Meth. Werkstoffauswahl
Methodische Werkstoffauswahl Karteikarten
Methodische Werkstoffauswahl Karteikarten
Welche Auswahlproblematiken ergeben sich im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit von Materialien?
- Die Verschleißfestigkeit verknüpft sich immer mit einem anderen Werkstoff und den Betriebsbedingungen.
- Daher sind Werkstoffkennwerte nicht möglich.
- Die Verschleißfestigkeit ist i. d. R. im Versuch nachzuweisen.
- Erfahrung spielt bei der Auswahl eine große Rolle.
Welche Materialien weisen gegenüber dem Trockenlauf mit Stahl größte bzw. kleinste Reibwerte auf?
Nennen Sie daraus resultierende technische Anwendungen.
Werkstoffschaubild (Balkendiagramm): Reibwerte
- Größte Werte: Natürlicher und synthetischer Kautschuk bis etwa 4 -> Bremswirkung von Elastomerbelägen.
- kleinste Werte: PTFE um 0,04 Gleitlagertechnik.
Entnehmen Sie dem Werkstoffschaubild Festigkeit über Relativkostenfaktor die Faktoren kv * für die Werkstofffamilien
- glasfaserverstärkte und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
- Aluminiumoxid
- Kohlenstoffstähle
- nichtrostende Stähle
- Magnesium- und Titanlegierungen
- Polyethylen.
Werkstoffschaubild: Festigkeit / Relativkostenfaktor
- Polyethylen etwa 0,3
- Kohlenstoffstähle um die 1
- Mg-Leg. etwas über 2
- Aluminiumoxid etwa 2 bis 5
- Glasfaser verstärkte Kunststoffe: etwa 4 bis 9
- Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe etwa 20 bis 30
- Ti-Leg. etwa 20 bis 70
- Nichtrostende Stähle etwa 5 bis 20
Welche Designparameter ergeben sich aus der Analyse von Funktions- und Bedingungsgleichungen?
Erläutern Sie die unterschiedlichen Indizes.
Funktionsindex:
- Von den äußeren Lasten abhängige Größe.
- Je nach Beanspruchung (z. B. Lasthöhe, erforderlicher Wärmestrom im Bauteil, erforderliche Stromstärken) ergeben sich entsprechende Anforderungen an das Material.
Geometrieindex:
- Eine Größe, die durch die konstruktive Gestaltung des Bauteils festgelegt ist (Abmessungen, sich ergebende Flächen).
Materialindex:
- Eine rein von den Materialeigenschaften abhängige Größe, die aus dem funktionellen und konstruktiven Zusammenhang Werkstoffeigenschaften in das anwendungsspezifisch „korrekte“ Verhältnis setzt.
- Dadurch wird die Materialauswahl wesentlich stärker an den Anwendungsfall ausgerichtet (Suche nicht über die Werkstoffeigenschaften separat, sondern über den Materialindex).
Welchen Vorteil hat die Werkstoffsuche über Materialindizes gegenüber der Suche von Werkstoffeigenschaften?
- Die Materialauswahl wird wesentlich stärker an den Anwendungsfall ausgerichtet, da der Zusammenhang von Funktion und Konstruktion berücksichtigt wird.
Was ist das Arbeitsergebnis der Vorauswahl, wie entsteht es und was sollte es in jedem Fall beinhalten?
- Liste möglicher Materiallösungen
- Es entsteht durch Eingrenzung der Vorauswahlliste auf eine sinnvolle Anzahl an möglichen Werkstofflösungen. Beurteilungskriterien sind die Werkstoffeigenschaften und die Materialindizes. Eine Rangfolgenbildung sollte noch nicht stattfinden.
- Sie sollte in jedem Fall die Suchkriterien des Vorauswahlprozesses beinhalten.
Welchen Hauptaufgaben muss sich der Entwickler in Phase IV bei der Werkstoffauswahl zuwenden, um Sicherheit bezüglich des Einsatzes eines Bauteilwerkstoffs im Produkt zu erhalten?
- Bewertung sowie Nachweis von Bauteilanforderungen durch eigene Untersuchungen und das Erstellen einer Entscheidungsvorlage:
Produktanforderungen sind zu evaluieren und zu validieren.
- Diskussion der Entscheidungsvorlage unter Einbeziehung sachübergreifender Aspekte
Warum sind bereits grundlegende Ingenieurberechnungen zum Produktverhalten „Simulationen“?
- Grundlegende Ingenieurberechnungen stellen Produktverhalten modellhaft dar.
- Damit wird ein Voraussagen von Produktveralten möglich, was dem Simulationsgedanken entspricht.
Warum nehmen technische Modellbildungen bei komplexen Produkten einen hohen Stellenwert in der Produktentwicklung ein?
- Die Übersetzung komplexen Produktverhaltens in einfache berechenbare Modelle dient dem grundlegenden Verständnis und erleichtert die Weiterarbeit.
- Eine Plausibilitätsbetrachtung von Simulationen o. Ä. wird mit einfachen Modellen möglich.
Wie lassen sich moderne CAD-Systeme für die Entwicklung von Produkten nutzen?
- CAD-Systeme sind heute vielfach Mittelpunkt einer komplexen Entwicklungsumgebung, sodass nicht nur die Konstruktion an den Bildschirmen erfolgt, sondern über angeschlossene CAE-Systeme Simulationen möglich werden. Sie sind damit ein wesentliches Werkzeug der virtuellen Produktentwicklung.
- CAD-Systeme werden in PDM (oder EDM) Systeme eingebunden und dienen damit auch der Projektorganisation des Produktentstehungsprozesses.
Was ist im Hinblick auf das Material in FEM-Berechnungen korrekt zu definieren?
- Das Werkstoffverhalten muss korrekt modelliert werden (plastisch, elastisch, superplastisch etc.).
- Damit sind die hinterlegten Werkstoffmodelle bei den FEM-Programmen an das Materialverhalten anzupassen.
Was ist zu beachten, wenn unterschiedliche Werkstoffe in FEM-Systemen verglichen werden sollen?
- Beim Vergleich von unterschiedlichen Materialien eines Bauteils muss stets beachtet werden, dass Werkstoffe unterschiedliche Konstruktionsweisen erfordern.
- Ein metallisches Bauteil ist anders zu konstruieren als ein keramisches (materialabhängiges Gestalten).
Welches Ziel verfolgt DOE?
Wie hilft die statistische Versuchmethodik?
- „Design of Experiments“ (DOE) hat zum Ziel, die Zeit und Kosten aufwendige Versuche effizient zu gestalten.
- Über statistische Versuchsmethodik erhält man aus einer kleinen Zahl an Versuchen eine große Ausbeute an Ergebnissen.
Wie lassen sich Produkt- und damit Materialverhalten versuchstechnisch am besten absichern?
Was sind die daraus resultierenden Problematiken?
- Feldtests sind die am weitreichendsten Versuche, die ein Entwicklungsteam planen kann. Im Betrieb werden die Antworten auf „unbekanntes“ Produktverhalten gesucht.
- Der Aufwand für Feldtests ist groß. Sie verursachen hohe Kosten und verlängern die Zeit bis zum Markteintritt des Produkts. Des Weiteren werden Ressourcen wie Personal, Prüfplätze etc. gebunden.
Welche Zielsetzungen werden bei der Versuchsplanung unterschieden?
- Klassischen Methoden: Abhängigkeiten von Zielgrößen werden in der Regel durch quantitative Parameter untersucht.
- Methoden (z. B. nach Taguchi): Prozessergebnis oder Produktverhalten soll möglichst „robust“ gestaltet werden soll (geringe Abhängigkeit von Störgrößen).
- Methoden (z. B. nach Shainin): Identifikation von entscheidenden Störgrößen des Prozessergebnisses oder des Produktverhaltens.
Welche Möglichkeiten gibt es, um Prototypen herzustellen?
- Umbau von vorhandenen Produkten oder von Wettbewerbsprodukten auf das „neue Produkt“
- Fertigung des neuen Produkts als Prototyp (z. B. mittels Rapid Prototyping).
Welchen Vorteil bieten Prototypen?
- Beschleunigung des Entwicklungsprozesses und der Vermeidung einer verzögerten Markteinführung (Time to Market) des Produkt
Die folgenden nutzbringenden Aspekte gelten auch für die Materialauswahl:
- Verbesserung bei der Kostenbeurteilung eines neuen Produkts bzw. neuen Werkstoffs
- Verbesserung der Kommunikation und des Verständnisses des neuen Produkts bzw. Materials (Show and Tell-Modelle)
- die Möglichkeiten eines frühen Anlaufs von Zertifizierungs- und Normungsverfahren oder anderer Produktauflagen
- die frühzeitige Überprüfung notwendiger Recyclingmerkmale (z. B. Demontageversuche)
- Motivationsschub für die Beteiligten, da das Ziel greifbar vor Augen liegt.
Welche Arten von Prototypen werden unterschieden?
- Konzeptmodelle
- geometrische Prototypen
- Funktionsprototypen
- Technische Prototypen
Welchen Zweck verfolgt die Entscheidungsvorlage?
Welche Inhalte hat das Dokument?
- Sie schlägt ein Material für das Bauteil / Produkt vor und gibt dem Entscheider die notwendigen Informationen für die Werkstoffentscheidung.
- Die Entscheidungsvorlage fasst die Ergebnisse des Werkstoffauswahlprozesses zusammen und begründet die Entscheidung aus technischer, technologischer und wirtschaftlicher Sicht.
- Die noch vorhandenen Risiken der Entscheidung sind zu benennen und – wenn möglich – zu quantifizieren.
Welche Gründe entscheiden außer den in der Entscheidungsvorlage dargestellten Sachverhalten noch über einen Werkstoff mit?
- Subjektive Einschätzungen wie unternehmerische Risiken, Markttrends, Risikoentwicklungen beim Produkt etc.
Welche Motive können ein Unternehmen oder einen Entwickler dazu bewegen, einen Werkstoff zu ändern oder neue Materialien für Bauteile zu suchen?
- Die Marktgesetze erfordern z. B. die technische Verbesserung eines Produkts oder eine Herstellkostenreduzierung, um im Wettbewerb von Angebot und Nachfrage mitzuhalten.
- Neue Produkte werden konstruiert, um neue Märkte oder Kundenwünsche zu befriedigen.
- Qualitätsprobleme an bestehenden Produkten zwingen zu Produktänderungen.
- Normen, Vorschriften, gesetzliche Auflagen (oder auch ein sich änderndes Umweltverständnis) erfordern den Einsatz neuer Werkstoffe.
- Das Unternehmen entschließt sich aus wirtschaftlichen Gründen zu einer Standardisierung der eingesetzten Materialien.
Welcher Beweggrund kann bei Produkten, die bereits im Markt verfügbar sind, zu einem sehr hohen Handlungsdruck führen, eine rasche Werkstoffänderung herbeizuführen?
- Qualitätsprobleme
Nennen Sie ein Beispiel, bei der eine gesetzliche Vorgabe zu Materialänderungen geführt hat!
- Quecksilber in Batterien
- Altautoverordnung (Chrom)
- Asbest
Machen Sie den Unterschied des Gebrauchswerts und des Tauschwerts an einem Beispiel deutlich, bei dem Werkstoffe die entscheidende Rolle spielen.
- Uhr: Hoher Preis bei gleichem Gebrauchswert nicht durch die Funktion bestimmt, sondern von anderen Faktoren wie Image des Herstellers, Design …
- Andere Produkte, die in ähnlicher Weise als Beispiel anzuführen sind, sind meist Luxusprodukte, beispielsweise Küchengeräte mit besonderem Design, Büromittel wie Kugelschreiber oder Hefter, Fahrräder.
Welcher Faktor ist nach der Vorauswahl von Werkstoffen vorrangig für die Komplexität der anschließenden Entscheidungsfindung verantwortlich?
- Bekanntheitsgrad des Werkstoffs
Welche Entscheidungen in Bezug auf den Bekanntheitsgrad eines Materials differenzieren die Komplexität der Auswahlprozesse?
- Werkstoffneueinführung
- Werkstoffsubstitution
- Werkstoffalternative
Zu welchen Entscheidungsarten führt die Klassifizierung des Bekanntheitsgrads von Materialien?
- Werkstoffneueinführung
- Werkstoffsubstitution
- Werkstoffalternative
- die Beibehaltung einer Werkstofflösung
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffneueinführung im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Ein völlig neuer Werkstoff, eine Werkstoffneueinführung, erfordert, dass eine Vielzahl an Informationen über das Material einzuholen sind und der Werkstoff ausgiebig getestet werden muss, da sonst hohe Risiken für das Produkt bestehen.
- Teilweise müssen für den neuen Werkstoff grundlegende Untersuchungen erfolgen, da noch nicht alle Werkstoffeigenschaften bestimmt wurden.
- Für Simulationen sind notwendige Werkstoffdaten häufig unbekannt.
- Zuallerletzt ist anzumerken, dass für eine Werkstoffneueinführung die Organisation des Prozesses (Projektstruktur) entsprechend der hohen Risiken und entsprechend der Situation des völlig Neuen einzurichten ist.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen sind daher zur Risikoabsicherung mit größter Sorgfalt zu planen und Kosten, Ressourcen und Zeit („Time to Market“) für den Entwicklungsprozess „bereit“ zu stellen.
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffsubstitution im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Die Werkstoffsubstitution bedeutet, dass ein für das Unternehmen noch „unbekannter“ Werkstoff eingesetzt wird
- damit sind Folgen und Risiken für das Erzeugnis schwerer abschätzbar
- Auch hier muss die Prozessgestaltung diesen erhöhten Risiken Rechnung tragen, d. b., dass Versuche und Simulationen zum Nachweis geforderter Produkteigenschaften durchzuführen sind.
- Allerdings hat die Substitution gegenüber der Neueinführung den Vorteil, dass der Werkstoff in vielen z. B. auch Konkurrenzprodukten bereits eingesetzt ist, entsprechend Erfahrungen „extern“ vorliegen und Werkstoffdaten ohne Weiteres beschafft werden können.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen sind daher vom Umfang deutlich geringer als bei der Werkstoffneueinführung;
- die Risiken überschaubar;
- Zeit-, Kosten- und Ressourcenaufwand bleiben in einem „üblichen“ Rahmen.
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffalternative im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Die Alternative birgt für den Entwickler die geringsten Risiken
- und setzt voraus, dass alle relevanten Informationen über den Werkstoff im Unternehmen vorhanden sind.
- Bei einem gut entwickelten Know-how-Management lassen sich diese im günstigsten Fall über firmeneigene Informationssysteme abrufen.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen können daher rasch durchgeführt werden.
- „Time to Market“ wird bei dieser Entscheidungslage am kürzesten.
Wie unterscheidet sich die Werkstoffsubstitution von der -alternative?
- Das Material ist bei einer Werkstoffsubstitution für das Unternehmen unbekannt, bei der -alternative liegen bereits viele interne Informationen den Entwicklern vor
Welche weiteren Faktoren führen zu vielschichtigeren, umfangreicheren Werkstoffauswahlprozessen?
- Konstruktionsart
- Produktart
- Stückzahl
Welche drei Konstruktionsarten gibt es?
- Neukonstruktion
- Anpassungskonstruktion
- Variantenkonstruktion
Inwieweit beeinflusst die Produktart die Anforderungen an einen Bauteilwerkstoff?
Erläutern Sie dies an einem Beispiel!
- Eine Produktentwicklung muss sich gegebenenfalls unterschiedlichster Ingenieursdisziplinen bedienen (Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie …). Je mehr Problemstellungen bei einer Entwicklung zu berücksichtigen sind, umso komplexer wird auch eine Entwicklung verlaufen.
- Als Beispiele können mechatronische Systeme angeführt werden wie Luftfedersysteme, Bremsen für Pkw und Nkw, Prüfeinrichtungen mit elektrischer Messtechnik und elektronischen Auswertesystemen etc. Hier sind Produktanforderungen sowohl unter mechanischen, elektrischen und elektronischen Gesichtspunkten, aber auch im Hinblick auf die Software (Steuerung und Regelung etc.) festzuschreiben.
Erläutern Sie das erhöhte wirtschaftliche Risiko einer Werkstoffänderung bei Massenprodukten.
- Je größer die Stückzahlen, je höher ist das Risiko zu bewerten, welches eine Werkstoffänderung hervorbringt. Die Garantiekosten steigen bei Produktausfällen rasch zu hohen Summen an. Sie können in dem starken Wettbewerb eines Massengeschäfts nur schwer verkraftet werden.
- Der „worst case“ ist eine Rückrufaktion von Produkten, was im Massengeschäft zu massiven Gewinneinbrüchen führt.
- Zudem führt der (durch einen „Werkstofffehler“ hervorgerufene) Produktausfall im Markt zu einem Imageverlust, der selten nur kurzfristig kompensiert werden kann und durch einen Käuferverlust ebenfalls Ertragseinbußen zur Folge hat.
- Es ist daher von größter Bedeutung, im Massenprodukt ausentwickelte Werkstofflösungen zu verwenden, die nur noch ein sehr geringes Materialrisiko aufweisen.
Beschreiben Sie den Ablauf des allgemeinen Problemlösungszyklus!
- Nach Haberfellner
- Problem wird aufgrund irgendeines Anstoßes aktuell
-> Eine Situationsanalyse führt zu einer Zielformulierung (Welches Problem ist zu lösen?
-> Es werden Lösungen gesucht (Lösungssuche - Syntheseprozess).
-> Lösungen werden analysiert und anhand von Kriterien aus der Zielformulierung bewertet.
-> Die am besten beurteilte Lösung wird vorgeschlagen und zur Umsetzung empfohlen.
-> Eine Entscheidung wird getroffen
Welche vier Phasen werden beim Entwickeln und Konstruieren von Erzeugnissen nach der Vorgehensweise der VDI-Richtlinie 2221 durchlaufen?
- Situationsanalyse
- Konzeptphase oder Lösungsfindungsphase
- Entwurfsphase
- Ausarbeitungsphase
Welches richtungweisende Dokument der Entwicklung liegt nach der Klärung der Aufgabenstellung vor? Was beschreibt es?
- Anforderungsliste: Alle Wünsche und Forderungen an die Konstruktion bzw. das Produkt
Nennen Sie drei Werkzeuge der Lösungssuche (siehe Tab. 3-1). Beschreiben Sie diese (externe Recherche, z. B. im Internet über „http://de.wikipedia.org“ [Stand: 12. September 2006]!
- Brainstorming
- Brainwriting
- morphologische Analyse
Erläutern Sie die vier Phasen des Werkstoffauswahlprozesses!
1. Die Ermittlung der Materialanforderungen
- Genaue Analyse aller auf die Materialwahl einwirkenden Größen sowohl aus Sicht des Produkts als auch aus situativer Sicht (z. B. Notwendigkeit eines Materialwechsels).
- Klärung der materialspezifischen Aufgabenstellung
- Das Ergebnis ist eine Materialanforderungsliste, auf der die nachfolgende Suche nach Lösungen beruht.
2. Die Vorauswahl geeigneter Materialien
- Untersuchung der Materialanforderungsliste auf wesentliche Suchmerkmale, in der Regel quantitative Werkstoffeigenschaften
- Suche nach Materialien, deren Eigenschaftsprofil mit dem aus den Suchkriterien aufgebauten Anforderungsprofil übereinstimmen.
- Erstellung einer Liste möglicher Materiallösungen („unscharfe“ Lösungen)
3. Die Feinauswahl und Bewertung
- Werkstoffe werden auf die Eignung bezüglich noch nicht geprüfter Forderungen (und gegebenenfalls Wünsche) geprüft.
- Bewertungskriterien werden aus Suchkriterien und den Forderungen der Materialanforderungsliste gewonnen
- Gewichtungsfaktoren für die unterschiedliche Bedeutung von Anforderungen
- Daraus wird eine feinere Bewertung der Materialkandidaten möglich.
- Über eine Bewertungsmatrix wird eine Rangliste der Eignung erstellt, die eine weiterereduzierte Zahl an Materiallösungen ausweist.
- Vertiefte Informationsbeschaffung zu diesen Werkstoffen und Ausscheiden von Lösungen, die den Ansprüchen nicht genügen (Feinauswahlprozess)
- Einer Liste der Versuchswerkstoffe fasst das Ergebnis der Phase 3 zusammen.
4. Das Evaluierung und Validierung von Produkteigenschaften mit der Entscheidungsfindung
- in der Regel Beschränkung auf wenige Werkstoffe
- Durch unterschiedliche Produktentwicklungswerkzeuge wird das Material darauf überprüft, ob sein produktspezifisches Verhalten die Forderungen und Wünsche der Produktanforderungsliste erfüllt.
- Die aus den Tests und der erweiteren Informationsbeschaffung gewonnenen Erkenntnisse sind Bestandteil der Entscheidungsvorlage.
- Anhand der Entscheidungsvorlage wird unter Einbeziehung sachübergreifender Aspekte eine Material-Entscheidung getroffen.
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Lernkarten
Welche Motive können ein Unternehmen oder einen Entwickler dazu bewegen, einen Werkstoff zu ändern oder neue Materialien für Bauteile zu suchen?
- Die Marktgesetze erfordern z. B. die technische Verbesserung eines Produkts oder eine Herstellkostenreduzierung, um im Wettbewerb von Angebot und Nachfrage mitzuhalten.
- Neue Produkte werden konstruiert, um neue Märkte oder Kundenwünsche zu befriedigen.
- Qualitätsprobleme an bestehenden Produkten zwingen zu Produktänderungen.
- Normen, Vorschriften, gesetzliche Auflagen (oder auch ein sich änderndes Umweltverständnis) erfordern den Einsatz neuer Werkstoffe.
- Das Unternehmen entschließt sich aus wirtschaftlichen Gründen zu einer Standardisierung der eingesetzten Materialien.
Welcher Beweggrund kann bei Produkten, die bereits im Markt verfügbar sind, zu einem sehr hohen Handlungsdruck führen, eine rasche Werkstoffänderung herbeizuführen?
- Qualitätsprobleme
Nennen Sie ein Beispiel, bei der eine gesetzliche Vorgabe zu Materialänderungen geführt hat!
- Quecksilber in Batterien
- Altautoverordnung (Chrom)
- Asbest
Machen Sie den Unterschied des Gebrauchswerts und des Tauschwerts an einem Beispiel deutlich, bei dem Werkstoffe die entscheidende Rolle spielen.
- Uhr: Hoher Preis bei gleichem Gebrauchswert nicht durch die Funktion bestimmt, sondern von anderen Faktoren wie Image des Herstellers, Design …
- Andere Produkte, die in ähnlicher Weise als Beispiel anzuführen sind, sind meist Luxusprodukte, beispielsweise Küchengeräte mit besonderem Design, Büromittel wie Kugelschreiber oder Hefter, Fahrräder.
Welcher Faktor ist nach der Vorauswahl von Werkstoffen vorrangig für die Komplexität der anschließenden Entscheidungsfindung verantwortlich?
- Bekanntheitsgrad des Werkstoffs
Welche Entscheidungen in Bezug auf den Bekanntheitsgrad eines Materials differenzieren die Komplexität der Auswahlprozesse?
- Werkstoffneueinführung
- Werkstoffsubstitution
- Werkstoffalternative
Zu welchen Entscheidungsarten führt die Klassifizierung des Bekanntheitsgrads von Materialien?
- Werkstoffneueinführung
- Werkstoffsubstitution
- Werkstoffalternative
- die Beibehaltung einer Werkstofflösung
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffneueinführung im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Ein völlig neuer Werkstoff, eine Werkstoffneueinführung, erfordert, dass eine Vielzahl an Informationen über das Material einzuholen sind und der Werkstoff ausgiebig getestet werden muss, da sonst hohe Risiken für das Produkt bestehen.
- Teilweise müssen für den neuen Werkstoff grundlegende Untersuchungen erfolgen, da noch nicht alle Werkstoffeigenschaften bestimmt wurden.
- Für Simulationen sind notwendige Werkstoffdaten häufig unbekannt.
- Zuallerletzt ist anzumerken, dass für eine Werkstoffneueinführung die Organisation des Prozesses (Projektstruktur) entsprechend der hohen Risiken und entsprechend der Situation des völlig Neuen einzurichten ist.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen sind daher zur Risikoabsicherung mit größter Sorgfalt zu planen und Kosten, Ressourcen und Zeit („Time to Market“) für den Entwicklungsprozess „bereit“ zu stellen.
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffsubstitution im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Die Werkstoffsubstitution bedeutet, dass ein für das Unternehmen noch „unbekannter“ Werkstoff eingesetzt wird
- damit sind Folgen und Risiken für das Erzeugnis schwerer abschätzbar
- Auch hier muss die Prozessgestaltung diesen erhöhten Risiken Rechnung tragen, d. b., dass Versuche und Simulationen zum Nachweis geforderter Produkteigenschaften durchzuführen sind.
- Allerdings hat die Substitution gegenüber der Neueinführung den Vorteil, dass der Werkstoff in vielen z. B. auch Konkurrenzprodukten bereits eingesetzt ist, entsprechend Erfahrungen „extern“ vorliegen und Werkstoffdaten ohne Weiteres beschafft werden können.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen sind daher vom Umfang deutlich geringer als bei der Werkstoffneueinführung;
- die Risiken überschaubar;
- Zeit-, Kosten- und Ressourcenaufwand bleiben in einem „üblichen“ Rahmen.
Erläutern Sie den Begriff Werkstoffalternative im Hinblick auf den Umfang der notwendigen Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen von Produkten.
- Die Alternative birgt für den Entwickler die geringsten Risiken
- und setzt voraus, dass alle relevanten Informationen über den Werkstoff im Unternehmen vorhanden sind.
- Bei einem gut entwickelten Know-how-Management lassen sich diese im günstigsten Fall über firmeneigene Informationssysteme abrufen.
- Die Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen können daher rasch durchgeführt werden.
- „Time to Market“ wird bei dieser Entscheidungslage am kürzesten.
Wie unterscheidet sich die Werkstoffsubstitution von der -alternative?
- Das Material ist bei einer Werkstoffsubstitution für das Unternehmen unbekannt, bei der -alternative liegen bereits viele interne Informationen den Entwicklern vor
Welche weiteren Faktoren führen zu vielschichtigeren, umfangreicheren Werkstoffauswahlprozessen?
- Konstruktionsart
- Produktart
- Stückzahl
Welche drei Konstruktionsarten gibt es?
- Neukonstruktion
- Anpassungskonstruktion
- Variantenkonstruktion
Inwieweit beeinflusst die Produktart die Anforderungen an einen Bauteilwerkstoff?
Erläutern Sie dies an einem Beispiel!
- Eine Produktentwicklung muss sich gegebenenfalls unterschiedlichster Ingenieursdisziplinen bedienen (Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie …). Je mehr Problemstellungen bei einer Entwicklung zu berücksichtigen sind, umso komplexer wird auch eine Entwicklung verlaufen.
- Als Beispiele können mechatronische Systeme angeführt werden wie Luftfedersysteme, Bremsen für Pkw und Nkw, Prüfeinrichtungen mit elektrischer Messtechnik und elektronischen Auswertesystemen etc. Hier sind Produktanforderungen sowohl unter mechanischen, elektrischen und elektronischen Gesichtspunkten, aber auch im Hinblick auf die Software (Steuerung und Regelung etc.) festzuschreiben.
Erläutern Sie das erhöhte wirtschaftliche Risiko einer Werkstoffänderung bei Massenprodukten.
- Je größer die Stückzahlen, je höher ist das Risiko zu bewerten, welches eine Werkstoffänderung hervorbringt. Die Garantiekosten steigen bei Produktausfällen rasch zu hohen Summen an. Sie können in dem starken Wettbewerb eines Massengeschäfts nur schwer verkraftet werden.
- Der „worst case“ ist eine Rückrufaktion von Produkten, was im Massengeschäft zu massiven Gewinneinbrüchen führt.
- Zudem führt der (durch einen „Werkstofffehler“ hervorgerufene) Produktausfall im Markt zu einem Imageverlust, der selten nur kurzfristig kompensiert werden kann und durch einen Käuferverlust ebenfalls Ertragseinbußen zur Folge hat.
- Es ist daher von größter Bedeutung, im Massenprodukt ausentwickelte Werkstofflösungen zu verwenden, die nur noch ein sehr geringes Materialrisiko aufweisen.
Beschreiben Sie den Ablauf des allgemeinen Problemlösungszyklus!
- Nach Haberfellner
- Problem wird aufgrund irgendeines Anstoßes aktuell
-> Eine Situationsanalyse führt zu einer Zielformulierung (Welches Problem ist zu lösen?
-> Es werden Lösungen gesucht (Lösungssuche - Syntheseprozess).
-> Lösungen werden analysiert und anhand von Kriterien aus der Zielformulierung bewertet.
-> Die am besten beurteilte Lösung wird vorgeschlagen und zur Umsetzung empfohlen.
-> Eine Entscheidung wird getroffen
Welche vier Phasen werden beim Entwickeln und Konstruieren von Erzeugnissen nach der Vorgehensweise der VDI-Richtlinie 2221 durchlaufen?
- Situationsanalyse
- Konzeptphase oder Lösungsfindungsphase
- Entwurfsphase
- Ausarbeitungsphase
Welches richtungweisende Dokument der Entwicklung liegt nach der Klärung der Aufgabenstellung vor? Was beschreibt es?
- Anforderungsliste: Alle Wünsche und Forderungen an die Konstruktion bzw. das Produkt
Nennen Sie drei Werkzeuge der Lösungssuche (siehe Tab. 3-1). Beschreiben Sie diese (externe Recherche, z. B. im Internet über „http://de.wikipedia.org“ [Stand: 12. September 2006]!
- Brainstorming
- Brainwriting
- morphologische Analyse
Erläutern Sie die vier Phasen des Werkstoffauswahlprozesses!
1. Die Ermittlung der Materialanforderungen
- Genaue Analyse aller auf die Materialwahl einwirkenden Größen sowohl aus Sicht des Produkts als auch aus situativer Sicht (z. B. Notwendigkeit eines Materialwechsels).
- Klärung der materialspezifischen Aufgabenstellung
- Das Ergebnis ist eine Materialanforderungsliste, auf der die nachfolgende Suche nach Lösungen beruht.
2. Die Vorauswahl geeigneter Materialien
- Untersuchung der Materialanforderungsliste auf wesentliche Suchmerkmale, in der Regel quantitative Werkstoffeigenschaften
- Suche nach Materialien, deren Eigenschaftsprofil mit dem aus den Suchkriterien aufgebauten Anforderungsprofil übereinstimmen.
- Erstellung einer Liste möglicher Materiallösungen („unscharfe“ Lösungen)
3. Die Feinauswahl und Bewertung
- Werkstoffe werden auf die Eignung bezüglich noch nicht geprüfter Forderungen (und gegebenenfalls Wünsche) geprüft.
- Bewertungskriterien werden aus Suchkriterien und den Forderungen der Materialanforderungsliste gewonnen
- Gewichtungsfaktoren für die unterschiedliche Bedeutung von Anforderungen
- Daraus wird eine feinere Bewertung der Materialkandidaten möglich.
- Über eine Bewertungsmatrix wird eine Rangliste der Eignung erstellt, die eine weiterereduzierte Zahl an Materiallösungen ausweist.
- Vertiefte Informationsbeschaffung zu diesen Werkstoffen und Ausscheiden von Lösungen, die den Ansprüchen nicht genügen (Feinauswahlprozess)
- Einer Liste der Versuchswerkstoffe fasst das Ergebnis der Phase 3 zusammen.
4. Das Evaluierung und Validierung von Produkteigenschaften mit der Entscheidungsfindung
- in der Regel Beschränkung auf wenige Werkstoffe
- Durch unterschiedliche Produktentwicklungswerkzeuge wird das Material darauf überprüft, ob sein produktspezifisches Verhalten die Forderungen und Wünsche der Produktanforderungsliste erfüllt.
- Die aus den Tests und der erweiteren Informationsbeschaffung gewonnenen Erkenntnisse sind Bestandteil der Entscheidungsvorlage.
- Anhand der Entscheidungsvorlage wird unter Einbeziehung sachübergreifender Aspekte eine Material-Entscheidung getroffen.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Produkt- und Materialanforderungsliste?
- Die Produktanforderungsliste (oder Bauteilanforderungsliste) ist das Dokument, aus denen im Wesentlichen die Materialanforderungen abgeleitet werden.
- Dazu sind die Forderungen und Wünsche auf materialspezifische Zusammenhänge zu untersuchen und diese in die dafür maßgeblichen Materialeigenschaften zu übersetzen.
- Ober-, Untergrenzen und Zielwerte ergeben sich aus grundlegenden Ingenieurbeziehungen, die das Produktverhalten modellieren.
- Alle Anforderungen an den gesuchten Werkstoff werden letztlich in der Materialanforderungsliste zusammengefasst.
Was sind Materialcluster? Nennen Sie drei Beispiele!
- Materialcluster bilden Werkstoffe, die in Materialeigenschaften ähnlich sind und dementsprechend bei der Vorauswahl von Werkstoffen zunächst grob als gleichwertig betrachtet werden können.
- Beispiele sind (unter Hunderten)
- Polyurethane
- Magnesiumlegierungen
- niedrig legierten Stähle
- Glasfaser verstärkten Kunststoffe
- Natron-Kalk-Gläser.
Wie ist mit den aus einer Vorauswahl hervorgegangenen Lösungen im nächsten Arbeitsschritt zu verfahren?
- Die Materialanforderungen der Konstruktionsaufgabe werden von den in der Vorauswahl ermittelten Werkstoffen nur sehr „unscharf“ erfüllt.
- Die Vorauswahl hat insbesondere noch nicht alle Anforderungen (und Wünsche) miteinbezogen, sodass nun weitere Kriterien des Anforderungsprofils zur Beurteilung untersucht werden müssen.
- Nach einer Informationsbeschaffung zu diesen neuen Materialeigenschaften kann die Bewertung der Lösungskandidaten erfolgen.
- Die Bewertungskriterien werden von der Materialanforderungsliste abgeleitet.
- Gewichtungsfaktoren werden gegebenenfalls zur Einstufung der Bedeutung von Anforderungen verwendet.
- In einer Bewertungsmatrix wird letztlich mit oder ohne Gewichtung eine Rangliste der Materiallösungen erstellt.
Aus welchen Gründen kann eine Evaluierung und Validierung von Produkteigenschaften nur mit einer geringen Anzahl an Werkstoffen erfolgen?
- Aus Kosten- (kostenintensive Versuche und Simulationen)
- und Zeitgründen (Time to Market)
- sowie unter Betrachtung der zur Verfügung stehenden Ressourcen (Versuchplätze, Personal etc.).
Was wird unter der Top-Down-Methode in Bezug auf die Materialsuche verstanden?
- Unter der Top-Down-Methode in Bezug auf die Materialsuche wird verstanden, dass im Startpunkt der Suche von allen im Markt verfügbaren Werkstoffe ausgegangen wird.
- Über Suchkriterien, Beurteilungskriterien, Gewichtung von Anforderungen werden letztlich über den Weg der Materialcluster die Werkstoffsorten identifiziert, deren Eigenschaftsprofile sich am besten mit dem Anforderungsprofil decken.
Geben Sie die Möglichkeiten einer sehr schnellen „standardisierten“ Werkstoffsuche an!
Wo liegen die Vorteile, wo die Nachteile dieser Verfahrensweisen?
- die Anwendung von branchen- und werksbezogenen Standards und die Verwendung von Arbeits- und Leitblättern
- Vorteil: Beschleunigter Konstruktionsprozess durch schnelle Materialwahl, geringere Evaluierungs- und Validierungsmaßnahmen, Verfügbarkeit der Materialien und auch ihre Wirtschaftlichkeit gewährleistet, definierte Vorgehensweisen
- Nachteil: Ausschluss innovativer Lösungen durch Vorgaben
Welchen drei (allgemeinen) Aspekten können die Stärken einer systematischen Werkstoffauswahl zugeordnet werden? Nennen Sie zu jedem Aspekt ein Beispiel!
1. Wirtschaftliche Aspekte
- Optimierungen von Einzelteilen hinsichtlich der am häufigsten relevanten Faktoren Materialkosten und Herstellkosten
- Reduzierung von Aufwandskosten (Einkauf, Transport, Lagerhaltung, Montage, Qualitätssicherung), z. B. durch Standardisierung von Werkstoffen
- Reduzierung von nachgelagerten Kosten, wie Recycling-, Wartungs- oder Reparaturkosten
- Reduzierung der Einkaufspreise für Materialien (Rohstoffe, Halbzeuge etc.) durch Mengensteuerung
2. Technische Aspekte
- Optimierung von Einzelteilen hinsichtlich der häufig relevanten Zielgrößen Gewicht und Volumen (Leichtbau!)
- Erhöhung der Zuverlässigkeit von Bauteilen
- Optimierung der Produktions- und Qualitätstechnik
- Standardisierung von Werkstoffen und die damit verbundene Komplexitätsreduzierung (Lagerhaltung, Ersatzteil- usw.)
3. Immaterielle Aspekte
- Know-how-Erwerb durch Beschäftigung mit neuen oder in Entwicklung befindlichen Werkstoffen
- gezielte Ausschöpfen der Entwicklungsprozesse von Rohstofflieferanten
- Optimierung der ökologischen Gesamtbilanz.
Welche Schwächen führen bei Methoden im Allgemeinen (mindestens eine Nennung) und bei einer systematischen Werkstoffauswahl im Speziellen (mindestens zwei Nennungen) zu Vorbehalten bei Entwicklern?
1. Methoden im Allgemeinen
- erhöhte Arbeitsbelastung, „Papierkram“
2. Systematische Werkstoffauswahl
- Eine höhere Arbeitsbelastung, die vor allem bei der Beschäftigung mit neuen Werkstoffen und deren Fertigungsmöglichkeiten anfällt.
- Eine erhöhte Komplexität des Gesamtprozesses, da ein Teilprozess „Werkstoffneuwahl“ eine Zusammenarbeit vieler Abteilungen erfolgen muss und das Produktverhalten durch eine Vielzahl von Aktivitäten zu überprüfen ist.
- Der erhöhte Konstruktionsaufwand und die damit verbundenen höheren Konstruktionskosten, wenn bei geänderten Werkstoffen eine werkstoff- und fertigungsgerechte Neugestaltung von Bauteilen erfolgen muss.
- Ein erhöhter Versuchsaufwand (Evaluierung und Validierung von Bauteileigenschaften) zu erwarten ist.
- Unerwünschte oder unerwartete Zielkonflikte bei der Optimierung durch die Auswahl neuer Werkstoffe entstehen, z. B. eine Werkstoffinnovation eine neue Marketingsituation oder eine neue Positionierung des Produkts im Markt ermöglicht.
- Eine verbleibende Subjektivität im methodischen Handeln nie vollständig ausgeschlossen werden kann (z. B. aufgrund Meinung machender Beratungsgespräche mit verkaufsorientierten Werkstofflieferanten).
Was versteht man unter einer Schwerpunktbildung im Produktentwicklungs- bzw. Materialauswahlprozess?
- Eine Produktentwicklung kann hinsichtlich der dominierenden Aspekte (Kosten, Funktion, Gewicht) nicht auf alle Komponenten des Produkts angewendet werden.
- Es sind die Komponenten zu ermitteln, die die wesentlichen Beiträge zu den Aspekten stellen, z. B. die teuerste Komponente oder die Komponente, die die größte Zuverlässigkeit erhalten muss.
- Die Konzentration auf diese Schwerpunkte schont die Ressourcen des Unternehmens und spart Kosten wie Zeit.
Welche grundlegenden Wechselwirkungen sind bei der Auswahl eines Werkstoffs zu beachten?
- Wechselwirkung zwischen Konstruktion (Gestalt, Form, Größe, Funktion, Beanspruchung)
- Technologie und Material
Erläutern Sie an drei Beispielen, inwieweit die Frage der Bauteilherstellung (Technologiewahl) die Materialwahl mitbestimmt!
- Schweißkonstruktion -> schweißbare Werkstoffe
- Planung eines Teils als Spritzgussteil -> Spritzbare, gießbare Werkstoffe
- Geschmiedete Teile -> Umformbarkeit der Werkstoffe
Nennen Sie drei Beispiele, bei denen die Gestaltung einer Konstruktion Einflüsse auf die Werkstoffwahl besitzt!
- Kerbwirkung unvermeidbar -> spröde Werkstoffe vermeiden / KIC-Wert beachten
- keine Gusswerkstoffe, wenn Ausformschrägen nicht möglich
- Bleche, Umformbarkeit der Werkstoffe
- Sammelstellen von korrosivem Medium -> Korrosionsbeständigkeit von WS
Nennen Sie drei Fertigungsverfahren von Bauteilen, die bei höchsten Qualitätsanforderungen an Oberfläche und Toleranzen als Endfertigungsstufe für Bauteile ausgeschlossen werden können!
- Gesenkschmieden
- Sandguss
- Walzen
Welche Vorteile bieten endformnahe Fertigungsverfahren in Bezug auf die Herstellkosten? Nennen Sie drei Beispiele für diese Herstellweisen!
- Abfall reduziert
- Zahl der Fertigungsschritte reduziert -> mögliche Senkung der Herstellkosten
- z. B. Präzisionsschmieden
- Fließpressen
- Feinguss (Wachsausschmelzverfahren)
- Metal Injection Molding
- Sintern
- Rapid Manufacturing-Methoden
Wie unterscheidet sich eine Differenzialbauweise von einer Integralbauweise eines Bauteils?
Welche Auswirkungen hat dies auf die gesuchten Werkstoffe?
- Integralbauweise: Massivteil aus einem Stück
- Differenzialbauweise: Zusammengesetzt aus mehreren Einzelkomponenten.
- Für die Integralbauweise muss Gestalt und Größe eine Herstellweise als Massivteil erlauben. Es ist nur ein Werkstoff zu wählen, welcher mit dem Fertigungsverfahren zu verarbeiten ist.
- Für die Differenzialbauweise sind Fügetechniken zu wählen, die unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbinden können. Die gewählten Materialien müssen für das Fügen mit diesen Fügetechniken geeignet sein. Die Differenzialbauweise erlaubt des Weiteren, dass Funktionsflächen mit am besten geeigneten Materialien ausgerüstet werden und so entsprechend Materialkosten „funktionsoptimiert“ entstehen. Demgegenüber steht die größere Zahl der Fertigungsschritte!
Welche Aspekte sind bei der Werkstoffwahl im Hinblick auf die Herstellbarkeit eines Bauteils zu beachten?
- Verfahrensgrenzen, z. B. Größe, Gewicht eines Bauteils
- Werkstoffeigenschaften definieren Verfahrensgrenzen, z. B. Umformbarkeit für zähe Werkstoffe mit deutlich größeren Umformkräften, Gießbarkeit wird von der Wärmeabfuhr und dem damit verbundenen Erstarrungsverhalten bestimmt, ebenso Schweißbarkeit
Nennen Sie zwei Beispiele von Herstellweisen, bei der Einschränkungen in der Formgebung eines Bauteils erfolgen! Benennen Sie diese Einschränkungen. Welche Fertigungsverfahren bieten höchste Freiheiten in der Gestaltung?
- Fügetechnik bestimmt Werkstoffe mit.
- Bauteileigenschaften von Materialeigenschaften mitbestimmt; Materialeigenschaften dürfen sich nur „in bekannter Weise“ durch die Herstellung verändern.
- Fräsen: ebene Oberfläche
- Drehen: rotationssymmetrische Oberflächen
- Walzen: keine Formgebung in Walzrichtung möglich.
- Gießverfahren bieten höchste Freiheiten in der Formgebung
Wie werden die Herstellkosten durch ein Material außerhalb der Rohmaterialkosten noch beeinflusst? Nennen Sie Beispiele!
- Durch die Fertigungskosten, die von Eigenschaften wie Automatisierbarkeit, Zerspanbarkeit, Umformbarkeit wesentlich beeinflusst werden. Z. B. verlängern sich Fertigungszeiten bei zähen Werkstoffen aufgrund der Spanbildung bzw. der hohen Zerspankräfte.
- Durch die Qualitätskosten, z. B. durch erhöhte Kosten bei der Prüfung von Faserverbunden
Welche Kosten sind außerhalb der Herstellkosten über den Verlauf eines Produktlebens im Hinblick auf die Materialwahl zu beachten (mit Beispiel)?
- Recycling, Wartung (Prüfung im Betrieb), Reparatur, Prüfung im Betrieb
- Entsorgung umweltgefährdender Materialien
- Wartung, Reparatur von faserverstärkten Verbundwerkstoffen
In welche fünf Gruppen lassen sich Werkstoffeigenschaften eingruppieren?
Welches Materialverhalten ist über die Eigenschaftsgröße hinaus für eine Konstruktion von entscheidender Bedeutung im Hinblick auf die Zuverlässigkeit?
- Physikalische, mechanische, technologische, wirtschaftliche Eigenschaften, Gebrauchseigenschaften
- Langzeitverhalten
