Schrauben- Clinchen- Falzen (Bördeln)- Schnappverbindung- Verlappen- Durchsetzfügen- Rollen- Nietmutter- und –bolzen- Stanzmutter und -bolzen
• Nennen Sie drei Verfestigungsmechanismen für Stähle, die zur Festigkeits- steigerung, z.B. im Automobilbau, verwendet werden. Ordnen Sie IF(Interstitiell Free)-Stähle der richtigen Verfestigungsgruppe zu. - Kaltverfestigung- Mischkristallverfestigung: IF-Stähle- Ausscheidungsverfestigung
• Wie werden tiefstentkohlte höherfeste Stähle noch bezeichnet und auf welche Art und Weise wird die Festigkeit dieser Stähle erreicht? - IF (interstitiell free) Stahl - Festigkeit wird durch Mischkristallhärtung erreicht.
• Nennen Sie drei Mechanismen zur Festigkeitssteigerung von Stahl. - Ausscheidungshärtung- Mischkristallverfestigung- Kaltumformung- Kornfeinerung
• Welches Legierungselement ist fundamental für nichtrostende Stähle und wie viel Prozent müssen mindestens enthalten sein? - mindestens 12% Chrom
• In welche Werkstoffgruppen lassen sich nichtrostende Stähle einteilen? - ferritische nichtrostende Stähle- ferritisch-martensitische nichtrostende Stähle- martensitische nichtrostende Stähle- austenitische nichtrostende Stähle
• Nichtrostende Stähle werden in vielen Industrieanwendungen benötigt. Welches Legierungselement ist hierfür wesentlich? Nennen Sie zwei Legierungselemente, die bei nichtrostenden austenitischen Stählen den Austenit stabilisieren. - Fundamentalelement: Chrom- Weitere Elemente: Ni, Co, Mn, N, C (Zn, Cu)
• Was versteht man unter Tailored Blanks? - Laserstrahl- oder quetschnahtgeschweißte Bleche unterschiedlicher Dicke, Stahlsorteund/oder Beschichtung
• In welchem Verhältnis stehen die Größen E-Modul und Dichte von Aluminium und Stahl zueinander? - jeweils etwa 1/3
• Im Winter treten an den Radwellen zusätzlich zu den mechanischen Belastungen noch starke Korrosionsangriffe auf. Ist es sinnvoll einen austenitischen, rost- und säurebeständigen Stahl zu verwenden? Begründen Sie Ihre Antwort. Ein Rad aus austenitischem rost- und säurebeständigen Stahl ist zwar für die korrosivenAngriffe bestens geeignet, bietet jedoch keine Dauerfestigkeit wie ferritische Stähle, ist also für Radsatzwellen; die als sicherheitsrelevante Teiledauerfest ausgelegt werden müssen, völlig ungeeignet.
• Nennen Sie drei Gründe, weshalb in letzter Zeit wieder vermehrt Stahl für den Leichtbau eingesetzt wird? - Entwicklung neuer hochfester Stahlsorten, besonders der CP, MS und TRIP sowie dertiefstentkohlten Stähle- Entwicklung neuer Fertigungstechnologien wie die tailored Blanks und tailored Strips- Vergleich zwischen Kosten und Gewichtsoptimierung
• Wofür steht die Abkürzung „TRIP-Stahl“? Wie ist das Gefüge von TRIP- Stählen aufgebaut? - Transformation Induced Plasticity Stähle.- Gefüge: Ferrit + Bainit + Restaustenit
• Im Automobilbau kommen häufig Bake-Hardening Stähle zum Einsatz. Beschreiben Sie den verfahrenstechnischen Ablauf, der zu der Festigkeitssteigerung der Bake-Hardening Stähle führt. - Ablauf der Festigkeitssteigerung:Beim Bake-Hardening erfahren fertig umgeformte Bauteile durch die Wärmebeaufschlagung bei einer automobiltypischen Lackeinbrennbehandlung einen Streckgrenzenanstieg von mindestens 40 MPa
• Welche Werkstoffvorgänge, verursachen diese Festigkeitssteigerung bei bake-hardening? Werkstoffvorgänge:Die Festigkeitssteigerung beruht auf dem Effekt der Abschreckalterung von Kohlenstoff. Der zwangsgelöste Kohlenstoff wird bei den erhöhten Temperaturen wieder ausgeschieden und lagert sich an den Versetzungen an. Dadurch wird die Versetzungsbewegung verhindert, was in einer Erhöhung der Streckgrenze resultiert.
• Nennen Sie die drei wesentlichen Arbeitsgänge beim Aushärteprozess von Aluminiumlegierungen. - 1. Glühen bei hoher Temperatur (Lösungsglühen)- 2. Schnelles Abkühlen (Abschrecken)- 3. Auslagern (Warm- oder Kaltauslagern)
• Welche weiteren Wärmebehandlungsverfahren kennen Sie? Nennen Sie zwei Verfahren. - Weitere Wärmebehandlungsverfahren: Rekristallisation, Erholung, Weichglühen, Stabilisieren, Entspannungsglühen / Spannungsarmglühen, Hochglühen
• Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit Aluminiumlegierungen härtbar sind? Bei den Legierungen muss sich die Löslichkeit mindestens einer Komponente mitabnehmender Temperatur verringern, was im Phasendiagramm durch Segregatslinien dargestellt wird. Die sich ausscheidende Phase muss jedoch auch das Gitter verspannenoder eine höhere Festigkeit besitzen um einen Härtungseffekt zu bewirken
• Aluminium-Silizium Legierungen werden bevorzugt als Gusslegierungen verwendet. Wodurch kommt die gute Gießeignung und wo ist diese optimal? - Die guten Gießeigenschaften kommen durch das Eutektikum bei 12,5% Si (Optimum),welches die Schmelztemperatur absenkt, was eine verbesserte Gießbarkeit zur Folge hat.
• Was ist eine Kristallseigerung und wie kann diese beseitigt werden? - Konzentrationsunterschiede innerhalb der primär ausgeschiedenen Mischkristalleaufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit während der Erstarrung.- Beseitigen durch Diffusionsglühen
• Welche Arten von Mischkristallen kennen Sie? Wie sind diese aufgebaut und welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit sich diese ausbilden. - Einlagerungsmischkristalle:Atome einer 2. Komponente setzen sich auf die Zwischengitterplätze des Wirtsgitters Atome der 2.Komponente müssen klein sein- Substitutionsmischkristalle:Atome der 2. Komponente setzen sich auf die richtigen Gitterplätze des Wirtsgitters und ersetzen die ursprünglichen Atome teilweise, müssen dafür fast gleich groß sein.
• Beschreiben Sie den Vorgang des Warm- und Kaltauslagerns von Aluminium. Gehen Sie dabei auf die Temperaturen, die sich ausbildenen Gefügeveränderungen und die damit verbundenen Eigenschaftsveränderungen ein. Kaltauslagern: bei RT oder leicht erhöht; Bildung kohärenter Ausscheidungen „G-P-I-Zonen“. Dadurch merkliche Steigerung der Härte, Zugfestigkeit und Ersatzstreckgrenze.Warmauslagern: (100 – 200°C), Bildung teilkohärenter Phasen „G.P.-II-Zonen“, welchedie G.P.-I-Zonen ersetzen. Weitere Aushärtungseffekte durch diese Phasen
• Was wird unter den Guinier-Preston-Zonen verstanden und wie entstehen diese? G.-P.-I-Zone: beim Kaltauslagern von Alu-Legierungen auftretende kohärente Phasen- G.-P.-II-Zone: beim Warmauslagern von Alu-Legierungen auftretende teilkohärente Phasen
• Was passiert wenn beim Warmauslagern zu hohe Temperaturen oder zu lange Zeiten gewählt werden? Noch längere Auslagerungszeiten oder höhere Temperaturen führen zur Bildung voninkohärenten Gleichgewichtsphasen. Durch die Überalterung gehen die Aushärtungseffekte zurück.
• Welchen Einfluss hat die Gitterstruktur von Magnesium auf die Verformungs- eigenschaften bei Raumtemperatur und bei Temperaturen über 230°C? - hexagonale Gitterstruktur bei RT → schlecht verformbar- oberhalb von 225 °C werden zusätzlich zu der bis dahin nur aktiven Basisgleitebene noch die pyramidalen Gleitebenen aktiviert, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Verformungseigenschaften führt.
• Warum lässt sich Magnesium bei Raumtemperatur schlecht umformen? - Durch die hexagonale Gitterstruktur (hexagonal dichteste Kugelpackung, hdp) ist Magnesium bei Raumtemperatur schlecht umformbar.
• Magnesiumwerkstoffe enthalten im Allgemeinen weitere Legierungselemente. Nennen Sie zwei der wichtigsten Hauptlegierungselemente. Zu welchen Zwecken werden die Hauptlegierungselemente hauptsächlich zu legiert? - Aluminium- Zink- Silizium- Mangan- Die Hauptlegierungselemente dienen hauptsächlich zur Steigerung der Festigkeit /Verformbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit. (Silizium: verbesserte Gießbarkeit)
• Wodurch unterscheiden sich Magnesium-Knetlegierungen und Magnesium-Gusslegierungen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit als Halbzeugwerkstoffe? - Bei Knetlegierungen steht die plastische Verformbarkeit im Vordergrund,- bei Gusslegierung das Formfüllungsvermögen und die Gießbarkeit.
• Welche Faktoren bedingen die unterschiedliche Profilform von Zugkonstruktionen und biege- / torsionsbelasteten Strukturen? Zugkonstruktion: - benötigen keine Biegesteifigkeit- keine InstabilitätsproblemeTorsions-/Biegestrukturen: - ungleichmäßige Spannungsverteilung- maßgebend: Widerstandsmoment (Steifigkeit)große Abmessungen (Material weg von neutraler Achse)
• Welche Profilform wird häufig bei biege- und torsionsbelasteten Strukturen eingesetzt? - Profilform: I-Profil (T-Profil, Doppel-T, H-Profil)
• Vergleiche Wirkung von Normal- und Schubspannugen! - Normalspannungen erzeugen Dehnungen (relative Längenänderungen) nach Hookeschen Gesetz δ= ɛ*E- Schubspannungen erzeugen Schiebungen (=Winkeländerungen) nach Elastizitätsgesetz für Schub τ = ϒ * G
• Ein Flachstab ist durch eine Druckkraft in Axialrichtung belastet. Verändert (Verbesserung/Verschlechterung) sich die Knicksteifigkeit dieses Stabes, wenn sein Querschnitt zu einem U-Profil gekrümmt wird? Begründen Sie ihre Antwort. - Die Steifigkeit des Stabes wird durch eine Krümmung verstärkt. Dies ist in derVergrößerung des Widerstandsmomentes begründet ( Steiner).
• Kann bei duktilen Werkstoffen mit kubisch flächenzentriertem Gitteraufbau ein Sprödbruch auftreten? Begründen Sie Ihre Antwort. - Ja: Bei einem dreiachsigen Spannungszustand kann die erste Hauptspannung dieTrennfestigkeit erreichen bevor die kritische Schubspannung überschritten wird.
• Ist die an glatten Rundproben (Durchmesser 10 mm) ermittelte Biegewechselfestigkeit größer, kleiner oder gleich der von Proben mit 100 mm Durchmesser? Begründen Sie Ihre Antwort. - Aufgrund des höheren Spannungsgradienten bei Kleinproben ist eine größere Stützwirkung vorhanden. Daher weisen Kleinproben unter Biegewechselbeanspruchung eine größere ertragbare Spannungsamplitude auf

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