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Kriterien für die Werkstoffauswahl
- Festigkeit
- Werkstoffkosten
- Fertigungseigenschaften
- Lebensdauer
- Gewicht
—> Die wichtigste Regel für die Werkstoffauswahl ist: Gesicherte Funktionalität bei minimalen Kosten
Welche Belastungsarten gibt es?
- Zug / Druck
- Biegung
- Scherung
- Torsion
- Statisch oder dynamisch
- Einzeln oder überlagernd
Was sollte unbedingt vermieden werden?
- Plastisches Fließen (außer
bei der Fertigung)
- Gewaltbruch
- Unzulässige Verformungen
- Großer Materialabtrag
Spannungs-Dehnungs-Diagramm
Wovon sind die Werkstoffkosten abhängig?
- Art des Werkstoffes
- Qualität des Werkstoffes
- Ausnutzung des Rohmaterials
Wie können die Werkstoffkosten gesenkt werden?
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
Vorteile der Leichtbauweise:
- 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)
Gestaltungsprinzipien für eine festigkeitsgerechte Konstruktion
Prinzip der direkten und kurzen Krafteinleitung
Prinzip der konstalten Gestaltfestigkeit
Prinzip der minimalen Kerbwirkung
Prinzip der ausreichenden Steifigkeit
Prinzip der abgestimmten Verformung
Prinzip des Kraftausgleichs
Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung
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.
Prinzip der konstanten Gestaltfestigkeit
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
Wovon ist dieKerbwirkung abhängig?
- Änderung der Spannungsdichte
- Schärfe der Umlenkung
Kerbarten
Kerbart
Beispiel
Konstruktive Kerben
Querbohrungen
Einstiche
Gewinde
Querschnittsveränderungen
Fügestellen
Schweißnähte
Lötverbindungen
Nietverbindungen
Innere Fehlstellen
Poren
Einschlüsse
Risse
Entlastungskerben
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
Geschlossene und offene Profile
Geschlossen
Offen
Querschnitt in ununterbrochenem Zusammenhang
Zusammenhang durch Spalte/ Öffnungen unterbrochen
ähnliches Gewicht
ähnliche axiale Flächenträgheitsmomente (Biegung)
offene Profile extrem kleinere polare Flächenträgheitsmomente
Regeln für ausreichende Bauteilsteifigkeit
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.
Warum Gießen?
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
Vergleich Werkstoffausnutzung - Energieaufwand
Gießen allgemein
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
Vorteile Gießen
Werkstoffausnutzung hoch
Wirtschaftlich bei hoher Stückzahl
Oberflächen- und Formtoleranzen eher hoch (verfahrensabhängig):
Einsatz von Gußteilen im nicht sichtbaren Bereich
Charakteristische Oberfläche als Designmerkmal nutzen
Paßflächen müssen nachgearbeitet werden
verlorene und Dauermodelle
verlorene und Dauerformen
Formkasten
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.
Kriterien bei der Auswahl der Gusswerkstoffe
Kosten
Festigkeit
Verformbarket
Stückzahl
Zerspanbarkeit
Schweißbarkeit
Korrosionsbeständigkeit
Verschleißfestigkeit
Dämpfungsfähigkeit
Gusswerkstoffe
Gusseinsen
Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL)
Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiele
- als Maschinen-, Motorgehäuse
- Zylinderkurbelgehäuse -Getriebegehäuse
- Kompressoren Gehäuse
- Bremsscheiben
- Laufbüchsen
- Maschinenbetten
Parkbänke
Vermikularguss (GJV)
Vermikularguss (GJV) Anwendungsbeispiele
Zylinderkurbelgehäuse
Schiffsdieselmotoren
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS)
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) Anwendungsbeispiele
· Anwendungsbeispiele:
- Motorengehäuse Kanaldeckel
- Kurbelwellen
- Rohre
- Komponenten von Windkraftanlagen
- Lagergehäuse für Gasturbine
Komponenten von Bremsen
Schwindung von Gussteilen
Gießen mit verlorenen Formen (Sandguss)
Gießen mit verlorenen Formen (Vollformgießen)
Arten von Gießen mit verlorenen Formen
Sandguss
Vollformgießen
Gießen mit Dauerformen
Druckguss
Gießen mit Dauerformen (Druckguss)
Druckgussteile
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,…
Gießen mit Dauerformen (Kokillenguss)
Stranggießen
Gestaltungsrichtlinien Gießen
Sinterverfahren
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.
Sintern - Verfahrensschritte
Pulverherstellung
Pulverdichten —> Grünling
Sintern
Nachpressen oder Schneiden
Oberflächenbearbeitung
Wo kann Sintern sinnvoll eingesetzt werden? (Vorteile)
Wo kann Sintern sinnvoll eingesetzt werden? (Nachteile/Einschränkungen)
Schrumpfungen im Sinterprozess
Sinterprozess —> Porenfüllung
—> Schrumpfprozess (Man muss ca. 20% einkalkulieren)
Raumerfüllungsgrad Rx von gesinterten Werkstoffen
Sintergerechte Konstruktion
Lasersintern
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
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
Vorteile des Umformens
Geringerer Werkstoffverlust
Verbesserung der Werkstoffeigenschaften beim Kaltumformen durch Kaltverfestigung sowie beim Warmumformen durch Homogenisierung des Werkstoffgefüges
Erhöhung der Dauerfestigkeit durch Oberflächenverfestigung
Kurze Fertigungszeiten
Schmiedeverfahren: Freiformschmieden
Schmiedeverfahren: Gesenkschmieden
Gestaltung von Gesenkschmiedestücken
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
Fließpressen
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.
Gestaltung von Fließpressteilen
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
Einteilung der Fügevefahren nach DIN
Schweißen
unter Anwendung von Wärme oder Druck
Bindung erfolgt über Vereinigung der Werkstoffe
Schweißzusatz gleicher oder ähnlicher Aufbau wie Grundwerkstoff
Löten
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)
Kleben
Gleiche oder unterschiedliche Grundwerkstoffe
Grundwerkstoffe verändern sich nicht
Bindung erfolgt über Adhäsions- und Kohäsionsvorgänge
Einteilung der Lötverfahren nach Arbeitstemperatur
Welche Werkstoffe lassen sich löten?
Gruppe 1
Gruppe 2
Gruppe 3
Werkstoffe, die mit Universal-loten & Universalflussmittel sowie allen üblichen Verfahren gelötet werden können
Werkstoffe, die Speziallote und/oder Spezialflussmittel, jedoch keine speziellen Verfahren erfordern
Werkstoffe, die nur unter Verwendung spezieller Lote & Verfahren gelötet werden können
Kupfer & Kupferlegierungen
Aluminium & Al-Legierungen
Titan
Nickel & Nickellegierungen
Hartmetalle
Zirkonium
Eisenwerkstoffe
Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob
Beryllium
Beliebige Stähle
Weichlotähnliche Werkstoffe
Metalloxidkeramiken
Edelmetalle
Gestaltung von Lötverbindungen
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
Lötgerechte Gestaltung
Vorteile Löten
Nachteile Löten
Das Dreieck der Schweißbarkeit nach DVS
Schweißeignung des Werkstoffes
= die Fähigkeit eines Werkstoffes, eine untrennbare Verbindung, welche mittels Schweißen hergestellt wird, mit dem selben oder einem anderen Werkstoff einzugehen.
Schweißeignung wichtiger Werkstoffe
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
Schweißmöglichkeit der Fertigung
Schweißsicherheit der Konstruktion
Kriterien zur schweißgerechten Konstruktion
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
Stoßarten
Stumpfnähte
Kehlnähte
Vorteile von Schweißverbindungen
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
Nachteile von Schweißverbindungen
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)
Schrumpfungswirkung der Schweißnähte. Schweißverzug und -eigenspannungen
Maßnahmen zur Verringerung des Schweißverzugs und der Schweißeigenspannungen
Geringe Wärmeeinbringung
Geringes Nahtvolumen, Step-Nähte
Sinnvolle Auswahl der Schweißfolge und Nahtvorbereitung
Sinnvolle Anzahl der parallel eingesetzten Schweißroboter
Wärmeableitung
Nachfolgendes Spannungsarmglühen
Gestaltung von Blechteilen
Plastische Verformung - Kaltumformung
Die Überführung der gegebenen Form eines flächenhaften Halbzeugs in eine andere Form
Die Verfahren sind unter anderem im Karosseriebau von herausragender Bedeutung.
Duktilität
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
Kaltumformung und Kaltverformung
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
Umform- (Tiefziehsimulation)
Biegeumformen
Biegen, auch: Abkanten
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
Werkstoff
Mindestbiegeradius
Stahl
(1,0 … 3) x Blechdicke
Kupfer
(0,8 … 1,2) x Blechdicke
Aluminium
(0,8 … 1) x Blechdicke
Zink
(1,0 … 2) x Blechdicke
Kupfer-Zink-Legierungen
(1,0 …1,5) x Blechdicke
Aluminium-Legierungen
(0,9 … 3) x Blechdicke
Messing
(1,0 … 1,8) x Blechdicke
—> Die Biegekante sollte senkrecht zur Walzrichtung liegen!
Linienartige Sicken
Fügen durch Umformen. Falzen
Fügen durch Umformen. Durchsetzfügen Vorteile
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
Was sind Kunststoffe?
Werkstoffe auf Basis von Kohlenstoff und Silizium, Zusätze: Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Halogene
Nichtmetallisch
Bestehen aus Riesenmolekülen (makromolekular)
(Natürliche Polymere: Kautschuk (Gummibäume) oder Celluloseprodukte)
Was ist ein Polymer?
= eine chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten (Makro-)Molekülen besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten bestehen
Vorteilhafte Eigenschaften von Polymeren
Geringe Dichte (0,9 – 2,2 kg/dm³)
Ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber vielen Chemikalien
Beständigkeit gegenüber elektrolytischer Korrosion
Gute Formbarkeit im teigigen Zustand
Hohe Zugfestigkeit bei (faser-/teilchen-) verstärkten Kunststoffen
Hervorragende elektrische Isolierwirkung
Gutes Dämpfungsvermögen
Geringe Wärmeleitfähigkeit und somit
Gute Wärmedämmung
Einfache wirtschaftliche Herstellung
—> Ganz bestimmte Eigenschaftskombinationen herstellbar => maßgeschneiderte Werkstoffe
Nachteilhafte Eigenschaften von Kunststoffen
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!
Produktionslinien des Erdöls
Branchen – größte Verbraucher der Kunststoffe
Verpackungen 35,2 %
Bau 22,7 %
Fahrzeuge 10,4 %
1. Thermoplaste, schmelzen
2. Duroplaste, schmelzen nicht
3. Elastomere, sind elastisch
Thermoplaste
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.
Thermoplaste Beispiele
Polyethylen (PE)
Polypropen (PP)
Polystyrol (PS)
Polyvinylchlorid (PVC)
Polyacrylnitril (PAN)
Polyamide (PA)
Polyester (PES)
Polyacrylate
Polycarbonate (PC)
Produkte aus Thermoplaste
Wärmflasche
Schutzhelm (Arbeit)
CD
Wasserkasten
Einkaufstüten
Duroplaste
= 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
Duroplaste Beispiele
Formaldehydharze
Epoxidharze (alle Kunstharze)
Polyurethane (Lacke und Oberflächenbeschichtungen)
Duroplaste Herstellung
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.
Einsatzgebiete/Produkte aus Duroplasten
Schutzhelme (hohe UV-Strahlung, Hitze)
Toilettensitz
Reflektoren
Bügeleisenhitzeschild
Topfgriffe
Kabelbahnen
Elastomere
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
Beispiele für Elastomere
Naturkautschuk (NR),
Acrylnitril-Butadien- Kautschuk (NBR),
Styrol-Butadien-Kautschuk(SBR),
Chloropren-Kautschuk (CR),
Butadien-Kautschuk (BR)
Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM).
Produkte aus Elastomeren
Reifen
Fahrradsitze
Gummibänder
Schwämme
Einteilung der Kunststoffe nach dem Temperatureinsatz
Häufig gebrauchte Kunststoffe - Kurzzeichen
—> 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
Gestaltungsrichtlinien für Wanddicken
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.
Gestaltungsrichtlinien für Rippen
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
Gestaltungsrichtlinien für Abrundungen und Angusslage
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
Verarbeitungsverfahren Kunststoffe
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
Auswahl des Fügeverfahrens für Kunststoffteile
Einsatzbedingungen:
Mechanische Beanspruchung
Thermische Beanspruchung
Lösbarkeit der Verbindung
Sicherheitsanforderungen
Fertigungsbedingungen:
Werkstoffe
Fertigungsanlagen
Fügeverfahren für Kunststoffteile
Ultraschallschweißen
- gas-, wasserdichte Verbindung
- Ohne Zusatzwerkstoff - lebensmittelgeeignet
- Reproduzierbare Qualität
- schnell
Ultraschallschweißen von Thermoplasten
Fügezonengestaltung und Schweißgutaustrieb beim Ultraschallschweißen
Schweißverbindungen
Heizelementschweißen
—> zum Verbinden von Rohren, z.B. aus PE-HD und PP
Schweißverbindungen. Vibrationsschweißen
—> 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.
Physikalische Kräfte in einer Klebeverbindung
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
Spannungsverteilung in verschiedenen Verbindungen
Beanspruchungsarten der Klebeverbindungen
a) Zug-/Druckbeanspruchung
b) Scherbeanspruchung
c) Schälbeanspruchung
Schälbeanspruchung ist ungünstig und zu vermeiden
Welche Verbindung hat einen gleichmäßigen Spannungsverlauf im Bauteil?
Vorteil der Klebeverbindung: gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil
Spannungsverlauf im Bauteil
a) Nietverbindung
b) Klebverbindung
Spannungen in Klebeverbindungen
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)
Gestaltungsrichtlinien für Klebverbindungen
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.
Einteilung der Schnappverbindungen
Recycling von Kupfer
Kupfer lässt sich ohne jeden Qualitätsverlust wiedereinschmelzen
=> 80% des jemals erzeugten Kupfers ist heute im Umlauf!
Kunststoffabfall: Einige Zahlen
Europa: 25 Mio. t/Jahr
Deutschland: 37 kg/ Jahr
EU-Durchschnitt: 31 kg/ Jahr
Was passiert mit nicht wiederverwertetem Kunststoff?
„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
Was ist Recycling?
= die erneute Verwendung oder Verwertung von Produkten oder Teilen von Produkten in Form von Kreisläufen (VDI-Richtlinie 2243 „Recyclingorientierte Produktenwicklung“)
Arten der Recyclingkreisläufe
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
In welche drei Bereiche können die Gestaltungsrichtlinien zur recycling- und demontageoptimierten Produktgestaltung eingeteilt werden?
Verbindungstechnik
Werkstoffauswahl
Bauteilegestaltung
Recycling - Verbindungstechnik - zerstörungsfreie Demontage
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
Schraubenverbindungen
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.
Schnappverbindungen
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
Klebverbindungen
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.
Recycling - Werkstoffauswahl
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.
Recycling - Bauteilgestaltung
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
Materialströme bei der Entsorgung von Altfahrzeugen
Kunststoffrecycling
Verteilung des Kunststoffabfalls nach Verwertungsart in Deutschland (2018)
56 % Energetische Verwertung
42 % Recycling
1 % Rohstoffliche Verwertung
1 % Deponie
Ergonomie Definition
= ist die Wissenschaft von der Anpassung der Technik an den Menschen zur Erleichterung der Arbeit
Ergonomie Maßnahmen
Körpergröße, Körperhaltung berücksichtigen
Blickbereich, Blickfeld beachten
Greifraum prüfen – Werkzeuge müssen in Reichweite der Person sein.
Beleuchtung anpassen
Wodurch ist ein gutes Industriedesign gekennzeichnet?
Die Funktion des Produkts, seine Handhabung für den Anwender deutlich wird
hohe Gebrauchstauglichkeit
aktuelle technische Innovationen
umweltfreundlich —> Recycling
Ergonomie
Sicherheit
Langlebigkeit
Gestalterische Mittel
Anmutung
Information
Nutzung
Für die Funktionsfähigkeit von Bauteilen im Betrieb wird ein linear elastisches Verhalten vorausgesetzt.
Grenzwert metallischen WK - Streckgrenze
Wie sieht das Spannungs-Dehnungsdiagramm für
1) keramische Werkstoffe
2) Gusseisen mit Lamellengraphit
3) vers. Stähle
4) Reinaluminium aus?
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)
Kerbe Definition
—> Stellen mit mehr oder weniger abrupten Geometrieveränderungen auf, die zu einer Störung des Kraftflusses führen
Beispiele Kerben
Ermittlung von Formzahlen
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
Stützwirkung
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.
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