Experimentelle Fassung. Nicht an realen Messwerten erprobt, von keiner Prüfstelle begutachtet; die hinterlegten Werkstoffkennwerte sind Literaturstartwerte ohne eigene Prüfung. Nutzung auf eigene Verantwortung, ohne Gewähr für die Richtigkeit der Ergebnisse.
Modul: LEICHTWERK (Bauformsuche für den Leichtbau) Übergeordnet: MATERIALWERK / Schicht-Werk · Stufe 3, Punkt 2 des Ausbauplans Stand: 2026-09-02 · Version 1.0
Material gehört in den Lastpfad. Die verbreitete Antwort darauf ist Topologieoptimierung — für die Kleinserienfertigung jedoch aus zwei Gründen unpassend: die frei verfügbaren Werkzeuge sind kaum gepflegt, und Ergebnisse ohne Druckbarkeitsrestriktionen sind häufig nicht fertigbar.
LEICHTWERK wählt den anderen Weg: es tastet vier bekannte Bauformen im Fertigungsraster ab und nennt die leichteste, die den Nachweis trägt. Das Ergebnis ist nachvollziehbar, bemaßbar und ohne Nacharbeit druckbar. Der Verzicht auf freie Formfindung kostet Masse, spart aber die gesamte Nachbearbeitungskette.
Abgetastet werden Höhe, Wandstärken, Gurt- und Stegdicken sowie die Rippenzahl. Zwei Einschränkungen machen aus einer mathematischen Suche eine fertigungstaugliche:
Bahnraster. Alle Wandstärken sind ganze Vielfache der Extrusionsbreite. Eine Wand von 1,5 Bahnen wird vom Slicer auf eine oder zwei gerundet — die Rechnung gälte dann für eine Geometrie, die so nie entsteht.
Beulschlankheit. Das Verhältnis von freier Länge zu Dicke ist auf 40 begrenzt. Ohne diese Grenze wählt jede Massenminimierung die dünnstmögliche Wand; die Balkentheorie sieht das örtliche Ausweichen nicht, das lange vor Erreichen der rechnerischen Spannung eintritt. Der Wert 40 ist eine ruhige Annahme für Thermoplaste und ersetzt keine Beulrechnung.
Für einen typischen Fall (PETG, 120 N am 100-mm-Hebel, Sicherheit 2, Bauraum 30 × 30 mm) liegt die Masseersparnis gegenüber Vollmaterial bei gleicher Sicherheit zwischen 65 % (Rippenplatte) und 79 % (I-Profil).
Der Hebel dahinter ist geometrisch: die Höhe geht mit der dritten Potenz in die Steifigkeit ein, die Wandstärke nur linear. Ein hoher dünnwandiger Querschnitt schlägt einen niedrigen massiven deutlich — bis die Beulgrenze greift, die deshalb den eigentlichen Endpunkt der Optimierung setzt.
Biegung in einer Ebene nach Balkentheorie. Nicht enthalten: Torsion, Belastung quer zur Profilebene, örtliche Krafteinleitung an Bohrungen und Auflagern, Kriechen unter Dauerlast, Ermüdung. Der Entwurf ist ein Vorschlag und gehört anschließend durch die vollständige Nachweisrechnung und an Probekörper.
Material belongs in the load path. Topology optimisation is the common answer but a poor fit for small-batch production: the freely available tools are barely maintained, and results without manufacturability constraints are frequently not printable.
LEICHTWERK takes the other route — it scans four known cross-sections within the manufacturing grid and reports the lightest one that still satisfies the verification. Two constraints turn a mathematical search into a manufacturable one: all wall thicknesses are integer multiples of the extrusion width, and the ratio of free length to thickness is capped at 40 to keep thin webs from buckling locally, which beam theory cannot see.
For a typical case the mass saving against solid material at equal safety ranges from 65 % (ribbed plate) to 79 % (I-section). The underlying lever is geometric: height enters stiffness with the third power, wall thickness only linearly — until the buckling limit ends the optimisation.
Beam bending in one plane only. Torsion, out-of-plane loading, local load introduction, creep and fatigue are not covered. The proposal belongs in the full verification afterwards, and on test coupons.
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