Produktgestaltung Verfahren

-          Festigkeit

-          Werkstoffkosten

-          Fertigungseigenschaften

-          Lebensdauer

-          Gewicht

—> Die wichtigste Regel für die Werkstoffauswahl ist: Gesicherte Funktionalität bei minimalen Kosten

- Zug / Druck

- Biegung

- Scherung

- Torsion

- Statisch oder dynamisch

- Einzeln oder überlagernd

- Plastisches Fließen (außer

bei der Fertigung)

- Gewaltbruch

- Unzulässige Verformungen

- Großer Materialabtrag

-          Art des Werkstoffes

-          Qualität des Werkstoffes

-          Ausnutzung des Rohmaterials

• Bei massiven Bauteilen – durch spanlose Umformung der Rohlinge

• Bei Blechbauteilen – durch Anordnung beim Verschnitt

• Rostbeständigkeit im chemischen Apparatebau

• Günstige Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe

• Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion bei Legierungen

• Witterungsbeständigkeit bei Außenverkleidungen

• Meerwasserbeständigkeit im Schiffbau

• Kunststoffbeschichtung bei Blechen und Rohren

• Reibung bei Lagern und Zylinderlaufflächen

• Wärmebeständigkeit bei Stählen im Werkzeugbau

• Beständigkeit gegen Flüssigkeiten und Gase bei Dichtungen

-          Geringes Gewicht der Gesamtkonstruktion

-          Einfachere Gestaltung von Fügeverbindungen

-          Größere Nutzlast bei gleichem Gesamtgewicht

-          Höhere Geschwindigkeit bei Verkehrsmitteln

-          Geringere erforderliche Motorleistung

-          Verringerung der Kraftstoffkosten

-          Verringerung der Umweltbelastung

• Günstige Verteilung vom Material entsprechend den äußeren Belastungen

• Profilbauweise

• Belastungsspitzen durch konstruktive Gestaltung (Kerben) vermeiden

• Sinnvolle Werkstoffauswahl

• Verringerung (Abfederung) von dynamischen Belastungen, insbesondere Stoßbelastungen

• Verbesserung der Wärmeabfuhr (Kühlung)

1. Prinzip der direkten und kurzen Krafteinleitung

2. Prinzip der konstalten Gestaltfestigkeit

3. Prinzip der minimalen Kerbwirkung

4. Prinzip der ausreichenden Steifigkeit

5. Prinzip der abgestimmten Verformung

6. Prinzip des Kraftausgleichs

Kräfte & Momente auf möglichst kurzem Wege durch eine möglichst geringe Zahl von Bauteilen leiten. Dadurch wird der Werkstoffaufwand und die Bauteilverformung reduziert.

• Der Elastizitätsmodul des gewählten Werkstoffes sollte möglichst groß sein

• Die Verformbarkeit (~ L0/A0) des Bauteils sollte möglichst klein sein

• Zug-Druck-Belastungen sollten gegenüber der Biegung bevorzugt werden

• Kann die Biegung nicht vermieden werden, sollte diese über symmetrisch angeordnete Bauteile übertragen werden.

• Der Kraftfluss sollte auf seinem Weg in alle Bauteilbereiche möglichst die gleiche Dichte haben

• Werkstoffaufwand minimal, wenn vorhandene Spannung = zulässige Spannung

• σVorh = σzul

• Der Werkstoffaufwand bei der Fertigung eines Bauteils wird minimal, wenn in allen Querschnitten, die durch die äußere Belastung hervorgerufene vorhandene Spannung 𝜎vorh gleich ist, der zulässigen Spannung 𝜎zul.

• Die Kraftflusslinien zeigen dann in allen Bauteilquerschnitten gleiche Dichte und der Werkstoff wird optimal ausgenutzt.

• Dafür werden die Gesetze der Festigkeitslehre für konkrete einzelne bzw. Überlagerte Belastung verwendet.

• Kerbwirkung mit Spannungskonzentrationen werden durch Form- & Größenänderungen von Bauteilquerschnitten hervorgerufen. Diese Kerbwirkung sollte durch kraftflussgerechte Gestaltung der Bauteile minimiert werden.

• Eine Kerbwirkung wird durch jede Veränderung des Querschnitts hervorgerufen

• —> Änderungen der Querschnittsform und -größe führen zu einer Kraftflusskonzentration

• Die Kerbwirkung ist umso stärker, je größer die Änderung der Spannungsliniendichte und je schärfer die Umlenkung der Spannungslinien von Querschnitt zu Querschnitt sind.

• Die schärfste Einschnürung & Umlenkung erfährt der Kraftfluss an Kerbstellen mit großer Querschnittsänderung und kleinsten Rundungsradien

-          Änderung der Spannungsdichte

-          Schärfe der Umlenkung

Überlagerung von Kerbebenen

Entlastungskerben am Wellenabsatz

Entlastungskerben bei Presssitz der Nabe

Entlastungskerben bei Nuten

Häufige Ursache für das Versagen einer Maschine ist eine durch betriebliche Belastung verursachte übergroße Formänderung einzelner Bauteile. Es sollte durch zweckmäßige Verteilung des verwendeten Werkstoffes ausreichende Bauteilfestigkeit erzielt werden.

• Steifigkeit ↑: hohe Konzentration des WK an hochbeanspruchten Bereichen und werkstoffsparende Anordnung in Zonen mit geringer Belastung

—> durch günstige Werkstoffverteilung sollte ein möglichst großes Flächenträgheitsmoment erreicht werden

• ähnliches Gewicht

• ähnliche axiale Flächenträgheitsmomente (Biegung)

• offene Profile extrem kleinere polare Flächenträgheitsmomente

hohle Profile bevorzugen, dadurch höhere Biege- und Torsionssteifigkeit

Steifigkeitssprünge vermeiden

Versteifung ebener Wände durch Bildung geschlossener Hohlprofile

Zellenbauweise

Funktionsstörungen als Folge von großen elastischen Verformungen durch unterschiedliche Steifigkeit der Kontaktpartner an den Kontaktstellen angrenzender Bauteile. (Bsp. Bei Gleitlagern auftretende Kantenpressung). Vermeidung von Betriebsstörungen durch sachgerechte Abstimmung der Verformung der beteiligten Bauteile.

• Bei Belastung gleichgerichteter Verformung

Innere Kräfte, die nicht der Funktionserfüllung dienen, können durch unsymmetrische Anordnung von Bauteilen oder Bauteilelementen hervorgerufen werden. Solche Wirkungen sollen durch symmetrische Gestaltung vermieden oder durch Anbringung von Ausgleichselementen aufgehoben werden.

• Bauteile werden durch Gießen hergestellt, wenn ihre Herstellung durch andere Fertigungsverfahren unwirtschaftlich ist, nicht möglich ist oder besondere Eigenschaften des Gußwerkstoffes genutzt werden sollen

• Werkstoffausnutzung ist hoch

• Größenbeschränkung oft nur durch Gießgrube oder Logistik gegeben

• Energiebedarf geringer als bei spanender Herstellung, Schmieden oder Pressen

• Wirtschaftlich bei hoher Stückzahl!

• Freiere Gestaltungsmöglichkeit als bei jedem anderen Fertigungsverfahren

• Oberflächen- und Formtoleranzen – stark verfahrensabhängig - eher hoch

—> Einsatz von Gußteilen im nicht sichtbaren Bereich

—> Charakteristische Oberfläche als Designmerkmal nutzen

—> Paßflächen müssen nachgearbeitet werden

• Erste Verarbeitungsschritt nach Gewinnung des metallischen Werkstoffes.

• wenn Herstellung durch andere Fertigungsverfahren unwirtschaftlich ist, nicht möglich ist oder besondere Eigenschaften des Gußwerkstoffes genutzt werden sollen.

• zwei wesentliche Prozessvarianten:

o   Formgießen

o   Stranggießen

• Werkstoffausnutzung hoch

• Größenbeschränkung oft nur durch Gießgrube oder Logistik gegeben

• Energiebedarf geringer als bei spanender Herstellung, Schmieden oder Pressen

• Wirtschaftlich bei hoher Stückzahl

• Freiere Gestaltungsmöglichkeit als bei jedem anderen Fertigungsverfahren

• Oberflächen- und Formtoleranzen eher hoch (verfahrensabhängig):

  • Einsatz von Gußteilen im nicht sichtbaren Bereich

  • Charakteristische Oberfläche als Designmerkmal nutzen

  • Paßflächen müssen nachgearbeitet werden

• Umrahmung für die Gussform, um diese

  • ohne Beschädigung auseinanderzunehmen, fortzubewegen und wieder zusammenzusetzen

  • die beim Gießen dem Druck des flüssigen Metalls einen ausreichenden Widerstand entgegensetzt, um jedes Auseinandertreiben der Gießform unter diesem Druck unmöglich zu machen.

• Kosten

• Festigkeit

• Verformbarket

• Stückzahl

• Zerspanbarkeit

• Schweißbarkeit

• Korrosionsbeständigkeit

• Verschleißfestigkeit

• Dämpfungsfähigkeit

Anwendungsbeispiele

-          als Maschinen-, Motorgehäuse

-          Zylinderkurbelgehäuse -Getriebegehäuse

-          Kompressoren Gehäuse

-          Bremsscheiben

-          Laufbüchsen

-          Maschinenbetten

• Parkbänke

• Zylinderkurbelgehäuse

• Schiffsdieselmotoren

·       Anwendungsbeispiele:

-          Motorengehäuse Kanaldeckel

-          Kurbelwellen

-          Rohre

-          Komponenten von Windkraftanlagen

-          Lagergehäuse für Gasturbine

• Komponenten von Bremsen

• Sandguss

• Vollformgießen

• Druckguss

• Maschinen- und Motorenteile, Automobil- und Motorradteile aus Stahl, Aluminium und Zink Aluminiumdruckguß

• Gußknoten, z.B. A8

• Gehäuse für Elektromotoren

• Töpfe und Pfannen

• Aluminiumfelgen…. Zinkdruckguß

• Modellbau

• Haushaltsgeräte

• Kleinteile: Schnallen, Reißverschlüsse… Magnesiumdruckguß

• Armaturen, Sicherheitsdeckel,…

• Die Pulvermetallurgie befasst sich mit der Herstellung von Pulvern aus Metallen, Metallverbindungen bzw. -legierungen, nichtmetallischen Stoffen und mit der weiteren Verarbeitung zu Halbzeugen und Fertigprodukten

• Unter hohem Druck werden die gemischten Pulver zu festen Körpern gepresst. Die einzelnen Teilchen verformen sich dabei so, dass sich große Berührungsflächen ergeben.

• Die Sinterrohlinge anschließend durchlaufen den Sinterofen bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur, z.B. 600°C bei Bronze, 1300 °C bei Eisenlegierungen.

1. Pulverherstellung

2. Pulverdichten —> Grünling

3. Sintern

4. Nachpressen oder Schneiden

5. Oberflächenbearbeitung

Schrumpfungen im Sinterprozess

Sinterprozess —> Porenfüllung

—> Schrumpfprozess (Man muss ca. 20% einkalkulieren)

• Selektives Lasersintern (SLS): räumliche Strukturen werden durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt.

• das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut

• Herstellung beliebiger 3-dimensionaler Strukturen auch mit Hinterschnitten

• 3D-Geometriedaten müssen in Schichtdaten umgesetzt werden

• Partielles Anschmelzen und Verdichten der Körner (Kunststoff und Metall)

• Schichtdicke 0,1 – 0,2 mm

• —> Rapid Prototyping

Umformen

Definition nach DIN 8580: „Umformen ist das Überführen eines Körpers in eine andere Form unter Beibehaltung von Masse und Stoffzusammenhang“

Das Umformen ist einer der wichtigsten Produktionsprozesse:

• Massivumformen (Verformen mit größerer Änderung des Querschnitts)

  • Schmieden

  • Walzen, Rollen

  • Drahtziehen

• Blechumformen (ohne beabsichtigte Querschnittsveränderung)

  • Tiefziehen

  • Biegen

  • Abkanten

• Geringerer Werkstoffverlust

• Verbesserung der Werkstoffeigenschaften beim Kaltumformen durch Kaltverfestigung sowie beim Warmumformen durch Homogenisierung des Werkstoffgefüges

• Erhöhung der Dauerfestigkeit durch Oberflächenverfestigung

• Kurze Fertigungszeiten

• Schmiedestücke ergeben i.A. homogeneres Gefüge, höhere Festigkeit und bessere Oberflächen als Gussstücke

• Nur bei kleinen Teilen wird ein gemeinsamer Gesenkblock mit Zwischengravuren und Fertiggravur verwendet. Bei größeren Teilen sind getrennte Gesenke vorzuziehen.

• Einfache und gleichmäßige Formen anstreben. Unregelmäßige Gestalt, schwierige Kurven und tiefe Einformungen sind schwer herstellbar, erhöhen die Werkzeugkosten und behindern den Werkstofffluss

• Die Gesenkteilung sollte so gewählt werden, dass sich die Schmiedestücke leicht ausheben und entgraten lassen

• Ebene Gesenkteilungen sind kostengünstiger und technologisch vorteilhafter als gekröpfte Gesenkteilungen

• Schroffe Querschnittsübergänge, scharfe Kanten und extreme Werkstoffanhäufungen sind zu vermeiden

• Flächen, die in Umformrichtung liegen, müssen nach DIN 7523 T2 ausreichende Neigung haben. Dadurch ist eine leichtere Aushebung aus der Gravur möglich

• Böden sind schmiedetechnisch dann günstig gestaltet, wenn ihre Dicke von der Mitte nach außen stetig unter einem Winkel von 3°-5° oder als Parabel zunimmt

• Hinterschneidungen sind nach Möglichkeit zu vermeiden. Sie erfordern Vorgesenke und eine Teilung des Fertiggesenks

• Beim Fließpressen wird der Werkstoff durch radiale und tangentiale Stauchungen in Richtung, entgegen oder quer zur Bewegungsrichtung des Pressstempels aus einer Matrize ausgepresst.

• Die durch Fließpressen herstellbaren Bauteile beschränken sich weitgehend auf axialsymmetrische, insbesondere rotationssymmetrische Formen.

• Die Masse fließgepresster Bauteile liegt im Bereich von wenigen Gramm bis zu 40 kg.

• Prinzipiell sind alle duktilen Werkstoffe fließpressbar. Beim Kaltfließpressen beträgt die zulässige Flächenpressung pzul = 2,5 kN/mm2 (Beanspruchbarkeit der Werkzeuge)

• Das Umlenken der Fasern im Werkstück muss möglichst sanft erfolgen, um eine erhöhte Kerbwirkung zu vermeiden.

• Die Gestaltung der Werkzeuge und der Rohlinge ist fließgerecht vorzunehmen

• Bei der nachfolgenden spanenden Bearbeitung soll die Faser möglichst nicht durchgeschnitten werden

• unter Anwendung von Wärme oder Druck

• Bindung erfolgt über Vereinigung der Werkstoffe

• Schweißzusatz gleicher oder ähnlicher Aufbau wie Grundwerkstoff

• Grundwerkstoffe schmelzen nicht

• Bindung erfolgt über Diffusionskräfte

• Zusatzwerkstoff (Lot) hat geringere Schmelztemperatur

• Wichtig ist, dass an der Lötstelle keine Oxidation auftritt. Sie lässt sich durch ein geeignetes Reduktionsmittel verhindern. Die Ägypter verwenden dazu Alaun (Doppelsalze, z.B. K-Al-Sulfate)

• Gleiche oder unterschiedliche Grundwerkstoffe

• Grundwerkstoffe verändern sich nicht

• Bindung erfolgt über Adhäsions- und Kohäsionsvorgänge

Verbindungsformen

• Stumpfstoß (Massiv- oder Hohlquerschnitte)

  • Meist nur bei Hartlöten, bei Weichlöten zu geringe Festigkeit

• Schrägstoß

  • Vorteil: Größere Verbindungsfläche = Festigkeitssteigerung

• T- & Eck-Stoß

  • Teile stoßen im rechten Winkel aufeinander

• Überlappstoß

  • Vorteil: Verbindungsfläche kann durch zunehmende Überlappung vergrößert werden = auch bei niedriger Lötfestigkeit volle Ausnutzung des Grundwerkstoffes erreichbar

• Weichlöten

  • Verbreitung der Lötfläche durch Profile oder Abkanten des schmaleren Teiles erforderlich

• Hartlöten

  • direktes Auflöten meistens ausreichend, jedoch bei rohrförmigen Teilen Radiusanpassung (gleichmäßiger Spalt) erforderlich

geeignete Lötverbindungen:

ungeeignete Lötverbindungen:

• Nahtformen —> Speziell beim Lichtbogen- und Laserstrahllöten

  • Kehlnaht am Überlappstoß

  • Kehlnaht am abgesetzten Überlappstoß

  • Bördelnaht am Parallelstoß

• Nachteil: Kraftumlenkung bewirkt Spannungsspitzen

• —> Verringerung der Schwingungsfestigkeit

• Überlappungs-Richtwert: 4 ÷ 6 t

• Anwendung: bei Weichlötungen, bei Hartlötungen von Dünnblechen (s ≤ 2mm)

• Zum Einlöten von Bolzen, Rohren, Scheiben, Flanschen

• Überlappung gilt gleichzeitig als Zentrierung

• unter Anwendung von Wärme oder Druck

• Bindung erfolgt über Vereinigung der Werkstoffe

• Schweißzusatz gleicher oder ähnlicher Aufbau wie Grundwerkstoff

= die Fähigkeit eines Werkstoffes, eine untrennbare Verbindung, welche mittels Schweißen hergestellt wird, mit dem selben oder einem anderen Werkstoff einzugehen.

• Unlegierte Stähle bei C<0,22% sind gut geeignet, bei 0,22%<C<0,4% nur bedingt (nach Vorwärmen) geeignet

• Niedriglegierte Stähle bei C<0,4% sind gut geeignet, bei 0,4%<C<0,6% nur bedingt (nach Vorwärmen) geeignet

• Hochlegierte Stähle sind gut bis bedingt (nach Vorwärmen) schweißbar

• Gusseisen ist sehr schwer nach dem Vorwärmen >500°C mit dem Lichtbogen schweißbar

• Nickel bei C<0,15% schweißbar

• Kupfer bei O2<0,015% schweißbar (Heißrissbildung)

• Aluminium ist unter Schutzgas schweißbar (starke Affinität zu O2)

• Titan, Zirkon sind relativ gut schweißbar

• Molybdan, Wolfram sind nach Vorwärmen schweißbar

• Thermoplastische Kunststoffe sind gut schweißbar

• Duroplastische Kunststoffe und Elastomere sind nicht schweißbar

Grundsätze:

• Beim Entwurf einer Schweißkonstruktion sind folgende Fragen zu beantworten:

  • Welche Aufgabe soll die Konstruktion erfüllen

  • Welche Belastungen treten auf?

  • Welche Werkstoffe kommen in Frage?

  • Welches Schweißverfahren kann angewendet werden?

  • Welche Qualität wird gefordert?

Gestaltungseinflüsse

• Folgende Faktoren beeinflussen die Gestaltung von Schweißkonstruktionen:

  • Art der Belastung: ruhend, schwingend, schwellend, wechselnd

  • Art der Beanspruchungen: Zug, Druck, Biegung, Torsion

  • Äußere Einflüsse: Temperatur, Korrosion, Verschleiß

  • Art des Schweißverfahrens: manuell, automatisiert

• Gewichtsersparnis und kürzere Fertigungszeiten als bei Gusskonstruktion, dadurch geringere Kosten

• Bei schweißgerechten Gestaltung die Festigkeit der Schweißnähte ist größer als die Festigkeit des Grundwerkstoffes

• Geringere Nachbearbeitung erforderlich

• Der Schweißverzug während des Schweißens und bei der Abkühlung (Maßhaltigkeit!)

• Die Eigenspannungen infolge der Abkühlung

• Die mikrostrukturelle Veränderungen der Werkstoffeigenschaften in der wärmebeeinflussten Zone (Gefügeänderungen)

• Geringe Wärmeeinbringung

• Geringes Nahtvolumen, Step-Nähte

• Sinnvolle Auswahl der Schweißfolge und Nahtvorbereitung

• Sinnvolle Anzahl der parallel eingesetzten Schweißroboter

• Wärmeableitung

• Nachfolgendes Spannungsarmglühen

• Die Überführung der gegebenen Form eines flächenhaften Halbzeugs in eine andere Form

• Die Verfahren sind unter anderem im Karosseriebau von herausragender Bedeutung.

• die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich bei Belastung plastisch zu verformen, bevor er versagt

• Beispielsweise bricht Glas ohne erkennbare Verformungen; Stahl hingegen kann sich um bis zu ca. 30 % plastisch verformen, bevor er reißt

• Gold ist so duktil, dass es sich auf eine Dicke von wenigen Atomlagen austreiben lässt

• Die Verformung von Metallen bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur

• Unterschied:

  • Kaltverformung unterscheidet sich von Kaltumformung dadurch, dass die Formänderung ungezielt eingebracht wird (z.B. beim Crash eines Automobils)

  • Umformen ist eine gezielte plastische Formänderung, etwa zur Formgebung eines Bauteils

• das Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts (Folie, Platte, Tafel, Platine…) in einen einseitig offenen Hohlkörper oder eines vorgezogenen Hohlkörpers in einen solchen mit geringerem Querschnitt ohne gewollte Veränderung der Blechdicke bei Raumtemperatur (=Kaltumformen).

• Es wird unterschieden zwischen

  • Tiefziehen mit Werkzeugen

  • Tiefziehen mit Wirkmedien

• auf das Material wird eine Biegebeanspruchung aufgebracht

• eine plastische, also dauerhafte Verformung, wird herbeigeführt (=Kaltumformung).

Die Grenze des Biegens- Mindestbiegeradius

• Um Rissbildung und Querschnittsveränderung des Biegeteils in der Biegezone zu vermeiden darf der Mindestbiegeradius nicht unterschritten werden

• Je größer der Biegeradius, umso geringer ist die Gefahr der Brechens oder Reißens

• Je kleiner der Biegeradius umso geringer wird die Blechdicke an der Biegestelle

—> Die Biegekante sollte senkrecht zur Walzrichtung liegen!

Vorteile

• Keine thermische Belastung der Fügezone

• Keine Vor- oder Nacharbeit nötig

• Folien oder Klebstoff als Zwischenlagen sind möglich

• Bauteile unterschiedlicher Dicke und Festigkeit können gefügt werden

• Zerstörungsfreie Kontrolle der Verbindung

• Werkstoffe auf Basis von Kohlenstoff und Silizium, Zusätze: Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Halogene

• Nichtmetallisch

• Bestehen aus Riesenmolekülen (makromolekular)

• (Natürliche Polymere: Kautschuk (Gummibäume) oder Celluloseprodukte)

= eine chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten (Makro-)Molekülen besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten bestehen

• Geringe Temperaturbeständigkeit, verbunden mit einem merklichen Abfall der Festigkeit mit steigender Temperatur

• Niedrige Dauergebrauchstemperatur

• Neigung zum Kriechen

• Starke Wärmeausdehnung

• geringe Festigkeit (unverstärkte Kunststoffe)

• Neigung zur Versprödung bei tiefen Temperaturen

• Brennbarkeit

• Neigung zum Quellen (Thermoplaste), durch Aufnahme von Feuchtigkeit ändern sich die Eigenschaften erheblich.

• Unbeständigkeit gegenüber bestimmten Lösungsmitteln

• Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung

• Geringe Härte

• Ungelöstes Recycling!

• Verpackungen 35,2 %

• Bau 22,7 %

• Fahrzeuge 10,4 %

1.       Thermoplaste, schmelzen

2.       Duroplaste, schmelzen nicht

3.       Elastomere, sind elastisch

• Die meisten Kunststoffe, die wir im täglichen Leben benutzen, sind Thermoplaste (65% aller Kunststoffe)

• Sie sind formbar (= plastisch), wenn sie erwärmt werden, allerdings schmelzen sie bei zu großer Hitze

• Sie lassen sich beliebig oft erwärmen

• Sie sind schweißgeeignet

• Bei Raumtemperatur spröde oder zähelastisch

• Es gibt amorphe und teilkristalline Thermoplaste

• Ohne Erwärmung lässt sich ein Thermoplast recht schwer verformen

• besitzen keine Quervernetzungen, d.h. dass die einzelnen Molekülketten nicht durch chemische Verbindungen, sondern durch zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden sind

• Wird genug Energie zugeführt, z.B. Wärme, so können sich bei einem unvernetzten Thermoplasten die einzelnen Ketten leicht gegeneinander verschieben, wodurch der Kunststoff leichter verformbar wird und schließlich schmilzt.

• Polyethylen (PE)

• Polypropen (PP)

• Polystyrol (PS)

• Polyvinylchlorid (PVC)

• Polyacrylnitril (PAN)

• Polyamide (PA)

• Polyester (PES)

• Polyacrylate

• Polycarbonate (PC)

• Wärmflasche

• Schutzhelm (Arbeit)

• CD

• Wasserkasten

• Einkaufstüten

= Duromere

• werden beim Erhitzen nicht weich und schmelzen nicht

• sondern zersetzen sich, da ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungs- temperatur liegt.

• Sie verformen sie sich nicht unter Zugbelastung, spröder Bruch

• deutlich härter und spröder als Thermoplaste

• Bearbeitung nur mechanisch möglich oder Herstellung direkt in gewünschter Form

• Duroplaste sind stark quervernetzte Kunststoffe

• Polyester (PES)

• Formaldehydharze

• Epoxidharze (alle Kunstharze)

• Polyurethane (Lacke und Oberflächenbeschichtungen)

  
  

• aus einer Schmelze oder Lösung der Komponenten durch eine Vernetzungsreaktion hervorgehen.

• Diese irreversible Reaktion wird meist durch Erhitzen bewirkt (engl. thermosets), Oxidationsmittel, energiereiche Strahlung oder Einsatz von Katalysatoren initiiert bzw. beschleunigt.

• Schutzhelme (hohe UV-Strahlung, Hitze)

• Toilettensitz

• Reflektoren

• Bügeleisenhitzeschild

• Topfgriffe

• Kabelbahnen

• lassen sich auf mindestens das Doppelte ihrer Länge dehnen und beim Loslassen in ihren Ausgangszustand zurückkehren (Gummielastizität).

• Sie werden beim Erwärmen nicht weich, sie schrumpfen und sind in den meisten Lösemitteln nicht löslich

• Bei hohen Temperaturen zersetzen sich Elastomere.

• Für Makromoleküle wie z.B. Kunststoffe bedeutet das, dass sie am liebsten in einem ungeordneten, verknäulten Zustand vorliegen, weil das ein besonders energiearmer Zustand (entropiereich) besonders günstig ist

• Naturkautschuk (NR),

• Acrylnitril-Butadien- Kautschuk (NBR),

• Styrol-Butadien-Kautschuk(SBR),

• Chloropren-Kautschuk (CR),

• Butadien-Kautschuk (BR)

• Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM).

• Reifen

• Fahrradsitze

• Gummibänder

• Schwämme

—> Kunststoffteile besitzen die bis zu zehnmal geringere Festigkeitskennwerte als Metalle.

• Ausreichende Steifigkeit bei maximaler Belastung

• Reduktion der Kriechneigung (zeitabhängige Verformung)

• Festigkeitsabnahme und Zunahme der Kriechneigung bei einer dauerhaften Wärmeeinwirkung

• Vertretbarer Werkstoffaufwand

• Spritzgussteile —> möglichst überall gleiche Wanddicken

• Wanddicke: 0,6 – 3,0 mm, bei Großteilen bis 5 mm

• Die Wanddicke muss ausreichend groß gewählt werden, damit das Formteil gut gefüllt werden kann

• Materialanhäufungen und plötzliche Querschnittsübergänge sind zu vermeiden. Sie führen zu ungleichmäßigem Abkühlen und damit zu Lunkern, Einfallstellen und Verzug.

• Durch eine geschickte Verrippung kann die Biege- und Formsteifigkeit flächiger Formteile ohne deutlichen Werkstoffmehraufwand wesentlich verbessert werden.

• Um Massenanhäufungen an den Knotenpunkten zu vermeiden, sollte das Verhältnis Rippe zu Wanddicke etwa 0,5-0,8 betragen

• Ecken und scharfe Kanten sollten am Formteil vermieden werden. In Abhängigkeit von der Formteilgeometrie sollten die Radien 0,5-1,5 mm betragen

• Der Anguss ist so zu gestalten, dass die plastifizierte Kunststoffmasse auf möglichst kürzestem Wege die Formnester gleichzeitig füllt

• Da jeder Anguss eine deutliche Markierung hinterlässt, sollte er nicht auf Sichtflächen angebracht werden

• Bindenähte, die durch zusammenfließende Massenströme bei Umströmen von Kerneinsätzen entstehen, sind leicht sichtbar und haben eine unzureichende Festigkeit

• Spritzgießen

• Blasformen

• Thermoforming

Das Granulat (Thermoplast) wird durch die Schnecke und Heizbänder in einen plastifizierten, fließfähigen Zustand gebracht und unter Druck in den temperierten Formhohlraum gespritzt

1 = Schnecke

2 = Einfülltrichter

3 = Granulat

4 = Plastifizierzylinder

5 = Heizelemente

6 = Werkzeug

Verfahren für die Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen

• Beidseitiges Aufheizen der Platte bis zur elastischen Verformbarkeit

• Vorstrecken der heißen Platte durch Einblasen von Druckluft

• Absaugen der Luft zwischen Platte und Werkzeug bis die Platte vollständig an der Form anliegt (=alte Bez. Vakuumtiefziehen)

• Abkühlen der Platte durch Kühlgebläse

• Lösen des verformten Tiefziehteils durch Einblasen von Druckluft

Einsatzbedingungen:

• Mechanische Beanspruchung

• Thermische Beanspruchung

• Lösbarkeit der Verbindung

• Sicherheitsanforderungen

Fertigungsbedingungen:

• Werkstoffe

• Fertigungsanlagen

• Stückzahl

-          gas-, wasserdichte Verbindung

-          Ohne Zusatzwerkstoff - lebensmittelgeeignet

-          Reproduzierbare Qualität

-          schnell

Ultraschallschweißen von Thermoplasten

—> zum Verbinden von Rohren, z.B. aus PE-HD und PP

—> die Fügeteile werden in einer oszillierenden translatorischen Relativbewegung mit den Amplituden von 0,2-2 mm so lange gegeneinander gerieben, bis die Kunststoffteile in der Fügezone aufschmelzen.

a)       Adhäsion & Kohäsion am Beispiel eines Flüssigkeitstropfens auf der schiefen Ebene

b)      Das Wirken der zwischenmolekularen Kräfte (spezifische Adhäsion)

c)       Kräfte in einer Klebverbindung mit bearbeiteten Oberflächen der Bauteile

Beanspruchungsarten der Klebeverbindungen

a)       Zug-/Druckbeanspruchung

b)      Scherbeanspruchung

c)       Schälbeanspruchung

• Schälbeanspruchung ist ungünstig und zu vermeiden

Vorteil der Klebeverbindung: gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil

Spannungsverlauf im Bauteil

a)       Nietverbindung

b)      Klebverbindung

Spannungsverteilung in einer überlappten Klebverbindung

a) Unbelastete Klebverbindung

b) Schubspannungsverlauf in der Klebschicht bei biegesteifen überlappten Bauteilen

c) Bauteile angeschrägt überlappt (Konstante Dehnung im Bauteil)

• Nieten ist ein formschlüssiges Fügeverfahren, bei dem ein Fügeteil örtlich umgeformt wird

• Diese unlösbare Verbindung kann nur durch Beschädigung der Fügeteile getrennt werden

• Beim Ultraschallnieten wird der am thermoplastischen Formteil angespritzte Zapfen durch eine speziell geformte Sonotrode örtlich plastifiziert und unter dem Druck zum Nietkopf umgeformt.

• der Formschluss wird dadurch erreicht, dass während des Fügens mindestens ein Bauteil elastisch verformt wird.

• Eine plastische Verformung ist unbedingt zu vermeiden! Typisch für eine Schnappverbindung ist das Einrasten von Haken, Wülsten oder Nocken in entsprechende Hinterschneidungen oder Aussparungen im Gegenstück.

• Nach dem Fügen und im unbelasteten Zustand wirken auf die Schnappverbindung keine oder nur geringe Spannungen.

• Kupfer lässt sich ohne jeden Qualitätsverlust wiedereinschmelzen

• => 80% des jemals erzeugten Kupfers ist heute im Umlauf!

Europa: 25 Mio. t/Jahr

Deutschland: 37 kg/ Jahr

EU-Durchschnitt: 31 kg/ Jahr

• „Frischer“ Kunststoff wird nicht von Mikroben oder Schimmelpilzen zersetzt

• UV-Strahlung spalten Kettenmoleküle auf => kleine Bruchstücke: Nahrung für Mikroorganismen

• In der Natur durch saures Milieu, Sauerstoffradikale, etc. Zersetzung => dauert tausende bis Millionen Jahre

• Verdunstung von Weichmachern => Versprödung => scharfkantige kleine Splitter => Gefahr für viele Tiere

• Kunststoffmüll im Erdreich unter Druck => Entstehung von Erdgas oder Erdöl => dauert tausende bis Millionen Jahre

• die obere Sandschicht vieler Meeresküsten bereits zu 10% aus kleinen Kunststoffkörnchen – zermahlene Überreste der mehr als 100 Millionen Tonnen Plastikmüll

= die erneute Verwendung oder Verwertung von Produkten oder Teilen von Produkten in Form von Kreisläufen (VDI-Richtlinie 2243 „Recyclingorientierte Produktenwicklung“)

• Recycling bei der Produktion

• Recycling während des Produktgebrauchs

• Recycling nach Produktgebrauch

-> Der Begriff des Produktrecyclings umfasst dabei:

• Eine erneute Verwendung von Produkten

• Eine Verwertung von Produkten

• Verbindungstechnik

• Werkstoffauswahl

• Bauteilegestaltung

• Lösbare Verbindungen anstreben (z.B. Schraub-, Schnapp- und Spannverbindungen anstelle von Niet-, Kleb-, Schweiß- und Lötverbindungen)

• Verbindungsstellen zugänglich gestalten. Ausreichend Platz für Werkzeugeinsatz vorsehen

• Standardisierung der Verbindungselemente anstreben. Reduzierung der Demontagewerkzeuge

• Verbindungen vor Verschmutzung und Korrosion schützen

• Zugänglichkeit der Schrauben sollte in der Ausbaurichtung des Bauteils liegen

• Zu bevorzugen sind Einziehschrauben, da bei der Demontage nur ein Lösewerkzeug und nicht noch ein Gegenhaltewerkzeug einzusetzen ist.

• Die Kreuzschlitzschrauben sind günstiger, da sich der Schraubendreher beim Lösen selbst zentriert.

• demontagefreundlich, da sie teilweise ohne Werkzeuge demontierbar sind

• Die Fügestelle sollte so gestaltet werden, dass ein Lösen durch Ausbohren möglich ist (Hohlniete).

• Kupferniete sind zu vermeiden, weil Kupfer schon in kleinen Mengen beim Wiedereinschmelzen des Stahlschrottes als Stahlschädling auftritt

• Diese sind im Kunststoff- und Metallbereich günstig, wenn die Bauteile beim Recycling nicht mehr getrennt werden müssen.

• Beim Schweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen muss bei der Werkstoffauswahl darauf geachtet werden, dass das spätere Regranulat aus einer Werkstoffkombination besteht

• Bei der Klebeauswahl und der Fügestellengestaltung muss die Eignung zum „Entkleben“ betrachtet werden.

• Die sich noch in der Entwicklung befindenden Entklebeverfahren basieren auf der Einwirkung von Wärme, Mikrowellenenergie und chemischen Gegenmitteln.

• Werkstoffvielfalt vermeiden

• Verwertungskompatible Werkstoffe einsetzen. Die Werkstoffe müssen wirtschaftlich und mit hoher Qualität verwertbar sein

• Der Einsatz von Sekundärwerkstoffen dient der Ressourcenschonung

• Verbundwerkstoffe vermeiden; diese nur dort einsetzen, wo ihr Nutzen die Nachteile deutlich übertrifft

• Öko- und Energiebilanz über den gesamten Produktlebenszyklus betrachten.

• Demonagefreundliche Baustruktur anstreben. Selbsterklärende Vorgehensweise bei geringer Demontagetiefe

• Zugänglichkeit zu den einzelnen Bauteilen gewährleisten

• Integration von „gleichartigen“ Bauelementen (Elektronik, Elektrik,…) in einem bestimmten Bereich des Produktes vorsehen

• Integralbauweise anstreben. Der Demontage- und Sortieraufwand wird dadurch deutlich reduziert

• Ziel: Bei der Fertigung sollte kein oder wenig Materialabfall entstehen.

• Die Umformverfahren sind den stofftrennenden Verfahren vorzuziehen.

• Verwendung von endproduktnahen Rohteil- und Halbzeugabmessungen.

• Verwendung von optimalen Teile- und Schnittanordnungen bei Blechen, Fasermatten und Kunststofffolien.

Mit dem Recycling während des Produktgebrauchs strebt man die erneute Verwendung für ein gebrauchtes Produkt an. Während die Instandhaltung eines Produktes auf dessen vorgesehene Lebensdauer abzielt, wird bei der Einzelinstandsetzung neben der Aufarbeitung häufig auch eine Modernisierung vorgenommen. In diesem Fall ist der Wert des aufgearbeiteten Produkts höher als der des ursprünglichen Neuprodukts. Beispiel: Durch rund 650.000 Kupplungen, die ein Automobilzulieferer in Serie jährlich aufarbeitet, werden ca. 2800 t Stahl und Gusseisen eingespart, zusätzlich etwa 12.000 MWh Energie nicht benötigt. Der Kunde erhält ein Erzeugnis mit gleicher Garantie, wie für ein Neuprodukt um 25% bis 30% günstiger.

• Nach Ablauf der Produktlebensdauer soll das Produkt demontiert und die einzelnen Werkstoffe der Bestandteile verwertet werden.

• Produktzerlegung und die mögliche Wiederverwendung der Einzelteile oder stoffliche Wiederverwertung nach dem Sortieren nach Werkstoffgruppen

• Zerkleinern des Restproduktes durch Schreddern

• Trennen der Werkstoffe

• Stoffliche oder rohstoffliche Wiederverwertung bzw. energetische Verwertung

• Beseitigung / Deponierung der Schredderrückstände

• 56 % Energetische Verwertung

• 42 % Recycling

• 1 % Rohstoffliche Verwertung

• 1 % Deponie

= ist die Wissenschaft von der Anpassung der Technik an den Menschen zur Erleichterung der Arbeit

• Körpergröße, Körperhaltung berücksichtigen

• Blickbereich, Blickfeld beachten

• Greifraum prüfen – Werkzeuge müssen in Reichweite der Person sein.

• Beleuchtung anpassen

• Die Funktion des Produkts, seine Handhabung für den Anwender deutlich wird

• hohe Gebrauchstauglichkeit

• aktuelle technische Innovationen

• umweltfreundlich —> Recycling

• Ergonomie

• Sicherheit

• Langlebigkeit

• Anmutung

• Information

• Nutzung

Für die Funktionsfähigkeit von Bauteilen im Betrieb wird ein linear elastisches Verhalten vorausgesetzt.

Grenzwert metallischen WK - Streckgrenze

Bauteile unterliegen meist mehrachsigen Spannungszuständen (z.B. Biegung mit überlagerter Torsion) Kombination der wirkenden Beanspruchungen, die zu einem Bauteilversagen führen:

Lösung: Mithilfe von Festigkeitshypothesen.

—> Vergleich der fiktive einachsige Spannung σV (Vergleichspannung) mit dem einachsigen Zugversuch ermittelten Werkstoffkennwerten (Re bzw. Rp0,2 und Rm)

—> Stellen mit mehr oder weniger abrupten Geometrieveränderungen auf, die zu einer Störung des Kraftflusses führen

• Analytische Lösungen —> als Formeln oder Formzahldiagrammen für relativ einfache Geometrien

• Numerische Lösungen —> basieren auf FEM

• Experimentelle Methoden —> für die Ermittlung der Formzahlen besieren auf der Spannungsoptik oder der DMS (Dehnungsmessstreifen)- Technik

Bei steigender Belastung -> Plastifizierung

Da anfänglich größere Bereiche der tragenden Querschnittsfläche noch elastisch beansprucht sind, kann die äußere Belastung weiter gesteigert werden. Aufgrund des stoffschlüssigen Zusammenhanges übt der elastische Kern eine Stützwirkung auf die bereits plastifizierten Randfasern aus, so dass die äußere Beanspruchung weiter gesteigert werden kann. Die Bauteilfließkurve weicht daher zunehmend vom linearen Verlauf ab.