Berg- und Hüttenmännische Monatshefte Originalarbeit BHM (2010) Vol. 155(7): 307 – 312 DOI 10.1007/ s00501-010-0581-8 Printed in Austria © Springer-Verlag 2010 Erhöhte Materialeffizienz und zusätzli- Zusammenfassung: che Funktionsanforderungen verlangen angepasste Ent- wicklungs- und Fertigungsmethoden. Ausgehend von der numerischen Gestalt- und Topologieoptimierung mittels FEM können globale Lösungen gefunden werden. Zusätz- lich existieren zahlreiche material- und fertigungstechni- sche Möglichkeiten für lokal wirkende Verstärkungen. Gefü- geänderungen durch Kaltverfestigung, das gezielte Ein- bringen von Eigenspannungen, örtliche Härtung und deh- nungsinduzierte Martensitbildung sind nur ein paar wirt- schaftliche Technologien. An mehreren Beispielen wird der Nutzen von walzprofilierten Trägern, „Tailored Tubes“ mit variablen Wandstärken, korrugierten Rohren, lokalen Ver- stärkungen durch Gefügemodifikationen und jener der Werkstoffverbunde dargestellt. Local Strengthening by Materials Processing to Increase the Material Efficiency Increased material efficiency and additional func- Abstract: tional requirements need adaptation of development and manufacturing methods. Based on numerical optimization of shape and topology using finite element method, global solutions can be found. In addition, there are manifold ma- terial and processing dependent possibilities for locally act- ing strengthening. Microstructural changes due to cold forming, controlled introduction of residual stresses, local hardening and strain induced martensite formation are some economic technologies. Using some examples, the benefits of roll formed beams, tailored tubes with varying wall thickness in the cross-section as well as along the lon- gitudinal direction, corrugated tubes, local strengthening by microstructural modifications and the use of com- pounds are illustrated. 1. Einleitung Energie- und Materialeffizienz sind seit einigen Jahren sehr bestimmende Anforderungen in der Produktionstechnik und tragen zur Schonung der weltweiten Rohstoffressour- cen bei. Der Begriff Materialeffizienz umfasst dabei sowohl den Leichtbau als auch alle produktionsrelevanten Ein- flüsse, wie Ausschussquote, Rezyklierbarkeit, optimale Ma- terialausnutzung u. a. m. Für den Leichtbau sind die Konst- ruktion, die Auslegung, die Werkstoffauswahl und die Aus- wahl geeigneter Fertigungsverfahren von größter Bedeu- tung zur Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit 1, 2 . In Deutschland wird jährlich ein Materialeffizienz-Preis für die besten industriellen Lösungen auf diesem Gebiet verge- ben, siehe 3 . Primärer Schritt zur Materialeffizienz ist die kraftflussge- rechte Werkstoffeinsparung durch die Methode der Gestalt- und Topologieoptimierung, deren Ursprung im spannungs- orientierten Wachstum der Natur liegt 4–7 . Ausgehend von den Rahmenbedingungen, wie auftre- tende Belastungen, den gegebenen Auflagerbedingungen sowie von einem vorgegebenen Designraum werden itera- tiv jene Volumina entfernt, die unter einem bestimmten Spannungsniveau liegen. Damit ergeben sich optimierte Geometrien, die oftmals von der wirtschaftlichen Herstell- barkeit abweichen können. Erst durch eine Gestaltoptimie- rung und durch geschickt gewählte Umsetzungsvarianten können fertigungstechnische Aspekte berücksichtigt wer- den. Als weitere Verfeinerung sind die zahlreichen, lokal an- wendbaren Möglichkeiten zur Steigerung der Festigkeit bzw. Erhöhung der Lebensdauer zu nennen. In dieser Ar- beit werden insbesondere werkstoff- und fertigungstechni- sche Möglichkeiten zur Erhöhung der Materialeffizienz dar- gestellt. 2. Materialeffizienz und prinzipielle Einsparungspotenziale Betrachtet man den durchschnittlichen Materialkostenan- teil in metallverarbeitenden Betrieben, so sind durchschnitt- Korrespondenzautor: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Bruno Buchmayr, Lehrstuhl für Umformtechnik, Montanuniversität Leoben, Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben, Österreich E-Mail: bruno.buchmayr@mu-leoben.at Lokale fertigungstechnische Verstärkungskonzepte zur Erhöhung der Materialeffizienz Bruno Buchmayr, Gerald Figala und Lukas Wunsch Lehrstuhl für Umformtechnik, Montanuniversität Leoben, Leoben, Österreich Eingegangen am 28. Mai 2010, angenommen am 8. Juni 2010 Buchmayr et al. BHM, 155. Jg. (2010), Heft 7 307 © Springer-Verlag