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feldbett/docs/02-materialauswahl.md
Axel Meyer d849c4e86d Initial commit: Feldbett Design-Dokumentation und FreeCAD-Scripts 
Modulares Schwergewicht-Feldbett aus Alu-Rohren (25×1.5) mit Stahl-Konnektoren (33.7×2.5).
Design-Docs, Materialrecherche, Gewichtsberechnung, Korrosionsschutz-Analyse,
und zwei getestete FreeCAD-Makros (Struktur + Konnektoren-Detail).

Co-Authored-By: Claude Opus 4.6 (1M context) <noreply@anthropic.com>
2026-04-09 14:30:35 +02:00

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# Feldbett — Materialauswahl Rohre
## Anforderungen an die Rohrauswahl
Das Design erfordert **drei Rohrtypen**, die ineinander passen (Triplet):
1. **Standardrohr** — Hauptstruktur (alle 37 Stangen)
2. **Hülsenrohr** — passt außen über das Standardrohr (für Konnektoren, Stahl)
3. **Stiftrohr** — passt innen in das Standardrohr (für Inline-Verbinder)
### Spielvorgaben
| Verbindung | Minimum | Maximum | Begründung |
|-----------|---------|---------|-----------|
| Hülse ID – Standard OD | 1.5 mm | 4.0 mm | Blog stahlshop.de: mind. 2-3mm empfohlen wg. Toleranzen/Schweißnähte |
| Standard ID – Stift OD | 1.0 mm | 4.0 mm | Muss steckbar sein, aber nicht zu viel Wackeln |
## Materialentscheidung: Aluminium Standard + Stahl Hülsen
### Begründung
- **Standardrohre aus Alu**: Gewichtsersparnis ~50% gegenüber Vollstahl
- **Hülsen (Konnektoren) aus Stahl**: werden zusammengeschweißt (MIG/MAG), einfacher als Alu-WIG
- **Stifte aus Alu**: verbinden Alu-Rohre inline, kein Schweißen nötig (Federbolzen)
- **Kontaktkorrosion Alu↔Stahl**: muss durch Isolierung/Beschichtung gelöst werden (→ siehe [03-kontaktkorrosion.md](03-kontaktkorrosion.md))
### Alternative: Alles Stahl
| Variante | Gewicht | Bemerkung |
|----------|---------|-----------|
| Alles Stahl (33.7×2.0) | ~27 kg | Robust, kein Korrosionsproblem, schwer |
| Alu Standard + Stahl Hülsen (33.7×2.0) | ~14 kg | Überdimensioniert |
| Alu Standard + Stahl Hülsen (optimiert) | ~8-10 kg | Richtig dimensioniert |
## Verfügbare Rohre — Katalog Metallparadies
### Aluminium Rundrohr (AlMgSi 0.5 / EN AW-6060 T6)
Quelle: [metallparadies.de/alurohr.html](https://www.metallparadies.de/alurohr.html)
| OD [mm] | Verfügbare Wandstärken [mm] |
|---------|---------------------------|
| 15 | 1, 1.5, 2 |
| 16 | 1, 1.5, 2, 2.5, 3 |
| 18 | 1, 1.5, 2 |
| 20 | 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5 |
| 22 | 1, 1.5, 2 |
| 25 | 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 5 |
| 28 | 1.5, 2, 2.5, 4 |
| 30 | 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5 |
| 35 | 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5 |
| 40 | 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 8, 10 |
| 45 | 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 10 |
Material: AlMgSi 0.5 (EN AW-6060), Zustand T6:
- Streckgrenze Rp0.2 = 150 MPa
- Zugfestigkeit Rm = 195 MPa
- E-Modul = 69.000 MPa
- Dichte = 2.700 kg/m³
### Stahl Rundrohr (S235JR)
Quelle: [metallparadies.de/stahl-rundrohr-s235jr.html](https://www.metallparadies.de/stahl-rundrohr-s235jr.html)
| OD [mm] | Verfügbare Wandstärken [mm] |
|---------|---------------------------|
| 20 | 2.0 |
| 21.3 | 2.0, 2.65, 3.25 |
| 25 | 2.0 |
| 26.9 | 2.0, 2.6, 3.25 |
| 30 | 2.0 |
| 33.7 | 2.0, 2.5, 3.25, 4.05 |
| 38 | 2.6 |
| 40 | 2.0 |
| 42.4 | 2.0, 2.5, 3.25, 4.05 |
| 44.5 | 2.6 |
Material: S235JR (Baustahl):
- Streckgrenze Rp0.2 = 235 MPa
- E-Modul = 210.000 MPa
- Dichte = 7.850 kg/m³
## Triplet-Analyse — Gültige Kombinationen
Systematische Suche über alle Alu-Standard × Alu-Stift × Stahl-Hülse Kombinationen.
Filterkriterien: Biegeauslastung 10-60%, Knick-SF > 5, Spiel in Grenzen.
**Ergebnis: 230 gültige Triplets gefunden.**
### Top 20 nach Gewicht
| # | Standard (Alu) | Stift (Alu) | Hülse (Stahl) | Sp.H [mm] | Sp.S [mm] | σ [MPa] | Ausl. | Knick-SF | Gewicht |
|---|---------------|------------|--------------|----------|----------|---------|-------|---------|---------|
| 1 | 22×1.0 | 16×1.0 | 30×2.0 | 4.0 | 4.0 | 86.3 | 58% | 124× | 6.9 kg |
| 2 | 20×1.5 | 15×1.0 | 26.9×2.0 | 2.9 | 2.0 | 76.2 | 51% | 128× | 7.2 kg |
| 3 | **22×1.5** | **15×1.0** | **30×2.0** | **4.0** | **4.0** | **61.7** | **41%** | **173×** | **8.0 kg** |
| 4 | 20×2.0 | 15×1.0 | 26.9×2.0 | 2.9 | 1.0 | 61.7 | 41% | 158× | 8.1 kg |
| 5 | 20×1.5 | 15×1.0 | 26.9×2.6 | 1.7 | 2.0 | 76.2 | 51% | 128× | 8.1 kg |
| 6 | 25×1.0 | 20×1.0 | 33.7×2.5 | 3.7 | 3.0 | 65.8 | 44% | 185× | 8.8 kg |
| 7 | 22×2.0 | 15×1.0 | 30×2.0 | 4.0 | 3.0 | 49.6 | 33% | 216× | 9.0 kg |
| 8 | 20×2.0 | 15×1.0 | 26.9×2.6 | 1.7 | 1.0 | 61.7 | 41% | 158× | 9.0 kg |
| 9 | 28×1.5 | 22×1.0 | 33.7×2.0 | 1.7 | 3.0 | 36.4 | 24% | 374× | 9.5 kg |
| 10 | **25×1.5** | **18×1.0** | **33.7×2.5** | **3.7** | **4.0** | **46.6** | **31%** | **261×** | **10.0 kg** |
| 11 | 25×1.0 | 20×1.0 | 33.7×3.25 | 2.2 | 3.0 | 65.8 | 44% | 185× | 10.3 kg |
| 12 | 28×2.0 | 20×1.0 | 33.7×2.0 | 1.7 | 4.0 | 28.8 | 19% | 472× | 10.8 kg |
| 13 | 25×2.0 | 18×1.0 | 33.7×2.5 | 3.7 | 3.0 | 37.1 | 25% | 327× | 11.2 kg |
| 14 | 25×1.5 | 18×1.0 | 33.7×3.25 | 2.2 | 4.0 | 46.6 | 31% | 261× | 11.5 kg |
| 15 | 30×1.5 | 25×1.0 | 38×2.6 | 2.8 | 2.0 | 31.4 | 21% | 465× | 11.9 kg |
### Empfohlene Triplets
#### Sweet Spot: 22×1.5 / 15×1.0 / 30×2.0
- 41% Auslastung, 173× Knick-Sicherheit, 0.83 mm Durchbiegung
- **8.0 kg** Gesamtgewicht
- Bedenken: Dünne Wände (1.5mm Standard, 1.0mm Stift) → empfindlich bei Federbolzen-Bohrungen
#### Robuster Prototyp: 25×1.5 / 18×1.0 / 33.7×2.5
- 31% Auslastung, 261× Knick-Sicherheit, 0.50 mm Durchbiegung
- **10.0 kg** Gesamtgewicht
- Genug Wandstärke für Bohrungen, haptisch robuster
- 33.7mm Hülse ist DIN-Rohrgröße (häufig verfügbar)
#### Ursprüngliches Triplet (überdimensioniert): 33.7×2.0 / 26.9×2.0 / 40×2.0
- 13% Auslastung — stark überdimensioniert
- **13.8 kg** (Alu) / **27.1 kg** (Stahl)
## Festigkeitsvergleich Alu vs. Stahl
Lastannahmen: 200 kg Personenlast, 6 A-Stangen tragen gleichzeitig, Einzellast mittig auf 350 mm Spannweite.
| Material | E [GPa] | Rp0.2 [MPa] | σ_biege [MPa] | Auslastung | Durchbiegung | Euler-Knick-SF |
|----------|---------|-------------|---------------|-----------|-------------|---------------|
| Stahl S235 | 210 | 235 | 19.2 | 8% | 0.06 mm | 2599× |
| Alu 6060-T6 | 69 | 150 | 19.2 | 13% | 0.17 mm | 854× |
| Alu 6082-T6 | 70 | 260 | 19.2 | 7% | 0.17 mm | 866× |
**Fazit**: Bei gleichen Querschnitten (33.7×2.0) ist die Biegespannung identisch — nur das Verhältnis zur Streckgrenze ändert sich. Alu biegt sich 3× so viel durch wie Stahl (E-Modul-Verhältnis), aber bei 350 mm Spannweite ist die absolute Durchbiegung <1 mm und irrelevant.
## Quellen
- [Metallparadies — Alu Rundrohr Katalog](https://www.metallparadies.de/alurohr.html)
- [Metallparadies — Stahl Rundrohr S235JR Katalog](https://www.metallparadies.de/stahl-rundrohr-s235jr.html)
- [Metallparadies — Welche Rohre passen ineinander?](https://www.metallparadies.de/info/welche-rohre-passen.html)
- [Stahlshop.de Blog — Rohre ineinander stecken](https://blog.stahlshop.de/rohre-ineinander-stecken-worauf-ist-zu-achten-was-muss-ich-bestellen/)
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