ADAPTATION DER DICHTEVERTEILUNG IN GEWICHTS- EFFIZIENTEN METALLSCHAUMSTRUKTUREN

Thomas Daxner, Franz G. Rammerstorfer und Helmut J. Böhm

Institut für Leichtbau und Flugzeugbau,
Technische Universität Wien

Metallschäume sind zelluläre Materialien mit vorteilhaften gewichtsspezifischen Eigenschaften, die primär von der effektiven Dichte des Schaumes abhängen. Fortschrittliche Technologien zur Herstellung von Metallschaum-Strukturen könnten eine Steuerung der Dichteverteilung im Bauteil ermöglichen.

In der Folge wird die Frage nach "optimalen" Dichteverteilungen auftauchen, und Optimierungsmethoden und -algorithmen zur Auslegung solch funktionell gradierter Strukturen werden zu entwickeln sein.

Diesem Informationsbedarf Rechnung tragend wurde die am Institut für Leichtbau und Flugzeugbau (ILFB) der TU Wien eingesetzte Computer- Software zur Prognose des natürlichen Umbaus der inneren Knochenstruktur unter Belastung (Abb.1) weiterentwickelt und kann nunmehr auch zur Optimierung von Leichtbaukomponenten aus Metallschäumen (Abb.2) eingesetzt werden. Die Implementierung des Algorithmus, in welchem der Schaum virtuell als ein sich selbstständig an den lokalen Belastungszustand anpassendes Material betrachtet wird, in einem Finite Elemente Programm stellte sich als elegante und in Hinblick auf Rechenzeit höchst effektive Vorgangsweise heraus.

Dadurch können extrem leichte, ausreichend steife und feste Bauteile ausgelegt werden. In Abb.3 wird ein symmetrischer, mittig belasteter Balken als Beispiel für einen Bauteil aus Metallschaum mit festigkeitsoptimierter Dichteverteilung vorgestellt. Angepeilte Anwendungsgebiete der Metallschaum-Integralbauweise und des vorgestellten Optimierungsverfahrens sind der Fahrzeugbau sowie die Luft- und Raumfahrt.

Dieses Forschungsergebnis wurde kürzlich in Chicago beim International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2000) von Thomas Daxner vorgestellt, was die Zuerkennung des IUTAM Bureau Preises für junge Wissenschafter an Thomas Daxner zur Folge hatte. IUTAM ist die weltumspannende International Union of Theoretical and Applied Mechanics.








Abb. 1:

Querschnitt durch einen menschlichen Femur- Knochen.

Abb. 2:

Metallschaumteile in
Integralbauweise.


Abb. 3:

Symmetriehälfte eines durch eine mittige Einzellast belasteten Balkens. Dichteverteilung nach einer Optimierung der gewichtsspezifischen Festigkeit (dunkle Gebiete weisen eine hohe Schaumdichte auf).