Vorgehen bei der Werkstoffauswahl

Neben der Geometrie eines Bauteiles ist der Werkstoff die zweite wichtige Komponente, durch die seine Gestalt bestimmt wird.

Im Bild wird eine Übersicht gegeben, welche Werkstoffeigenschaften für die Gestaltung von Bauteilen entscheidend sind. Hierbei wird in drei große Gruppen von Eigenschaften unterschieden.

Die erste Gruppe der Eigenschaften bezieht sich dabei auf die Nutzung des Bauteils, d.h. für welchen Zweck der Werkstoff eingesetzt werden soll. Zu den wichtigen Eigenschaften gehört hier die Dichte, die eine besondere Bedeutung in Bezug auf die Leichtbauweise eines Teiles hat. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die Festigkeit in all ihren verschiedenen Arten, wie z.B. Biege-, Torsions-, Zug- oder Druckfestigkeit. Auch die Verschleißfestigkeit und damit der Abrieb sind Eigenschaften, die die Lebensdauer eines Bauteiles entscheidend beeinflussen. Wichtig ist auch das Korrosionsverhalten eines Werkstoffes, da es seinen Einsatz unter bestimmten Umweltbedingungen einschränken kann.

Bild: Kriterien der Werkstoffauswahl

In speziellen Anwendungen, wie z.B. in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik können noch eine Reihe anderer, chemischer oder physikalischer Eigenschaften bedeutsam sein, die hier allgemein als physiologische Eigenschaften bezeichnet werden sollen. Es ist erkennbar, dass es eine große Anzahl von stofflichen Merkmalen gibt, die für die spätere Nutzung des Bauteils entscheidend sind.

Die zweite Gruppe der Werkstoffeigenschaften bezieht sich auf Anforderungen, die sich aus der Herstellung des Bauteiles ergeben. Ein sehr wichtiger Gesichtspunkt ist dabei die Spanbarkeit des Werkstoffes, da der größte Teil der herzustellenden Bauteile spanend bearbeitet wird. Metalle gehören zu der Werkstoffgruppe, die eine solche Eigenschaft besitzen. Auch bei den technischen Keramiken gibt es bereits Sonderlösungen, die spanend bearbeitet werden können. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die Verformbarkeit des Werkstoffes. Beispielsweise in der Automobilindustrie werden Bleche durch Tiefziehen verformt, d.h. der Werkstoff lässt sich durch Biegen oder andere thermische Verfahren verändern. Die Veredlungsfähigkeit spielt ebenfalls eine wichtige Rolle, da z.B. für eine große Zahl von Einsatzfällen die Bauteile mit einer zusätzlichen Oberflächenveredlung versehen werden müssen. Auch die Fähigkeit des Werkstoffes Verbindungen durch Schweißen, Kleben oder Löten mit anderen oder gleichen Werkstoffen einzugehen ist für den Einsatzzweck entscheidend. Nicht zuletzt ist hier die Fähigkeit des Werkstoffes zu nennen, seine Eigenschaften während des Herstellungs- und Bearbeitungsprozesses beizubehalten.

Die dritte Gruppe der Werkstoffeigenschaften sind rein ökonomischer Natur, mit denen ausgedrückt werden kann, wie wirtschaftlich der Werkstoffeinsatz ist. Der Kostenanteil des Werkstoffes an den Gesamtkosten eines Produktes liegt bei 40 bis 50% . Der Preis und die Beschaffbarkeit eines Werkstoffes sind dabei entscheidend. Wichtig sind auch die Lieferbedingungen, wie z.B. welche Abnahmemenge ist rentabel oder ist der geplante Werkstoff bereits als Halbzeug erhältlich. Eine zunehmend an Bedeutung gewinnende Frage ist die Recyclingfähigkeit eines Werkstoffes. Ziel der Werkstoffauswahl muss es sein verbrauchte Bauteile wieder in einen Stoffkreislauf einzubinden.

Die Vielzahl der Werkstoffe kann z.B. wie in der dargestellten Übersicht unterteilt werden.

Bild: Einteilung der wichtigsten Werkstoffgruppen

Bei dieser klassischen Einteilung ist das oberste Kriterium das Vorkommen, also ob es sich um einen natürlichen oder synthetischen Werkstoff handelt. Die nächsten Unterteilungsebenen unterscheiden dann die Werkstoffe schon nach ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften oder nach dem Verbund aus mehreren Werkstoffen.

Die Tabelle enthält einige technisch relevante Metalle und Legierungen mit ihren wichtigsten Parametern, wie die Dichte, der Schmelzpunkt, der spezifische elektrische Widerstand, die elektrische Leitfähigkeit, der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes, die spezifische Wärmekapazität und der Wärmeausdehnungskoeffizient. Für viele Konstruktionen ist es entscheidend, wie sich Materialien bei verschiedenen Temperaturen verhalten.

Tabelle: Werkstoffkennwerte einiger Metalle und Legierungen

Werkstoff	Dichte ρ	Schmelz- punkt	Spezifischer elektrischer Widerstand ρ	Elektri- sche Leit- fähicikeit ν	Temperatur- koeffizient des elektrischen Widerstandes α_R	Spezi- fische Wärme- kapazität C	Wärme- aus- dehnungs- koeffizient
Aluminium	2,7	658	0,8282	35,5	0,004	0,802	23,8
Blei	11,34	327,3	0,208	4,8	0,0038	0,129	29,0
Bronze	7,4...8,9	900	0,0275	36,4	0,004		18,0
Chrom	7	1800	0,0263	38		0,506	7,0
Eisen	7,86	1530	0,13	7,7	0,0048	0,465	10,0
Gusseisen (GGL)*	7,6	1200	0,60...1,6	1,67... 0,625	0,0042		10,0
Stahl	7,7	1350	0,12	8,3			12,0

In der Tabelle sind wichtige Eigenschaften einiger Duroplastwerkstoffe mit den daraus resultierenden Anwendungen aufgelistet. Die in Klammern stehenden Werkstoffnamen sind die gängigen Handelsbezeichnungen. Diese Bezeichnungen sind nicht nur material- sondern auch stark herstellerspezifisch und unterliegen ständigen Veränderungen. In der Praxis haben sich Werkstoffkataloge und Werkstoffdatenbanken als Arbeitsmittel durchgesetzt. Sie sind über die Hersteller zu beziehen.

Tabelle: Werkstoffeigenschaften duroplastischer Werkstoffe

Handelsnamen - Werkstoff (Beispiele)	Eigenschaften	Anwendung
Formmassen
Phenol-Formaldehyd PF (Plastadur, Bakelit, Kerit, Pertinax) Harnstoff-Formaldehyd UF (Keramin, Resipas, Resopal) Melamin-Formaldehyd MF (Meladur, Cibanoid, Ultrapas) Polyesterharze UP (Plastadur, Keripol, Plaskon, Sopraplast, Alpolit, Birapol) Epoxidharze EP (Araldit)	gute mechanische Eigenschaften, feuchte beständig, kochfest elektrisch hochwertig, lichtbeständig, geruchfrei wärme- und lichtbeständig, geruchfrei mechanisch hochfest, wärme- und chemikalienbeständig mechanisch hochfest, wärme- und chemikalienbeständig, kaum Nachschwinden	Pressteile für hohe Beanspruchung, Verpackungsteile Stecker, Drucktasten, allgemeine Pressteile, Hartpapier Installationsteile, Schaltergehäuse Gehäuse, Apparateteile, Transportbehälter, Platten komplizierte Pressteile für Feinwerktechnik und Elektrotechnik
Schichtstoffe, Verbünde, Gießharze
Ungesättigte Polyesterharze UP (Legoral, Platal, Vestopal, Polyester G, Leguval)	hohe Festigkeit (durch Glasfasereinlagen)	stärker beanspruchte Geräte-und Maschinenteile, Kupp lungsteile, Verkleidungen und Abdeckungen, Transportbehälter, großflächige Lichtelemente, Schaugläser, Elektroisolationsteile, Klebstoffe

Im Diagramm im Bild ist beispielsweise der Einsatz spezieller Hochtemperatur-Werkstoffklassen in der Raumfahrt (Quelle NASA) dargestellt. Aus derartigen Werkstoffen werden hochtemperaturbeständige Teile von Raketen, wie Turbinenräder, Verkleidungen, Hitzeschilde u.a. hergestellt. Diese Werkstoffklassen sind Metalllegierungen, Keramiken, Verbundstoffe oder Keramikbeschichtungen. Um die Tendenzen in der Werkstoffentwicklung sichtbar zu machen, wurden die Werkstoffe in Abhängigkeit vom Entwicklungs- bzw. Anwendungszeitraum abgebildet.

Bild: Betriebstemperatur von Hochtemperatur-Werkstoffklassen

Nach denen im Folgenden aufgeführten Kriterien kann die Werkstoffauswahl in der Praxis erfolgen:

Kriterien für die Werkstoffauswahl:

Funktion
Konstruktionsprinzip, Aufbau des Produktes
Fertigungs-, Verbindungs-, Montageverfahren
Beständigkeit gegenüber physikalischen, chemischen, biologischen u.a. Einflüssen
Verhalten gegenüber mechanischen, akustischen und elektromagnetischen Schwingungen
Nutzungsdauer des Erzeugnisses
Masse des Produktes
Kosten (Herstellung, Nutzung, Recycling)

Die erste Forderung ist die Funktion, die von Bauteil und Werkstoff zu erfüllen ist. In Verbindung mit Werkstoff, Geometrie und Zustand des Werkstoffes wird hieraus die Gestalt des Bauteiles beschrieben. Sie ist als erstes zu bestimmen. Danach wird das Konstruktionsprinzip für die künftige Anwendung festgelegt. Dabei wird versucht den möglichen Aufbau des Produktes vorauszuberechnen, um einen späteren sachgerechten Einsatz zu garantieren. Nun fließen in die Auswahl die Kenntnisse über die verfügbaren und einsetzbaren Fertigungs- und Montageverfahren ein. Im nächsten Punkt wird das Verhalten der Werkstoffe gegenüber äußeren Einflüssen betrachtet, d.h. die Beständigkeit gegen physikalische, chemische und biologische Einflüsse. Außerdem muss das Verhalten gegenüber anderer Einwirkungen, wie z.B. akustischen, elektromagnetischen oder mechanischen Schwingungen beurteilt werden. Auch die Frage der geplanten Lebensdauer sollte geklärt sein. Das bedeutet, dass das Verschleißverhalten und die Ermüdungserscheinungen aller Baugruppen vorausbestimmbar oder berechenbar sein müssen. Die Masse des Produktes wird durch seine Gestalt bestimmt und das heißt, dass hier auf die Geometriebestimmung eine Rückkopplung erfolgt, wenn die Zielgröße für die Masse nicht erreicht wird. Als letztes, aber entscheidendes Kriterium sind die Kosten zu betrachten, die in der Praxis meist durch ein Limit festgelegt sind. Man nennt diese Targetkosts, also Zielkosten, die nicht überschritten werden dürfen. Die Kosten beinhalten eine Vielzahl betriebswirtschaftlicher Faktoren, wie Werkstoffpreise, Herstellungskosten, Kosten aus Nutzung und Gebrauch, Recyclingkosten usw.

Die oben angegebene Kriterienliste sollte nur als grobe Checkliste angesehen werden, die am konkreten Beispiel vollständig erarbeitet werden muss.

Um die Werkstoffauswahl anhand der genannten Kriterien durchzuführen, wird eine schrittweise Vorgehensweise empfohlen:

Der 1. Schritt ist das Bestimmen des Anforderungskataloges für den Werkstoff. Dabei wird eine Liste aufgestellt, in der z.B. die Betriebstemperatur, die Beanspruchung und andere spezifische Parameter genauer festgelegt sind. Die Forderungen, die in einer solchen Liste enthalten sind, können ein unterschiedliches Gewicht haben. Nicht immer kann der Bauteilfunktion oberste Priorität eingeräumt werden, ohne dass andere Details vernachlässigt werden.

Da es in der Praxis keinen Werkstoff gibt, der alle Kriterien gleich gut erfüllt, wird im 2. Schritt eine Vorauswahl für die Hauptforderungen getroffen. Dies könnten z.B. die Funktion, die Bearbeitbarkeit und/oder die Kosten sein.

Der 3. Schritt ist die detaillierte Werkstoffauswahl nach den Nebenforderungen. Dabei spielt die Änderung der Geometrie und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Werkstoffe eine wichtige Rolle. Das Wechselspiel zwischen Geometrie und Werkstoff kommt vor allem bei der detaillierten Werkstoffauswahl zum tragen.