Mit etwas CNC-Magie verwandelt sich Ihr 2D-Blechteil in Sekundenschnelle in ein 3D-Bauteil. Das ist für viele Anwendungen von großem Wert: Montagewinkel, Aufhängungsaufnahmen, Batteriekästen und andere Komponenten, die in mehr als zwei Dimensionen existieren müssen. Es gilt als eine der einfachsten Methoden, um effizient ein 3D-Teil herzustellen, und als eine der besten Möglichkeiten, die Anzahl einzelner Bauteile in einem Design zu minimieren. Weniger bekannt ist jedoch der strukturelle Vorteil, den das Biegen häufig bietet – und die Gründe dafür: Durch das Biegen wird die Steifigkeit des Designs erheblich erhöht.

Das flexible Lineal

Um zu verstehen, woher die Biegefestigkeit kommt, stellen Sie sich eine einfache, verformbare Brücke vor – wie ein flexibles Lineal. Flexible Lineale lassen sich in eine Richtung leicht biegen, während sie sich auf der Seite nur schwer verbiegen lassen. Steckt dahinter eine wissenschaftliche Erklärung?

Dieses Phänomen lässt sich mit dem sogenannten „Flächenträgheitsmoment“ erklären. Laienhaft ausgedrückt ist es der Widerstand gegen das Biegen, der sich aus der Form des Querschnitts eines Objekts ergibt. Je größer das Flächenträgheitsmoment, desto steifer das Bauteil. Für einen rechteckigen Querschnitt – wie er bei Blech üblich ist – lautet die Formel für das Flächenträgheitsmoment:

Die Ausrichtung ist entscheidend!

Es ist äußerst wichtig zu wissen, dass die Höhe – die Variable „h“ – immer die Seite des Querschnitts bezeichnen sollte, die in derselben Richtung wie die Biegekraft liegt. Das untenstehende Bild zeigt dies, indem „h“ vertikal ausgerichtet ist, da das Gewicht der Person ebenfalls aufgrund der Schwerkraft vertikal wirkt.

„H“ erhöhen, um das Flächenträgheitsmoment zu steigern

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, wie sich das Flächenträgheitsmoment erhöhen lässt. Im nachfolgenden Bild stehen beide Personen auf einer Brücke mit identischem rechteckigen Querschnitt, doch die Person links steht auf der steiferen Brücke, weil diese ein größeres „h“ besitzt. Sehen Sie sich noch einmal die Formel für das Flächenträgheitsmoment an: Die Variable „h“ wird mit der dritten Potenz berechnet. Das bedeutet, wenn Sie den Wert von „h“ verdoppeln (x2), steigt das Flächenträgheitsmoment um das Achtfache (x8). Anders gesagt: Wenn Sie die Höhe in Kraftrichtung verdoppeln, wird Ihr Bauteil achtmal steifer.

Was hat das nun mit Blechbiegen zu tun? Angenommen, Sie haben ein langes, flaches Blech, das als Regal dienen soll, und möchten dessen Steifigkeit erhöhen. Gemäß der besprochenen Formel erhöhen Sie einfach „h“, indem Sie die langen Kanten um 90 Grad abkanten.

Eine weitere sinnvolle Überlegung ist, einen Flansch zu erstellen, der parallel zur Ebene liegt, in der die Biegung auftritt. Es ist tatsächlich so einfach: Durch das Biegen entstehen Flansche, und diese erhöhen das Flächenträgheitsmoment, indem sie die geometrische Höhe in Richtung der Biegebelastung vergrößern.

Falls Sie die Ingenieurstheorie noch nicht überzeugt hat, betrachten Sie folgendes einfache Experiment mit zwei separaten Blechteilen:

1.      Ein langes, flaches 0,0625” dickes Alublech ohne Biegung

2.      Ein langes, flaches 0,0625” dickes Alublech mit um 90 Grad gebogenen Längskanten

Beide Bleche haben exakt die gleiche Länge, Breite und Dicke. Allerdings weist das gebogene Blech zwei Flansche mit jeweils 1 Zoll Höhe auf. Wie verhalten sie sich als Träger unter starker Belastung?

Experiment zur Biegebeanspruchung

In den folgenden Abbildungen wurden einzelne 7,5-lb-Gewichte verwendet, um die Widerstandsfähigkeit der Bleche gegen Biegung bei zunehmender Belastung zu demonstrieren. Es wurden vier Belastungsfälle getestet, von unbelastet bis 22,5 lb.

Auf der linken Seite erfährt Teil #1 unter den Lasten eine deutliche und große Durchbiegung. Der Anstieg der Durchbiegung ist beim Vergleich aufeinanderfolgender Belastungsfälle klar erkennbar.

Im Gegensatz dazu zeigt die rechte Seite, dass Teil #2 selbst unter maximaler Last keinerlei Durchbiegung erfährt. Beim Vergleich der aufeinanderfolgenden Belastungsfälle von Teil #2 ist kein Unterschied zum unbelasteten Zustand erkennbar. Die einfachen Biegungen von Teil #2 erhöhen die Steifigkeit des Bauteils signifikant. Das liegt wiederum an der vergrößerten geometrischen Höhe in Richtung der Biegebelastung sowie daran, dass die Flansche parallel zur Biegeebene verlaufen. Beides steigert das Flächenträgheitsmoment des gesamten Teils und dessen Widerstand gegen Biegung.

Was passiert, wenn das gebogene Teil auf den Kopf gestellt wird? Die folgenden Bilder zeigen: Solange die Materialhöhe in Belastungsrichtung erhöht wird, verbessert sich die Steifigkeit der Gesamtstruktur erheblich. Es spielt daher keine Rolle, ob die Biegungen von Teil #2 nach oben oder unten zeigen, solange die Höhenzunahme in Richtung der Krafteinwirkung erfolgt.

Ein praktisches Beispiel ist der I-Träger: Es ist unwesentlich, ob das „I“ auf dem Kopf steht oder nicht. In jedem Fall ist die Struktur so ausgelegt, dass sie in Richtung der Biegebelastung eine möglichst große Höhe aufweist.

Biegefestigkeit für eigene Projekte nutzen

Das Biegen ist eine nützliche Konstruktionsmethode, um Strukturen zu versteifen sowie die Festigkeit von tragenden Bauteilen und Komponenten unter Biegebelastung zu erhöhen. Die Ausnutzung des Flächenträgheitsmoments ist ein cleverer Ingenieurtrick, der dies ermöglicht und zudem einen effizienten Materialeinsatz erlaubt, um Gewicht und Kosten einzusparen.