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Leichtbau

MINT_Bildung

Created on May 22, 2025

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Leichtbau

ThementagEnergien der Zukunft

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Beim Leichtbau geht es darum, Dinge möglichst stabil und gleichzeitig besonders leicht zu bauen. Aber wo wird Leichtbau eingesetzt und welche Vorteile ergeben sich dadurch? Das alles und noch mehr darfst du heute an dieser Station lernen.

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Ein Bereich, in dem Leichtbau eingesetzt wird, ist der Sport:
Tennisschläger mit Carbonfasern sind besonders robust. Außerdem werden die Schläge kraftvoller und Vibrationen im Schläger weniger, wenn Carbonfasern im Schläger eingesetzt werden.

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Laufschuhe mit Carbonelementen können Marathonläufer schneller machen: Durch die steife Sohle muss ein Läufer beim Abrollen die Zehen nicht mehr krümmen. Gleichzeitig gibt das Dämpfungsmaterial viel seiner Verformungskräfte an den Läufer zurück. Das spart Energie. Allerdings ist durch die steife Sohle auch das Verletzungsrisiko größer.

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Carbonelemente in Fahrrädern, beispielsweise in Mountainbikes, können den Sportlern viel Energie sparen. Da die Fahrräder durch den Einsatz von Carbon leichter werden, ist es weniger anstrengend bergauf zu fahren oder das Fahrrad für einen Teil der Strecke zu tragen.

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Dass durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien Energie eingespart werden kann, kommt uns nicht nur im Sport, sondern auch im Verkehrssektor zugute.

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In den letzten Jahren haben sich die Emissionen im Verkehr kaum verändert:

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Auch wenn der Gesamtwert der Emissionen gesunken ist: Der Emissionswert des Verkehrssektors blieb weitesgehend gleich. Und das obwohl die Fahrzeuge heute klima- und umweltfreundlicher sind, als in der Vergangenheit. Wie kann das sein?Das liegt vor allem daran, dass der Verkehr immer mehr wird - der Individualverkehr, aber auch der Straßengüterverkehr.

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Was denkst du:
Beispiel 1: PKWs

Der durchschnittliche einfache Arbeitsweg in Deutschland ist etwa 17 km lang.

Bei der Fahrt mit einem Benziner werden bei 1 km Fahrt in etwa 120 g CO2 ausgestoßen.

Beispiel 1: PKWs

Faustregel: Verliert ein Auto 100kg Masse, sinkt der Kraftstoffverbrauch um bis zu 0,5l pro 100km. Das enstpricht ca. 12 g weniger CO2 Emission pro gefahrenen km.

SUVs können durch Leichtbau bis zu 300kg leichter werden. Allerdings ist die Produktion von häufig verwendeten Leichtbaumaterialien wiederum sehr energieaufwendig.

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Beispiel 2: Flugzeuge
Das solarbetriebene Flugzeug "Solar Impulse" hat zwar eine größere Spannweite als eine Boeing 747, trotzdem wiegt es nur so viel wie ein Minivan. Dank des geringen Gewichts konnte das Flugzeug, nur von Solarenergie betrieben, in 17 Etappen die Welt umrunden. Die Solarzellen erzeugten hierbei Strom für den Motor und zur Speicherung in Batterien, sodass auch nachts geflogen werden konnte.

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Du siehst also: Mithilfe des Leichtbaus kann der Verkehr nachhaltiger gemacht werden.

Aber welche Materialien eignen sich für den Leichtbau?

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Bevor du weitermachst:Die nächste Aufgabe sollst du in der Gruppe machen. Bitte warte ggf. auf die anderen Gruppenmitglieder, bevor du mit dem Experiment startest.

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Du hast die Aufgabe, das Material für den Bau eines Flugzeugs auszuwählen! Welches Material würdest du für die Außenhülle eines Flugzeugs verwenden?
Öffne dazu die graue Kiste auf dem Tisch, nehme die Materialproben heraus und sieh sie dir genau an. Hebe sie auch gerne hoch und wiege sie in deiner Hand. Gehe dann weiter auf die nächste Folie.

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... Holz und Jute sind zwar leicht, aber trotzdem ungeeignet, weil sie nicht wetter- und hitzebeständig sind.

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... Stahl ist zwar sehr stabil, aber auch sehr schwer und daher für Leichtbau-anwendungen ebenfalls ungeeignet.

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... Aluminium und CFK sind sowohl leicht, als auch beständig und stabil und daher für den Leichtbau geeignet!

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Aber was ist eigentlich CFK?

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CFK steht für CarbonFaserverstärkter KunststoffEs handelt sich also um einen Verbundwerkstoff aus Carbonfasern und Kunststoff.

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Im Leichtbau spielen Fasern eine wichtige Rolle. Daher kannst du jetzt selbst einiges über verschiedene Fasern erfahren.
Bevor du weitermachst:Das Experiment machst du in einer Kleingruppe von 2-3 Personen. Sprich dich mit den anderen Gruppenmitgliedern ab, um ein Team zu bilden. Bitte warte auf dein Team, bevor du mit dem Experiment startest.

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Nimm dir den Umschlag mit der Aufschrift "Der ultimative Fasertest" und die Box mit den Faserproben. Frage außerdem die Betreuungsperson nach einer Schale mit Wasser. Gehe auf die nächste Seite, sobald du nach der Wasserschale gefragt hast.

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Wie der Fasertest funktioniert, erfährst du auf den Dokumenten in dem Umschlag. Lies dir die Aufgaben aufmerksam durch und bearbeite sie im Team. Tausche dich gerne mit deinen Teammitgliedern zwischendurch aus. Für den Fasertest hast du nun 12 Minuten Zeit! Die Zeit läuft. Sobald der Timer klingelt, mache bitte mit der Präsentation weiter.

12:30

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Die verschiedenen Fasern haben unterschiedliche Eigenschaften und werden daher oft kombiniert, um die unterschiedlichen Vorteile der einzelen Fasern zu vereinen.
Auch im Leichtbau macht es Sinn, verschiedene Materialien zu kombinieren, um die Stabilität zu erhöhen. Diese Stoffe nennt man dann Verbundmaterialien. Ein besonders gern genutztes Verbundmaterial ist CFK, das du dir vorhin schon kurz angeschaut hast.

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Schaue dir das Video an.

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Im Video wurden Wespennester als ein Beispiel für Leichtbau in der Natur genannt.Wenn du Lust hast, kannst du das Wespennest vorsichtig aus der Box auf dem Tisch nehmen und fühlen, wie leicht und stabil es ist.

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Schau genau hin!In der CFK Materialprobe aus der Box kannst du das Webmuster der Faserstränge erkennen

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Carbonfasern haben eine wichtige Eigenschaft: Sie sind anisotrop.Doch was bedeutet Anisotropie?

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Carbonfasern haben richtungsabhängige Eigenschaften. Man sagt sie sind anisotrop. Das heißt sie sind in Faserrichtung deutlich stärker belastbar, als quer dazu.

weniger belastbar

belastbarer

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Das Gegenteil zur Anisotropie ist die "Isotropie". Hier hat der Werkstoff in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften.

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Um die Eigenschaften der Carbonfasern in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung optimal zu nutzen, können die Fasern in verschiedenen Lagen unterschiedlich orientiert werden.

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Sind die Fasern aller Lagen im Verbund in die selbe Richtung [0°] orientiert, spricht man von einem unidirektionalen Lagenaufbau.

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Eine andere Möglichkeit ist es, die Fasern der Schichten teilweise in 0° und teilweise in 90° zu orientieren.

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Eine weitere Möglichkeit ist die Ausrichtung der Lagen in 0°, +/- 45° und 90°.
Diese Faserorientierung wird auch quasiisotrop genannt, da sie der Richtungsunabhängigkeit am nächsten kommt.

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Je nach Orientierung der Fasern ist ein Laminat unterschiedlich belastbar.
Das darfst du jetzt selber ausprobieren: Klemme die Probekörper aus verschiedenen CFK-Stäben dazu an den Tisch un6 d hänge ein Gewicht in der Schlaufe daran.Auf der nächsten Seite kannst du deine Beobachtungen eintragen.
Achtung:
  • Halte die Klemme am Tisch zusätzlich noch mit einer Hand fest.
  • Halte den Boden unter dem Gewicht frei!

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Nun hast du gelernt, wie man mit dem Einsatz der richtigen Materialien, auch Stoffe genannt - zum Beispiel mit Fasern - leicht und gleichzeitig stabil bauen kann.Diese Art des Leichtbaus wird auch als Stoffleichtbau bezeichnet.

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Eine weitere Art des Leichtbaus ist der konstruktive Leichtbau. Dabei wird Gewicht durch eine möglichst leichte und trotzdem stabile Bauweise/ Konstruktion eingespart. Das sollst du nun selbst ausprobieren!

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Bevor du weitermachst:Das Experiment machst du in einer Kleingruppe von 2-3 Personen. Sprich dich mit den anderen Gruppenmitgliedern ab, um ein Team zu bilden. Bitte warte auf dein Team, bevor du mit dem Experiment startest.

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Baue im Team eine Brücke über das Holzgestell, die möglichst viel Gewicht aushält!
Dabei gelten folgende Regeln:- Es stehen 4 DIN A4 Blätter Papier, Schere und Klebestifte zur Verfügung. Das Papier darf gefaltet, geknüllt, gerollt, zerschnitten, zusammengeklebt werden.- Aber: Die Papier-Brücke darf nur aufliegen, nicht an dem Holzgestell festgebunden / geklebt / umwickelt o.Ä. werden! - Es dürfen keine Stützpfeiler gebaut werden.
Eure Brücke ist fertig?

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Eure Gruppen treten nun gegeneinander an:Welche Brücke hält mehr Gewicht aus?
Du kannst die Brücke zunächst mit kleineren Gewichten prüfen und bei Bedarf noch verbessern.Sobald der Brückenbau abgeschlossen ist, rufe eine Betreuungsperson, um den Wettbewerb zu starten!

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Wie du vielleicht bei deiner Brücke festgestellt hast, ist die Sandwichmethode, eine besonders stabile Konstruktionsmethode.Dabei umgeben zwei Deckschichten ein leichtes Kernmaterial.

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Das Kernmaterial kann z.B. ein leichtes Holz, Schaumstoff, oder eine Wabenstruktur sein.Alle Materialien kannst du dir in der grauen Kiste an deinem Arbeitsplatz anschauen!
Schaumstoff
Wabenstruktur
Balsaholz

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Um nicht noch schwerer tragen zu müssen, wird eine leichte und trotzdem stabile Konstruktion benötigt. Deshalb sind Pappkartons mit der Sandwichbauweise gebaut.

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Nun hast du verstanden, wie man sowohl durch die Materialauswahl, als auch die Konstruktion sehr leicht und trotzdem stabil bauen kann!

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Räume nun bitte alle Materialien wieder auf, wie du sie vorgefunden hast.Sprich anschließend eine Betreuungsperson für die nächsten Schritte an!

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Inhaltsverzeichnis

Klicke da, wo du hin willst:

Leichtbau und Verkehr

Leichtbau Materialien

Fasern allgemein

CFK Fasern

Konstruktiver Leichtbau

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Schiefer ist eine Gesteinsart, die z.B.im Bauwesen eingesetzt wird. Du kennst sie im Alltag vielleicht auch als Servierplatten für Speisen. Charakteristisch ist die oft raue Oberfläche mit Spalten.

Emission meint hier den Ausstoß von Schadstoffen, z.B. Kohlenstoffdioxid als Abgas bei Verbrennungsmotoren.

Was Carbonfasern sind, erfährst du später genauer.

Hey du hast mich gefunden.Hier wirst du in der Regel mehr Infos zu einem Thema finden.

Über das Kreuz oben in der Ecke kannst mich wieder schließen.

Ein Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der aus zwei oder mehr verschiedenen, miteinander verbundenen Materialien besteht - also ein Mix sozusagen.

Was sind Fasern eigentlich?

Fasern sind dünne Fäden, aus denen Garne gesponnen werden. Das fertige Garn kann dann zu einem Stoff verwoben oder einem Fließ gepresst werden. Die Auswahl der Fasern sorgt letztendlich für die Eigenschaften des Stoffes.

Individualverkehr meint die Fortbewegung von einzelnen Personen. Hier geht es also darum, dass z.B. immer mehr private Haushalte ein oder sogar mehrere Autos fahren.

Auf diesem Bild siehst du Carbonfasern als Gewebe verflochten. Was Carbonfasern sind, erfährst du später genauer.