K14: Werkstoffgerechtes Konstruieren

-> Verflechtung der Werstofftechnik mit Konstruktion und Fertigung

Ökonomisches Prinzip:

Ausreichende Funktionstüchtigkeit bei minimalen Kosten!

(Die Auswahl des Werkstoffs geschieht im Allgemeinen bereits in einem relativ frühen Stadium der Produktentwicklung)

• Werkstoffkosten

• Fertigungseigenschaften

• Lebensdauer

• Gewicht

• Anpassung von Werkstoffen

  • Erforderlich, wenn bestehende Maschinen oder Anlagen auf z.B. höhere Leistungen, Tragfähigkeit oder Durchsatz gebracht werden müssen

• Werkstoffsubstitution

  • Zur Kosten- und Gewichtsminderung, aber auch fertigungsbedingt

  • Zieht fast immer auch eine Änderung der Konstruktion und des Fertigungsweges nach sich

• Neukonstruktionen

  • Neukonstruktionen erfordern eine ganzheitliche Planung

  • Neukonstruktionen stellen die höchsten Ansprüche an die Zusammenarbeit der Bereiche, wenn eine optimale Lösung in kurzer Zeit gefunden werden soll

Das Eigenschaftsprofil ist die Summe aller Werkstoffeigenschaften eines Bauteils in Funktion.

• Mechanische Eigenschaften

  • Wiederstand gegen Zerreißen: Rm in MPa

  • Verhalten bei elast. Verf.: E-Modul in GPa

• Technologische Eigenschaften

  • Verhalten beim Gießen: Schwindung in %

  • Verhalten beim Schweißen: C-Äquivalent in %

• Thermische Eigenschaften

  • Verhalten bei tiefer Temp.: Kerbschlagarbeit KV in J

  • Verhalten bei hoher Temp.: Zeitstandfestigkeit

• Chemische Eigenschaften

  • Beständigkeit gegen Wasser: Korrosionsgeschwindigkeit in mm/Jahr

• Werkstoffeigenschaften sind physikalische Größen mit Symbol, Maßzahl und Einheit

• Ermittlung nach genormten Prüfverfahren

-> Werte aus der Werkstoffprüfung sind nicht unmittelbar auf Bauteile übertragbar

Auswahlgrundsatz:

Soll ein Bauteil seine Funktion über die vorgesehene Lebensdauer erfüllen, müssen Eigenschafts- und Anforderungsprofil im Gleichgewicht stehen, wobei eine Sicherheit einzukalkulieren ist.

• Muss es unbedingt ein Metall sein?

• Würde ein Kunststoff genügen?

• Könnte ein keramischer Werkstoff geeignet sein?

• Wäre die Verbundbauweise geeignet?

• …

Vereinfachte Direktwahl:

Die Werkstoffwahl wird durch eine herausragende Anforderung stark vereinfacht, weil sich die Zahl der in Frage kommende Werkstoffe verkleinert, evtl. auf eine Gruppe beschränkt.

Allgemeine, indirekte Wahl:

Im allgemeinen Fall, wenn keine besonderen Anforderungen vorliegen, ergibt sich eine indirekte Wahl durch Aussondern der Werkstoffgruppen, die wesentliche Anforderungen nicht erfüllen.

• Art und Qualität des Werkstoffs

• Notwendige Werkstoffmasse für die Fertigung

• Ausnutzung des Rohmaterials

• …

Fertigungsgerechte Werkstoffwahl:

Die technologischen Eigenschaften des Werkstoffes müssen den anzuwendenden Fertigungsverfahren entsprechen.

Eine Werkstoffwahl nur auf der Basis der Stoffeigenschaften liefert Vorschläge, die noch unter Fertigunggesichtspunkten gefiltert werden müssen, weil…

• ein so gefundener Werkstoff nicht für alle Fertigungsverfahren geeignet ist

• nicht in allen Größen, Formen und Stückzahlen gefertigt werden kann

• die Werkstoffkosten zum Teil gering gegenüber den Fertigungskosten sind

• viele Werkstoffe erst durch Fertigungsgänge entstehen (z.B. Verbundwerkstoffe, Keramiken) oder ihre Gebrauchseigenschaften erlangen (z.B. durch Beschichten)

-> Die Wahl eines Werkstoffs muss neben der Sicherstellung der Stoffeigenschaften auch bzgl. der Fertigungstechnik und deren Wirtschaftlichkeit abgesichert werden.

Komplexität meint die Gestalt, die von einfachen geometrischen Formen bis hin zu komplizierten reicht, oder von kompakt bis zu sperrig.

Zunehmende Komplexität durch:

• Hohräume

• Hinterschneidungen

• starke Querschnittsunterschiede

• …

Streckgrenze erhöhen:

• Vergüten, Aushärten, Kaltverfestigung

Dauerfestigkeit erhöhen:

• Allgemein: Verfestigungswalzen und -strahlen der Oberflächen

• Stahl: Einsatz- oder Randschichthärten; Nitrieren

• Gusseisen: Umschmelzhärten

Zähigkeit erhöhen:

• Metalle: Ausbildung von Feinkorn durch hochwertige Erschmelzung

• Stähle: Feinkorn durch Normalglühen; Stahl mit geringeren C-Gehalt und größeren Legierungsgehalt verwenden

Korrosionsbeständigkeit verbessern:

• Stahl, Temperguss: Beschichten, Lackieren, Verchromen etc.

• Aluminium: anodische Oxidation

(Eine weitere Möglichkeit ist der Übergang zu Werkstoffverbunden (Hybridbauweise))

Großes Problem im Rahmen der Lebensdauergewährleistung ist der Metallabtrag durch Korrosion, Reibung, Erosion, Kavitation, Verzunderung,…

-> Bereits bei der Entwicklung eines Produktes muss dem Abtrag durch geeignete Maßnahmen entgegengewirkt werden, damit das Bauteil innerhalb der zu erwartenden Lebensdauer sicher seine Funktion erfüllen kann.

• Rostbeständigkeit gegen aggressive Medien

• Witterungsbeständigkeit bei Außenverkleidungen

• Meerwasserbeständigkeit im Schiffsbau

• Beschichten von geeigneten Werkstoffen

• Gute Hitze- und Zunderbeständigkeit

• Günstige Stellung des Werkstoffs in der el.chem. Spannungsreihe

• Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion bei Legierungen

• …

Neben der Betrachtung der Lebensdauer des Werkstoffes ist auch die Lebensdauer der Fügestellen ein entscheidendes Kriterium bei der Wahl eines Werkstoffes.

-> Toxen z.B. haben eine höhere Dauerschwingfestigkeit als Punkt-Schweißverbindungen

Kostensteigerungen durch Leichtbau können gerechtfertigt sein, wenn sich daraus funktionale Vorteile ergeben!

• Größere Antriebsleistung von Krafterzeugern durch Drehzahlsteigerung

• Verringerung der Betriebskosten (z.B. Kraftstoffkosten bei Fahrzeugen)

• Größere Nutzlast bei gleichem zulässigen Gesamtgewicht

• …

• Niedrige Dichte

• Gute Schweißbarkeit

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

• Akzeptabler Kilopreis für eine Anwendung

• Gute “Fail-Safe”-Qualitäten

• Gute Festigkeitseigenschaften und hoher E-Modul

• Temperaturbeständigkeit der mechanischen Kennwerte

• Leichte Formbarkeit durch Kalt- und Warmformgebungsverfahren