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Nachfolgend soll der Vorgang der Werkstoffauswahl an einigen Beispielen verdeutlichen werden.

Wenn beispielsweise, wie im Bild, eine Welle auf Biegung beansprucht werden soll, so ist die zu realisierende Funktion die, einer Biegebeanspruchung zu widerstehen. Die glatte Welle, wie in Abbildung a, ist dabei der einfachste Anwendungsfall. Die Biegefestigkeit wird hier mit 100% angesetzt.

Bild: Einfluss der Kerbwirkung bei Biegung auf die Festigkeit

In Abbildung b besitzt diese Welle funktionsbedingt eine Einkerbung. Im Bereich dieser Kerbe wird der Werkstoff durch den ungünstigen Spannungsverlauf wesentlich stärker beansprucht und die Festigkeit verringert sich um die Hälfte. Kann dies nicht durch andere Maßnahmen kompensiert werden, muss diese Tatsache bei der Werkstoffauswahl berücksichtigt werden.

Ist diese Welle nun, wie in Abbildung c gelagert und soll der Wellenquerschnitt an beiden Seiten des Lagers verringert werden, kann sich die Festigkeit ebenfalls drastisch verringern. Abhängig von der Größe des Übergangsradius liegt der Festigkeitsverlust zwischen 15 und 75%.

Eine Verbesserung würde die Anordnung in Abbildung d bringen, da hier durch die Gestaltung einer elastischen Buchse die Beanspruchung von der Welle auf das Lager verschoben wird. Durch die Anordnung von Aussparungen am Lager (Prinzip der abgestimmten Verformung) wird eine gewisse Flexibilität gewährleistet. Aber auch hierbei wird die Festigkeit erheblich reduziert.

In der Praxis werden Bleche beispielsweise durch Falzen verbunden (siehe Bild - Abbildung a). Beim Einwirken eines umgebenden Mediums, wie z.B. Feuchtigkeit, Temperatur oder aggressive Gase und Flüssigkeiten, auf diese Verbindungsstelle, besteht ein erhöhtes Korrosionsrisiko. Bei Falzverbindungen erhöht sich dieses Risiko insbesondere durch die Kapillarwirkung der ineinander greifenden Bleche. Die Pressung müsste also so ausgeführt werden, dass ein Eindringen schädlicher Stoffe unmöglich ist. Dies ist in der Praxis kaum realisierbar.

Bild: Einfluss der Korrosionsfestigkeit

In Abbildung b ist eine Alternative zur Falzverbindung aufgezeigt, die Verbindung von Blechen mittels Schweiß-, Löt- oder Klebefuge. Der Nachteil dieser Lösung liegt eindeutig in der geringeren Festigkeit (Zug- und Biegefestigkeit) der Verbindung.

Bei der Werkstoffauswahl ist also auch der Aspekt der Werkstoffverbindung zu beachten. Wie das Beispiel zeigt, sind dabei verschiedene Zielgrößen, hier Korrosionsfestigkeit und Biege-Zug-Festigkeit, gegeneinander abzuwägen.

In der Praxis besteht meistens die Forderung, dass ein Werkstoff eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften besitzen muss. Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine Kombination von Werkstoffen mit den entsprechenden Einzeleigenschaften verwendet wird. Im Bild soll dieses Konstruktionsprinzip an einigen Beispielen dargestellt werden.

Bild: Konstruktionsprinzip - Funktionswerkstoff an Funktionsstelle

Abbildung a zeigt den Aufbau eines Karosseriebleches. Die einzelnen Schichten haben dabei unterschiedliche Funktionen. Der Kern aus Stahlblech realisiert die notwendige Festigkeit und Steifigkeit. Stahlblech bietet sich hierfür auch wegen seiner guten Verarbeitbarkeit (Tiefziehbarkeit) an und ist dazu noch kostengünstig. Die Korrosionsfestigkeit wird durch die Zinkbeschichtung erreicht. Danach wird an der späteren Außenseite ein Füller aufgetragen um die Poren zu schließen, die beim Verzinken gebildet wurden, zusätzlich dient er als Haftgrund. Die ästhetische Funktion wird durch die Farbgebung realisiert. Die äußere Lackschicht dient dem Schutz der Farbschicht und vermindert zusätzlich das Anhaften von Verschmutzungen.

Das zweite Beispiel (Abb. b) ist ein Kunststoffgehäuse, in das eine Metallbuchse als Wellenlager eingesetzt wurde. Diese Materialkombination findet man beispielsweise in konventionellen Küchengeräten. Die Wellen direkt im Kunststoff zu lagern, ist aufgrund der aufzunehmenden Kräfte und damit des resultierenden Verschleißes nicht möglich.

Eine weitere Anwendung ist in Abbildung c dargestellt. Das Relais mit Reed-Kontakten besteht aus einem mit zwei eingeschmolzenen Kontaktzungen aus Weicheisen.

Um dieses Röhrchen befindet sich ein konventioneller Spulenkörper aus gewickeltem Kupferdraht. Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt diese ein Magnetfeld und die ferromagnetischen Zungen ziehen sich an. Der Kontakt schließt sich. Da Weicheisen einen relativ hohen Übergangswiderstand besitzt, werden die Kontakte im Berührungsbereich versilbert. Fällt das Magnetfeld ab, soll sich der Kontakt wieder öffnen. Die Kontaktzungen müssen also eine definierte Federrückstellkraft besitzen und dementsprechend elastisch sein. Es zeigt sich, dass hier sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllt werden müssen. Weicheisen ist meist nicht sehr elastisch und der elektrische Widerstand ist gegenüber Kupfer und Aluminium wesentlich höher, jedoch besitzt es die notwendige magnetische Reaktion. Bei einer Funktionenintegration müssen also Kompromisse zwischen einzelnen Werkstoffparametern gefunden werden.

Das Beispiel (Abb. d) ist ein Drahtkugellager, dessen Laufflächen aus Draht bestehen, der sich kaltverfestigen lässt. Beim Einlaufvorgang wird das Lager bis zum dreifachen seiner Normbelastung beaufschlagt. Dies führt zu einer Kaltverfestigung seiner Oberflächen. Auf diese Weise eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften zu erzielen, ist bei großen Abmessungen kostengünstiger als das Härten des gesamten Bauteiles. Der Lagerkörper kann aus gut bearbeitbarem Material gefertigt werden.

Ein wichtiges Prinzip ist es also, einen Funktionswerkstoff an der Funktionsstelle einzusetzen.

Im Bild ist ein weiterer, interessanter Aspekt dargestellt, die Vorbildfunktion der Natur. Die Astgabelung eines Baumes besitzt dort den größten Querschnitt, wo die größte Belastung auftritt. Bezogen auf die technische Umsetzung heißt das nichts anderes, als den Werkstoff an der Stelle zu konzentrieren, wo die Beanspruchungen am größten sind.

Bild: Vorbildfunktion der Natur

Wenn nun diese Informationen aus der Natur rechentechnisch aufbereitet werden und der konventionellen Bauweise gegenübergestellt werden, ergeben sich z.B. für die Spannungsverläufe die unteren Abbildungen. Es ist eindeutig zu erkennen, dass sich bei der biomechanisch optimierten Baugruppe eine günstigere Spannungsverteilung ergibt.

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