Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl
-
Upload
dr-bernd-stange-grueneberg -
Category
Documents
-
view
133 -
download
5
description
Transcript of Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
2
0. WERKSTOFFE, WERKSTOFFKUNDE & WERKSTOFFAUSWAHL
Teil B
0.3. WERKSTOFFAUSWAHL
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
3
Werkstoff-auswahl
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
empfehlenswerte Zusatzliteratur:
METHODIK DER WERKSTOFFAUSWAHL, MARTIN REUTER (2007),
Hanser, ISBN 978-3-446-40680-3, € 19,80
MATERIALS SELECTION IN MECHANICAL DESIGN, M.F. ASHBY
(2007), Easy-Reading-Ausgabe der 3. Aufl., Spektrum Aka-
demischer Verlag, ISBN 978-3-8274-1762-6,
€ 19,95
4
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
5
allgemeine Aspekte
Es gibt etwa 40000 metallische Werkstoffe und 40000 nichtmetallische Werkstoffe!
Werkstoff-innovation
völlig neuer Werkstoff
Werkstoff-substitution
kein Einsatz des WS bei dieser Anwendung
Werkstoff-alternative
Einsatz des WS in vergleichbaren Anwendungen
Einsatzmöglichkeiten für Werkstoffe:
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
6
allgemeine Aspekte
technische Verbesserung eines Produktes oder Reduzierung der Herstellkosten (Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit)
Marktgesetze
Neukonstruktion: systematische Werkstoffauswahl
Produkt-innovation
Änderungen an bestehenden Produkten: Analyse der Qualitätsprobleme mög-liche Werkstoffänderung
Qualitäts-probleme
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
7
allgemeine Aspekte
Initiierung von Materialänderungen oder Einschränkungen bei der Werkstoffaus-wahl bei Neukonstruktionen mögliche Werkstoffänderung
Normen & Vorschriften
Reduzierung der Werkstoffsorten auf Mindestmaß mögliche Werkstoffände-rungen an bestehenden Produkten
Standardisierung des Produktes
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
8
Methodik
Phase I
Phase II
Phase III
Phase IV
Werkstoffentscheidung
in Anlehnung an VDI-Richtlinie 2221
• Ermittlung der Materialan-forderungen Material-anforderungsliste
• Vorauswahl geeigneter Werkstoffe Liste mög-licher Materiallösungen
• Feinauswahl und Bewertung
Rangliste der Materiallö-sungen/Liste der Versuchs-werkstoffe
• Evaluierung und Validierung
von Produkteigenschaften
Entscheidungsvorlage
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
9
Top-Down-Methode:
deduktive Einschränkung der Lösungsvarianten mit Ergebnissen der einzel-
nen Arbeitsschritte
Materialanforderungsliste Materialcluster (WS mit vergleichbaren Ei-
genschaften, z.B. Legierungsgruppen oder Werkstoffamilien)
Cave: Berücksichtigung aller Werkstoffe ohne Vorurteile!
Praxismethoden (einfache und schnelle Methoden der Werkstoffauswahl):
Anwendung von branchen- und werksbezogenen Standards
Verwendung von Arbeits- und Leitblättern
Methodik
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
10
Phase I – Ermittlung der Materialanforderungen
Analyse der Aufgabenstellung
Ermittlung der Produkt- und Bauteilanforderungen
Analyse der Art der Entscheidungssituation (Wahl der Projektorganisation)
Übersetzung der Bauteilanforderungen
(Anforderungsprofil des gesuchten Werkstoffs)
Materialanforderungsliste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
11
Phase I – Schritt 1.1: Analyse der Aufgabenstellung Ermittlung der Produkt- und Bauteilanforderungen
Produkt-anforderungen
Bauteil-anforderungen
Material-anforderungen
Produktanforderungsliste Materialanforderungsliste Bauteilanforderungsliste
Analyse von Bauteilfunktionen
Anforderungskriterien:
Bauteilziele, z.B. niedriges Gewicht, …
Bauteilforderungen, z.B. max. Einsatz-
temperatur, …
Bauteilwünsche, z.B. glänzende Ober-
fläche, …
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
12
Materialauswahl – Einheit von Konstruktion, Werkstoff & Technologie:
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff
Konstruktion
Technologie
Funktion
Gestalt Beanspruchung
mech., phys., chem. Eigenschaften
technologische Eigenschaften
rationelle Fertigung
Preis, Sortiment
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
13
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Konstruktion Konstruktion Konstruktion des Bauteil folgt der Funktion:
Beanspruchungen sind in bezug auf Dimensionierung des
Bauteils als auch auf Gestalt (Form & Größe) zu berück-
sichtigen
Dimensionierung folgt in der Anfangsphase den grundlegenden Rechenwei-
sen der Ingenieurwissenschaften
Gestalt folgt der Wechselwirkung mit der Funktion:
Formgebung muß mechanischen, thermischen, chemischen Anforderungen
genügen (vgl. auch konstruktive Regeln)
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
14
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Technologie Technologie
Entscheidung für eine Technologie folgt hauptsächlich
folgenden Bewertungskriterien:
Herstellkosten:
bestimmte WS schließen günstige Fertigungstechno-
logien aus
endformnahe Formgebungsverfahren („Near-net-
shape-forming“)
Make-or-Buy-Entscheidung
Differential- vs. Integralbauweise
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
15
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Technologie Technologie
Herstellbarkeit:
Fertigungsverfahren besitzen Verfahrensgrenzen
Berücksichtigung von Fügetechnologien zur Einbin-
dung eines Bauteils in seine konstruktive Umgebung
Mikro- und Makrogeometrie:
Fein- und Grobgestalt schränken ebenfalls die Technologieauswahl ein
materialspezifische Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens
Fehlende Kenntnisse über Fertigungstechnologien führen häufig zum frühzeitigen Ausschluß von möglichen Werkstofflösungen!
Die Bearbeitung des Materials kann gravierende Veränderungen der Werkstoff- und somit Bauteileigenschaften bewirken!
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
16
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Einflußkriterien auf die Werkstoffauswahl:
Umfrage in Maschinenbauunternehmen (1997)
Kriterium weniger
wichtig wichtig
sehr
wichtig
Gebrauchseigenschaften
Kosten
Lebensdauer
Verarbeitbarkeit
Recyclingfähigkeit
Wirtschaftlichkeit
Normen/Qualität
Verfügbarkeit
Design
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
17
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Einflußkriterien auf die Werkstoffauswahl:
Wirtschaftlichkeit des Produkts ist neben mechanischen,
physikalischen, chemischen & technologischen Anforde-
rungen wichtiger Parameter
Herstellkosten:
Rohmaterialpreis (oder Halbzeugkosten)
Fertigungskosten
Qualitätskosten (z.B. Prüfaufwand)
weitere Aspekte:
Verfügbarkeit von Materialien, Gebrauchseigenschaften, sonstige Kosten
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
18
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Preis & Verfügbarkeit:
wichtige, oft vordringliche Faktoren bei der Auswahl von
Werkstoffen
Angebot & Nachfrage vs. börsennotierte Rohstoffe
Preis & Verfügbarkeit
kurzzeitige Preisschwankun-
gen haben in der Regel we-
nig mit tatsächlicher Ver-
knappung oder Häufigkeit ei-
nes Werkstoffes zu tun
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
19
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Werkstoffpreise - Überblick:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Holz, Beton, Baustahl
Metalle, Legierungen, Kunststoffe
Superlegierungen, moderne Verbundwerkstoffe
Edelmetalle usw.
Industriediamanten
lg Preis in € pro 1000 kg
Preis & Verfügbarkeit
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
20
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
relativer Preis pro Gewicht:
Preis & Verfügbarkeit
unlegierter Stahl = 100
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
21
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Preis & Verfügbarkeit
natürliche Häufigkeit
Erdkruste bis 40 km
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
22
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Preis & Verfügbarkeit
bekannte Lagerstätten, die unter
Verwendung heutiger Technolo-
gien zum heutigen Preis gewinn-
bringend abgebaut werden kön-
nen
Reserve
Reserve plus alle Lagerstätten,
die bei sorgfältiger Schürfung
verfügbar gemacht werden kön-
nen plus alle Lagerstätten, die
zukünftig von Interesse sein
könnten
Ressourcenbasis
regionale Vorkommen
Reserven/ Ressourcenbasis
Energie- aufwand
Abhängigkeit der Verfügbarkeit
MCKELVEY-Diagramm
Werkstoff GJ/
Tonne
Aluminium 280
Kunststoffe 85-180
Kupfer 140
Zink 68
Stahl 55
Erdöl 44
Kohle 29
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
23
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Bewältigung des zu erwartenden Rohstoffmangels:
werkstoffsparende Konstruktion:
z.B. Leichtbau, bionische Konstruktionen
Preis & Verfügbarkeit
Substitution:
z.B. bestimmte Eigenschaften wichtiger als bestimmter Werkstoff
Recycling:
z.B. Einsatz von „Sekundärmetallen“ (aus Recyclingprozessen)
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
24
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
Kenntnis der spezifi-zierbaren Eigenschaf-ten von Werkstoffen
Erstellung eines Anforderungsprofils
Attribut
z.B. Mikrogefüge-aufnahmen
Werteskala
z.B. Eignung für Fertigungsverfahren
Zahlenwerte
z.B. E-Modul, Zugfestigkeit
Klassifizierung von Werkstoffeigenschaften
quantitativ qualititativ attributiv
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
25
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
physikalische Eigenschaften
thermische Eigenschaften
spezifische Wärme
Wärmeausdehnung
Wärmeleitfähigkeit
Schmelzpunkt
Rekristallisations-temperatur
Umwandlungspunkte
elektrische Eigenschaften
Widerstand
Leitfähigkeit
Durchschlags-
festigkeit
magnetische Eigenschaften
Koerzitivkraft
Permeabilität
elastische Eigenschaften
E-Modul
Schubmodul
Querkontraktion
optische Eigenschaften
Farbe
Glanz
Transparenz
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
26
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
mechanische Eigenschaften
Festigkeit statische Festigkeit
Zugfestigkeit
Streck-/Dehngrenze
Biegebruchfestigkeit
Scherfestigkeit
Torsionsfestigkeit
dynamische Festigkeit Dauerfestigkeit
Zeitfestigkeit
Kriechfestigkeit
Zähigkeit Bruchdehnung
Brucheinschnürung
Kerbschlagzähigkeit
Bruchzähigkeit
Übergangs-
temperatur
Härte
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
27
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
technologische Eigenschaften
Gießbarkeit Heißrißanfälligkeit
Fließverhalten
Umformbarkeit Fließspannung
Formänderungs-
vermögen
Verfestigungs-
verhalten
Anisotropie
Zerspanbarkeit
Toleranzen
Formen
Oberflächen-qualitäten
Fügbarkeit Schweißeignung
Löteignung
Oberflächen-behandelbarkeit
Anodisierbarkeit
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
28
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
Gebrauchs-eigenschaften
Korrosions-beständigkeit
Flächenkorrosion
Lochkorrosion
Kontaktkorrosion
interkristalline
Korrosion
Verschleiß-beständigkeit
Recyclebarkeit
ästhetische Eigenschaften
Spannungsriß-
korrosion
Hochtemperatur-
korrosion
Oxidations-
beständigkeit
Berechenbarkeit
chemische Zu-sammensetzung
Isotropie/ Anisotropie
Sicherheit technisch
ökologisch
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
29
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften
Wirtschaft-lichkeit
Instandhaltungs-kosten
Gewährleistungs-kosten
Recyclingkosten
Materialkosten
Verfügbarkeit
Lieferzeit
Veredelungs-zeiträume
Fertigungskosten
Prüfaufwand
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
30
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Langzeitverhalten:
stabile Werkstoffkennwerte Zuverlässigkeit des Produkts über die
gesamte Lebensdauer
gleichbleibende Festigkeit zum Erhalt von Bauteilabmessungen (Kriech-
festigkeiten)
Unveränderlichkeit der Stoffeigenschaften unter korrosiven, thermi-
schen und mechanischen Mischbeanspruchungen
Werkstoffeigenschaften
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
31
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
ökonomische/ökologische Aspekte
Anforderungs-profil
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
32
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
Gebrauchseigenschaften
Eigenschaft wichtig für z.B. folgende Anwendung
Festigkeit fast alle Anwendungen
Zähigkeit Schweißkonstruktionen, Kryotechnik, schlagarti-
ge Belastungen
Elastizitätsmodul Federn, Membranen
Schwingfestigkeit alle bewegten Teile, z.B. Antriebswellen
Härte (Schneid-)Werkzeuge, Wälzlager
Verschleißverhalten Umformwerkzeuge
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
33
Eigenschaft wichtig für z.B. folgende Anwendung
Verschleißverhalten Umformwerkzeuge
Wärmeleitfähigkeit Wärmetauscher, Dämmstoffe
Dichte Leichtbau (Flugzeuge, Fahrzeuge)
Korrosionsverhalten Chemische Industrie, Lebensmittelindustrie,
Medizintechnik
Brennbarkeit Polymere, Isolations- und Konstruktions-
werkstoffe
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
Gebrauchseigenschaften
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
34
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
Verarbeitungs-/ Bearbeitungseigenschaften
Aufgabe Beispiel(e)
bei der Formgebung
Gießen
Zerspanen
Pressen, Sintern
Umformen
beim Fügen Schweißen, Löten
Kleben
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
35
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
Verarbeitungs-/ Bearbeitungseigenschaften
Aufgabe Beispiel(e)
beim Ändern der Stoffeigenschaften
Härten
Vergüten
Aushärten
Kaltverfestigen
beim Beschichten
PVD, CVD
Plattieren
Thermisches Spritzen
Galvanisieren
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
36
Reduzierung
von Aufwandskosten (Einkauf, Transport, Lagerhaltung usw.)
von nachgelagerten Kosten (Wartung, Reparatur, Recycling)
der Einkaufspreise für Material
Optimierung der ökologischen Gesamtbilanz: 80% der Umweltrelevanz ei-
nes Produktes werden bei der Konzeption festgelegt!
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
ökonomische/ökologische Aspekte
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
37
Aufgabe Beispiel(e)
Aufnahme und Übertragung von Kräften Zahnräder, Seile, Achsen
Urformen von Werkstücken Druckgußwerkzeuge, Preßwerkzeuge
Umformen von Halbzeugen Walzen, Schmiedegesenke
Aufbereitung von Stoffen Extruderschnecken, Siebe
Spanen und Abtragen von Stoffen Schleifscheiben, Fräser
Transport und Aufnahme von Medien Container, Tanks, Rohre, Förderbänder
Speichern und Umwandeln von Energie Federn, Wärmetauscher
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff typische Aufgaben von
Werkstoffen im Gebrauch
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
38
Konstruktions-aufgabe
Werkstoff
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
größtmögliche Über-einstimmung im Hin-blick auf Anforderun-
gen des gesamten Produktlebenszyklus
Werkstoffauswahl
Werkstoff Werkstoff
Anforderungsprofil
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
39
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff Welches Eigenschaftsprofil eines Werkstoffs ist für das Material-anforderungsprofil meines Bauteils am besten geeignet?
Fragestellung
Übersetzung von Produkt- in Materialanforderungen
Fragenkatalog zur Identifizierung von Materialanforderungen
Anforderungsanalyse mit Checkliste
Verknüpfung von Forderungen & Wünschen an das Werkstoff-
verhalten mit Materialkennwerten Eigenschaftsgrenzen (Ober-/ Untergrenzen) & Zielvorgaben
Übersetzung in Materialeigenschften
Materialanforderungsliste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
40
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)
Festigkeit Zugfestigkeit oder Streckgrenze (Elastizi-
tätsgrenze)
Festigkeit im Leichtbau Zugfestigkeit/Dichte oder Streckgrenze/
Dichte
Festigkeit bei erhöhten Temperaturen Warmfestigkeit(en)
Langzeitstabilität von Abmessungen Kriechfestigkeit bei Betriebstemperatur
Wärmeausdehnung thermischer Ausdehnungskoeffizient
Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte
Materialanforderungsliste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
41
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)
Steifigkeit Elastizitätsmodul
Dehnbarkeit/Duktilität Bruchdehnung
elastisches Formänderungsvermögen speicherbare elastische Energie an der
Streckgrenze (Resilienzmodul)
Zähigkeit gespeicherte Energie bei Bruch
Verschleißfestigkeit Materialverlust unter Verschleißbedingun-
gen; Härte
Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte
Materialanforderungsliste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
42
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)
Korrosionsfestigkeit Materialverlust unter korrosiven Bedingun-
gen
Fertigungseigenschaften prozeßbezogene Eignung für Fertigungspro-
zesse
Wirtschaftlichkeit und Kosten spezifische Materialkosten und Fertigungs-
kosten aufgrund der Bearbeitbarkeit
Verfügbarkeit Beschaffungszeit und Aufwand für die Be-
schaffung
Materialanforderungsliste
Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
43
Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil
Werkstoff Werkstoff
Die Materialanforderungsliste ist das abschließende Dokument der
Analyse der Aufgabenstellung.
Materialanforderungsliste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
44
Phase II – Vorauswahl geeigneter Werkstoffe
Ermittlung einschränkender Vorauswahl-kriterien gemäß Materialanforderungsliste (Eigenschaftsgrenzen, Zielwerte, Ausschluß-kriterien)
Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil (Hilfsmittel u.a. Werkstoffschaubilder)
Liste möglicher Materiallösungen
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
45
Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste
Materialien mit möglichst weitgehender Übereinstimmung zwischen Anforderungsprofil des gesuchten Werkstoffs und
Eigenschaftsprofilen von Konstruktionswerkstoffen
Vorauswahl
Gruppe möglicher Werkstofflösungen (max. 10), keine Werkstoffsorten, sondern
Suche nach Werkstoffamilien oder -untergruppen
X6CrNiMoTi 17-12-2 Innovation: kein Ausschluß
Substitution: meist Gruppe des bisher eingesetzten Werkstoffs
Alternative: möglicherweise Mit-glied der gleichen Werkstoffamilie
Entscheidungssituation
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
46
Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste
Metalle
Polymere
Keramiken/ Gläser
Verbund-werkstoffe
Halbleiter
Silikone
Natur-stoffe
Werkstoff-Hauptgruppen
üblicherweise kein Selektionskriterium
Einstufungen als Zahlenwerte
quantitative Selektion Abfrage von Daten-
banken
Kriterien für die Vorauswahl
quantitative Merkmale
qualititative Merkmale
attributive Merkmale
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
47
Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste
Metalle
Polymere
Keramiken/ Gläser
Verbund-werkstoffe
Halbleiter
Silikone
Natur-stoffe
Ausschlußkriterien
Ausschlußkriterien führen ohne Abhängigkeit von anderen Suchkriterien zu einer Einschränkung von Werkstofflösungen.
Beispiele:
Einsatztemperatur des Bauteils > 600 °C
Transparenz des Bauteils
Bruchzähigkeit > 10 MPa m1/2
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
48
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
Informationsbeschaffung für die Vorauswahl:
Werkzeuge:
Internet: Datenbanken
Literatur: Lehr- und Fachbücher
Informationsmittel mit hoher Aussagekraft
Cave: Das verwendete Informationsmedium muß Eigenschaftswerte einer Gruppe, Untergruppe oder Familie umfassend dokumentieren und damit stets
den neuesten Stand der Werkstoffentwicklungen abbilden!
Liste möglicher Materiallösungen
Werkstoffschaubilder
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
49
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
eindimensionale Schaubilder: Grenzbedingung für eine Ei-
genschaftsgröße als Aus-schlußkriterium
[z.B. λ > 100 W/(m K)]
Balkendiagramme
zweidimensionale Schaubil-der: Darstellung von zwei eingeschränkten Material-
eigenschaften (z.B. E-Modul und Dichte)
ASHBY-Diagramme
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
50
Balkendiagramme
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
Dic
hte
(lo
gari
thm
ische S
kala
!)
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
51
Konzept von M.F. ASHBY, University of Cambridge
Vorauswahl benötigt in der Regel mehr als nur eine Eigen-
schaft zur Entscheidung
Vergleich von Werkstoffeigenschaften :
zwischen verschiedenen Hauptgruppen bzw. innerhalb ei-
ner Hauptgruppe
zwischen verschiedenen Werkstoffamilien, z.T. innerhalb
einer Werkstoffamilie
engl.: materials property charts/ASHBY diagrams
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
52
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Darstellung der großen Spannbreite unter
Verwendung von logarithmischen Achsen
(sog. doppelt-logarithmische Auftragung)
Anordnung der Eigenschaftsprofile in
Clustern („Blasen“)
unübersichtlich, wenig vergleichend
Tabellen
graphische Auswahl-werkzeuge mit hoher
Aussagekraft
ASHBY-Diagramme
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
53
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
wichtige Materialgrößen:
Dichte Festigkeit Steifigkeit Bruchzähig- keit …
Strukturmechanik
thermische Ausdehnungs-koeffizienten …
Wärmetechnik
Dichte Festigkeit Steifigkeit …
Leichtbau
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
54
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Elastizitätsmodul E vs. Dichte 𝜚:
Hölzer & Polymere: geringe Steifigkeit
(aber: sehr niedrigere Dichte!)
Cave: Innerhalb der verschiedenen Me-
tallgruppen sind die Bandbreiten beim
E-Modul und der Dichte sehr schmal!
Ste
ifig
keit
Keramikwerkstoffe
Metalle
Verbundwerkstoffe
mechanische Werkstoffkennwerte „steif“ & „leicht“
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
55
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Elastizitätsmodul E vs. Festigkeit 𝜎f:
Festigkeit & Steifigkeit: wesentliche Aus-
wahlkriterien bei der Gestaltung struk-
turmechanischer Elemente
„Festigkeit“: Definition für unterschied-
liche Werkstoffgruppen verschieden
mechanische Werkstoffkennwerte
Metalle/Polymere Streck-/Dehngrenze
Elastomere Biegefestigkeit
Keramiken Zugreißfestigkeit
Verbundwerkstoffe Zugversagens-
spannung
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
56
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Festigkeit 𝜎f vs. Dichte 𝜚:
Keramiken: selten Einsatz als tragende
Werkstoffe trotz hoher Festigkeit & Stei-
figkeit wegen Bruchempfindlichkeit
gewisse Proportionalität zwischen Festig-
keit und Dichte
mechanische Werkstoffkennwerte „fest“ & „leicht“
Fest
igkeit
Keramikwerkstoffe
Metalle
Verbundwerkstoffe
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
57
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
spezifischer Elastizitätsmodul E/𝜚 vs. spezifische Festigkeit 𝜎f/𝜚:
Leichtbau: Verwendung „leichter“ Werk-
stoffe bestimmende Größen der Mate-
rialvorauswahl: Dichte, E-Modul & Festig-
keit
spezifische Größen: E-Modul bzw. Festig-
keit auf Dichte des Werkstoffs bezogen
höherfeste Leichtbauwerkstoffe:
Legierungen von Mg, Al & Ti
kohlefaserverstärkte Kunststoffe
(CFK)
mechanische Werkstoffkennwerte „steif“, „fest“ & „leicht“
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
58
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
mechanische Werkstoffkennwerte
dynamische Beanspruchung Bauteilversagen Dauerfestigkeit
Bruchzähigkeit
Rißzähigkeit
Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Riß-
ausbreitung (Toleranz gegenüber inneren Fehlstellen)
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
59
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
mechanische Werkstoffkennwerte
Bruchzähigkeit
Rißzähigkeit hohe Bruchzähigkeit
geringes Rißwachstum
(„Verbergung“ des Risses)
zähe Materialien
niedrige Bruchzähigkeit
kleiner Riß führt
schnell zu Versagen
spröde Materialien
Die Bruchzähigkeit ist ein wesentliches Auswahlkriterium
für strukturmechanische & sicherheitsrelevante Bauteile!
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
60
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Bruchzähigkeit K1c vs. Elastizitätsmodul E:
metallische Werkstoffe: Überlegenheit
bei hohen Lasten, geforderten hohen Stei-
figkeiten & hohem Sicherheitsbedürfnis
gegenüber Rissen
Polymere:
schlechtere Werte bzgl. Rißausbrei-
tung als zähe Metalle
FVK: hohe Festigkeit/E-Moduln, Fa-
sern hemmen Rißausbreitung
Einsatz in leichten, tragenden mecha-
nischen Strukturen
mechanische Werkstoffkennwerte
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
61
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme mechanische Werkstoffkennwerte
Bruchzähigkeit K1c vs. Elastizitätsgrenze 𝜎f :
Keramiken: Bruchzähigkeit ähnlich wie Po-
lymere, aber Einsatz in tragenden Bautei-
len nur in Sonderfällen
keine plastische Verformung gerin-
ge Energie zum Rißwachstum nötig
„Bruch vor Fließen“
Versagen ohne Vorwarnung!
„Ankündigung“ des Ausfalls durch plastisches Verformen
„Fließen vor Bruch“
Cave! Bruchzähigkeiten sind temperaturabhängig!
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
62
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
thermische Werkstoffkennwerte
maximale
Einsatztemperatur
Die maximale Einsatztemperatur ist eines der am stärksten
einschränkenden Kriterien bei der Materialauswahl!
quantitative Festlegung von produktspezifischen Eigenschaften,
die sich bei erhöhten Temperaturen nicht verändern dürfen
Festigkeit
Ausfall des Bauteils
Kriechen: unzulässige Längenveränderungen des Bauteils
Bruch: Beanspruchung über der Warmfestigkeit des Bauteils
Zersetzung/Erweichen des Materials (Kunststoffe)
erhöhte Reaktionsbereitschaft des Werkstoffs gegenüber um-
gebenden Medien (Korrosion/Oxidation/Verzunderung)
Veränderung anderer Werkstoffeigenschaften
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
63
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme
Festigkeit 𝜎f vs. maximale Einsatztemperatur Tmax:
techn. Keramiken: gute Festigkeiten bei
hohen Temperaturen („HT-Werkstoffe“)
nicht-techn. Keramiken: niedrigere Festig-
keiten, für mechanisch weniger bean-
spruchte Konstruktionen (therm. Apparate-
bau, z.B. Ofenauskleidungen…)
hochwarmfeste Superlegierungen von NE-
Metallen/hochschmelzende Metalle: z.B.
Antriebseinheiten von Luft- & Raumfahrt-
technik (Ni-/Co-Basislegierungen)
mechanische Werkstoffkennwerte
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
64
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
thermische Werkstoffkennwerte
thermisch bedingte
Ausdehnungen
thermisch induzierte
Spannungen
mögl. funktionelles
Versagen des Bauteils
thermischer Aus-
dehnungskoeffizient
E-Modul
verbindende Größe zwischen Verformung & Spannung
geeigneter Parameter für die Auswahl geeigneter
Werkstoffe im Hinblick auf Versagen durch thermische
Dehnung
hohe Spannungen bei kleinen Verformungen Gefahr durch Fließen, Brechen… große E-Moduln
stärkere Verformung bei gleicher Spannung verminderte Gefahr kleine E-Moduln
Bsp.: Kunststoffe sind trotz hoher Wärmedehnungen weniger bruchgefährdet als Metalle (nie-
drigere Ausdehnungskoeffizienten, aber höhere induzierte Wärmespannungen)
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
65
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
thermische Werkstoffkennwerte
Thermoschock-
beständigkeit
Temperaturänderung 𝛥Tkrit, die zum
Versagen (durch Riß o.ä.) des Bauteils führt
Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit
geringe Wärmedehnung geringe Wärmespan-
nung
thermischer Aus-dehnungskoeffizient 𝛼
Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen
Wärmeleitfähigkeit 𝜆
gegebene Wärme-dehnung geringere
Wärmespannung
Elastizitätsmodul E
Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen
Festigkeit 𝜎f bzw. Bruchzähigkeit K1C
…
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
66
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme thermische Werkstoffkennwerte
thermischer Ausdehnungskoeffizient 𝛼 vs. Elastizitätsmodul E:
Bsp. für Werkstoffe mit sehr hoher Tem-
peraturwechselbeständigkeit:
Glaskeramik: Ceran®
technische Keramik: Aluminiumtitanat
Eisen-Nickel-Legierung: INVAR®
Ausdehnungskoeffizient 𝛼
Elastizitätsmodul E
𝛼 ∙ E = min
hohe Thermoschockbeständigkeit
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
67
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte
Material-
anforderungen aus
Kostensicht
Exkurs
Berücksichtigung
wirtschaftlicher
Faktoren
Gewährleistung des
Produkterfolges am
Markt
Analyse der Lebenszykluskosten (life cycle cost)
Materialkosten Fertigungskosten Servicekosten (Wartung/Reparatur) Entsorgungskosten
Kosten, die im Laufe eines Produktlebens durch den Werkstoff verursacht werden
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
68
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Herstellkosten
Materialkosten Fertigungskosten
ca. 43% der Produktgesamtkosten
Einkauf, Rohmaterial, Halbzeug, Norm- & Kaufteile
einschl. Fertigungskosten usw. des Zu- lieferers
starker Einfluß der Fertigungseigen-schaften
unterschiedliche Eignung der Werkstoff-gruppen für Herstellverfahren
Variation durch Toleranzanspruch & Oberflächenqualität möglich
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
69
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Materialkosten
nach Sparten
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
70
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Materialkosten
nach Sparten
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
71
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Reduzierung werk-
stoffseitig beein-
flußter Kosten
Materialkosten wirtschaftliche Schwach-
stellen eines Produkts
Senkung der
Rohmaterialkosten
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
72
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Brutto-
volumen
V
Strategien
Kleinbau/
Leichtbau Sparbau
Reduzierung
des Abfalls
Kleinbau für strukturmechanische Anwendun-
gen durch Einsatz hochfester bzw.
hochsteifer Materialien
Bsp.: hochfeste Stähle weisen gerin-
gere Relativkosten auf als nieder-
feste
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
73
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Leichtbau Berücksichtigung neuester Werkstoffentwicklungen (z.B. Metall-
schäume)
Bauteilkonstruktionen in Integral- und Differentialbauweise; unkon-
ventionelle Strategien, z.B. Hybrid- oder Sandwichbauweise
neue Freiheiten/Einschränkungen bei der Materialauswahl
beanspruchungsgerechtes & fertigungsgerechtes Gestalten: sta-
tische Zug-Druck-Last (Beanspruchung über gesamten Querschnitt)
vor Biegelast (B. in den Randzonen)
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
74
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Sparbau wichtige Wahl des Fertigungsverfahrens
Bsp.: Schweiß-/Blechkonstruktionen oft günstiger als Gußkonstruk-
tionen
endformnahe („near-net-shape“) Herstellverfahren
Reduzierung
des Abfalls
endformnahe Fertigungsverfahren
drastische Reduzierung von Materialschrott
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
75
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Kosten
Volumen
KV
Strategien
Verwendung von
kostengünstigem Material
Oberflächen-
behandlungen
Verwendung von
kostengünstigem Material
Verwendung von anwendungsytypischen Werkstoffen/Massenwerk-
stoffen/Halbzeugen
große Mengen garantieren niedrigeren Einkaufspreis
Einsatz kostengünstiger Fertigungsverfahren
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
76
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen
ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs
Oberflächen-
behandlungen
Cave: Verwendung von oberflächenbehandelten Materialien Her-
stellkosten
Veredelung von sinnvollen, kostengünstigen Grundmaterialien
Zerspanung von „weichen“ Materialien möglich
Einsatz eines Korrosions-/Verschleißschutzes
Verzinken
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
77
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ökonomische Werkstoffkennwerte ASHBY-Diagramme
Elastizitätsmodul E/Festigkeit 𝜎f vs. volumenbez. Relativkostenfaktor :
ASHBY-Diagramme: Relativkosten auf Einheitsvolumen bezogen
abh. von Rohstoffpreis, Materialmenge, Lieferkosten, Verfügbarkeit usw.
Definition eines Basiswerkstoffes: unlegierter Rundstahl ( = 1) kei-
ne laufende Anpassungen der Schaubilder an Währungs-/Preisschwankun-
gen nötig
Suche nach Strukturwerkstoffen die bei geringer Verformung (hohe E-Mo-
duln) oder hoher Beanspruchung (hohe Festigkeit) niedrigste Bauteilkosten
realisieren!
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
78
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ASHBY-Diagramme ökonomische Werkstoffkennwerte
Elastizitätsmodul E/Festigkeit 𝜎f vs. volumenbez. Relativkostenfaktor kV:
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
79
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder
ökonomische Werkstoffkennwerte ASHBY-Diagramme
Dic
hte
ϱ K
oste
n K
keine absoluten Berechnungen möglich
keine Grenzbedingungen (z.B. BT-Kosten < 1000 €)
wechselseitige wirtschaft-liche Bewertung vorausge-wählter Materiallösungen
technische Keramiken
Titanlegierungen
faserverstärkte Kunst-stoffe (CFK, GFK)
Stähle
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
80
Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Liste möglicher Materiallösungen
Die Liste möglicher Materiallösungen ist das Ergebnis eines Suche, die anhand sinnvoller
Suchkriterien die große Anzahl der Konstruk-tionswerkstoffe auf die für den Anwendungs-
fall passenden Materialien eingrenzt.
Cave: Die Liste stellt keine Reihenfolge dar!
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
81
Phase III – Feinauswahl und Bewertung
Informationsbeschaffung zu Material-lösungen
Ermittlung von Bewertungskriterien
Bewertung in Bewertungsmatrix
Sammeln weiterführender Informationen & Feinauswahl
Festlegung auf Anzahl von Versuchs-werkstoffen
Liste der Versuchswerkstoffe
Rangliste der Materiallösungen
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
82
Beurteilungskriterien Bewertungsverfahren Gewichtung Materialindizes Einbeziehung des Ferti-gungsverfahrens
Bewertung der möglichen Materiallösungen mit einem
geeigneten Verfahren
Phase III – Feinauswahl und Bewertung
1. … 2. … 3. … …
evtl. verschärfte Eignungsprü-fung der Lösungskandidaten
Rangliste der Materiallösungen
Liste von Versuchswerkstoffen
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
83
Phase IV – Evaluierung &Validierung von Produkteigenschaften
Bewertung sowie Nachweis von Bauteil-anforderungen durch eigene Unter-suchungen
Diskussion der Entscheidungsvorlage unter Einbeziehung sachübergreifen-der Aspekte
Werkstoffentscheidung
Entscheidungsvorlage
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
84
Phase IV – Evaluierung &Validierung von Produkteigenschaften
Simulation des Betriebs-verhaltens durch Modell-bildung
Nachweis (Validierung) der Materialeignung durch Prüfung (Evaluierung) konkreter Bauteil-
und Produktanforderungen
Werkstoffentscheidung
Entscheidungsvorlage
WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014
85
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!