Prof. Martin Schagerl, Vorstand des JKU-Instituts für Konstruktiven Leichtbau im Interview zum Zukunftsthema Leichtbau

Mann sitzend mit Geräten
Prof. Schagerl mit einem Leichtbauteil mit applizierten Sensoren zur Strukturzustandsüberwachung © Christoph Kralovec

22.11.2018

Professor Martin Schagerl wurde 2009 zum Vorstand des damals neu gegründeten Instituts für Konstruktiven Leichtbau an die Johannes Kepler Universität Linz berufen. Davor war er in leitender Funktion für den Flugzeughersteller Airbus im Bereich Strukturberechnung tätig. Martin Schagerl hat Maschinenbau an der Technischen Universität Wien studiert und besitzt die Habilitation im Fach Mechanik.

Leichtbau gilt als Zukunftsthema und ist ein oft gebrauchtes Schlagwort. Wie würden Sie diesen Begriff zusammenfassen?
Prof. Schagerl: Primäres Ziel des Leichtbaus ist die Gewichtsreduktion. Dabei sind Funktionalität und Wirtschaftlichkeit die wichtigsten Randbedingungen. Leicht ist aber ein relativer Begriff. Das führt oft zu Missverständnissen. Was leicht ist, bestimmt die Anwendung und der Anwender. Was im Automobilbau leicht ist, gilt im Flugzeugbau als schwer. Von Leichtbau zu sprechen, ohne eine Anwendung im Kopf zu haben, macht aus meiner Sicht wenig Sinn.

Welches Potenzial hat die Autoindustrie durch den Leichtbau? Wie viel ist noch möglich, bevor Fahrzeuge untergewichtig werden?
Prof. Schagerl: Die Möglichkeiten moderner Hochleistungswerkstoffe, computerunterstützter Optimierungsmethoden, der Digitalisierung von Produkten und der Produktion, usw. sind bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Aus technischer Sicht ist keine Gewichtsgrenze nach unten erkennbar und das Potenzial wird auch unmittelbar genutzt. Eine leichtere Karosserie schafft Platz für weitere Komfort- und Sicherheitseinrichtungen oder für die Batterien der Elektroantriebe. Und über ein untergewichtiges, sparsames Auto wird sich wohl niemand beschweren, schon gar nicht unsere Umwelt. Die entscheidende Frage ist, wie viel den beteiligten Akteuren die Gewichtsreduktion Wert ist. Wie viel sind die Automobilhersteller noch bereit, zu investieren? Wie viel ist die Politik bereit, zu reglementieren? Und vor allem, wie viel ist der Kunde bereit zu zahlen, für ein, sagen wir 100 Kilogramm leichteres Auto?

Vor vier Jahren wurde das Christian Doppler Labor für Strukturfestigkeitskontrolle von Leichtbaukonstruktionen an der Linzer Johannes Kepler Universität eröffnet. Wie können Entwicklungen dieses Labors die Autoindustrie voranbringen?
Prof. Schagerl: Zwei unserer drei Unternehmenspartner sind aus der Automobilindustrie. Das umfassende Ziel dieses langfristig angelegten Forschungsprojektes ist die Entwicklung intelligenter Bauteile. Das sind für uns sicherheitsrelevante Strukturbauteile, die durch eine integrierte Sensorik selbst erkennen, ob sie beschädigt sind oder nicht. Dabei geht es nicht nur um eine Warnleuchte, die im Cockpit aufblinkt und den Kunden in die nächste Werkstätte schickt. Als Strukturmechaniker erarbeiten wir uns auch ein tiefes Verständnis über das Schädigungsverhalten und die Schadenstoleranz der Bauteile. Damit sind die entwickelten Systeme auch in der Lage, die Ernsthaftigkeit von Schäden aus physikalischer Sicht zu bewerten und eine modellbasierte Prognose über den weiteren Verlauf der Schädigung zu machen. Dies ebnet einerseits den Weg zu einer rein zustandsorientierten Wartung, weg von den gängigen fixen Inspektionsintervallen. Andererseits können intelligente Bauteile deutlich optimierter, d.h. leichter konstruiert werden, da sie während des Betriebs ständig überwacht werden.

Welchen Anteil haben Elektronik und Mechatronik am Leichtbau der zukünftigen Fahrzeuge? Und welcher Stellenwert wird der Entwicklung von neuen Werkstoffen zugesprochen?
Prof. Schagerl: Unser Christian Doppler Labor und der von uns verfolgte Ansatz der automatischen Strukturzustandskontrolle ist ein von Grund auf mechatronisches Projekt. Die Mechatronik liefert letztendlich die messtechnische Hardware. Wir nutzen etwa die elektrische Leitfähigkeit von Carbon-Bauteilen, um mithilfe systematischer Widerstandsmessungen und Tomographieverfahren Schäden im Bauteil zu lokalisieren. Oder wir erzeugen mit piezo-elektrischen Elementen, die im Bauteil integriert sind, gezielt Ultraschallwellen. Deren Reflexion gibt Auskunft über den Ort und auch über die Art und Größe des Schadens.

Dem gegenüber und darauf abgestimmt steht der Einsatz neu entwickelter Leichtbauwerkstoffe, deren spezifisches Leistungsvermögen so optimiert ist, dass in den typischerweise dünnwandigen Leichtbaukonstruktionen Schäden erst gar nicht auftreten oder diese eine große Toleranz gegenüber Schädigung aufweisen.

Darf man in absehbarer Zeit mit revolutionären Leichtbaukonzepten aus den Forschungslabors rechnen? Welche könnten das sein?
Prof. Schagerl: In nächster Zeit im Zusammenhang mit 3D-Druck. Mit additiven Fertigungsverfahren sind der Kreativität für eine gewichtsoptimale Bauteilgestaltung kaum Grenzen gesetzt. Das beginnt bei der optimalen, eben nicht kreisförmigen Ausrundung von Kerben, um Spannungsspitzen zu vermeiden, bis hin zu Gitterstrukturen im Mikrobereich, um bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen. Auch der 3D-Druck mit kontinuierlichen Fasern zur Herstellung höchstoptimierter  Faserverbundbauteile macht große Fortschritte. Hand in Hand zu diesen neuen Fertigungsverfahren werden leistungsfähige Computerprogramme bereitgestellt, die – ähnlich dem Wachstum in der Natur – optimale Konstruktionen schaffen. Das Ergebnis wird daher gerne als „Bionisches Design“ bezeichnet. Hier gibt es allerdings noch einiges zu tun: Die aktuellen kommerziell verfügbaren Optimierungsalgorithmen agieren sehr lokal und erkennen manche globalen Versagensformen wie z.B. Stabilitätsverlust nicht. Auch sind sie zur Optimierung von Bauteilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen nur eingeschränkt nutzbar. Die Konstruktionsvorschläge aus dem Computer erfordern daher oft eine sorgfältige Nacharbeit.

Leichtbau heißt auch, das Design von Komponenten so zu optimieren, dass weniger Werkstoff gebraucht wird. Gibt es an Ihrem Institut auch Designstudien für den Fahrzeugleichtbau?
Prof. Schagerl: Ein Design von Strukturbauteilen, sodass weniger Werkstoff bei gleicher Funktionalität gebraucht wird, ist die Grundaufgabe des Konstruktiven Leichtbaus. Am besten gelingt die Entkopplung der Designfrage von der Werkstofffrage, wenn Halbzeuge mit statistisch abgesicherten Materialkennwerten vorliegen. In einem typischen Projekt befasste sich unser Institut hier z.B. mit der optimalen Gestaltung von metallischen Crash-Elementen: Für eine optimale Energieaufnahme ist eine progressive, duktile Faltenbildung anzustreben. Risse sind ineffizient. Der Werkstoff, ein nicht sehr duktiler, aber hochfester Stahl, war vom Hersteller als gegeben anzusehen. Das Ergebnis dieser Arbeit, die eine Dissertation in Anspruch nahm und analytische Betrachtungen, nichtlineare Finite Elemente Simulationen und Crash-Tests zur Validierung beinhaltete, waren schließlich Faustformeln über die Dicken-, Breiten-, Längenabmessungen, sodass das Crash-Element energieeffizient faltet, und nicht etwa wie eine Palme aufreißt.

Diese Beiträge auf Bauteilebene sind Bausteine für ein leichtes Fahrzeug. Das Gesamtfahrzeuggewicht ist aber letztendlich eine Frage des Systemleichtbaus unter fachübergreifender Betrachtung der Beiträge aller Disziplinen.