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
Welcher Art sind die Werkstoffeigenschaften „Schweißbarkeit“, „thermischer Ausdehnungskoeffizient“ und „metallisch glänzend“?
Welche Art von Eigenschaften ist für Vorauswahlprozesse am besten geeignet und warum?
- Schweißbarkeit“ -> qualitativ
- Zugfestigkeit -> quantitativ
- metallisch glänzend -> attributiv
- Quantitative Merkmale sind aufgrund ihrer Vergleichbarkeit am besten geeignet.
Was ist das „Eigenschaftsprofil“ eines Materials?
Was ist unter dem Anforderungsprofil bei der Materialsuche zu verstehen?
- die Gesamtheit aller Werkstoffeigenschaften (quantitativ, qualitativ und attributiv)
- die Summe aller notwendigen Materialeigenschaften zur zuverlässigen Erfüllung einer Bauteilfunktion über das Produktleben, i. A. produktrelevante Materialeigenschaften
Auf welche „einfache“ Fragestellung reduziert sich das Vorgehen einer Materialsuche?
- Welches Eigenschaftsprofil eines Werkstoffs ist für das Materialanforderungsprofil meines Bauteils am besten geeignet?
Welchen Vorteil bietet eine Checkliste bei der Analyse der Materialanforderungen für ein Bauteil?
Warum gibt es keine einheitliche Checkliste zur Identifizierung materialspezifischer Produktanforderungen für alle gestellten Konstruktionsaufgaben (Beispiel nennen)?
- systematischer Weg zu Forderungen und Wünschen an das Material (Nachvollziehbarkeit)
- Es erinnert an alle wesentlichen Aspekte, für die Materialanforderungen und –wünsche auftreten können.
- Produkte sind anwendungsspezifisch sehr verschieden und besetzen daher häufig „Nischeneigenschaften“ von Materialien, z. B. radioaktive Umgebung, Einsatz in Vakuum (keine leicht flüchtigen Komponenten)
Warum darf auf eine sorgfältige Analyse des Anforderungsprofils aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht verzichtet werden?
- Zehnerregel: Fehler im Frühstadium der Produktentwicklung führen zu sehr hohen (expotenziell steigenden) Folgekosten (bis hin zu Rückrufaktionen für Produkte).
Was versteht man unter der „Übersetzung von Bauteil- in Materialanforderungen“?
Nennen Sie drei Beispiele von „Übersetzungen“ bei der Sohle eines Dampfbügeleisens!
- Die Umsetzung materialspezifischer Produktanforderungen in Materialeigenschaften.
Sohle eines Bügeleisens:
- Gute Wärmeübertragung von der Wärmequelle über die Sohle auf das Bügelgut -> Gute Wärmeleitfähigkeit des Sohlenwerkstoffs.
- Gute Speicherung der Wärme in der Sohle (geringe Wärmeverluste -> Wirkungsgrad!) -> Gute Wärmekapazität des Sohlenwerkstoffs.
- Lange Lebensdauer gegenüber dem einwirkenden Medium -> Korrosionsbeständigkeit (gegen Heißdampf im Falle eines Dampfbügeleisens)
- keine Verschmutzung bzw. Verschleiß der Sohle (Kontakt mit metallischen Elementen wie Knöpfe möglich!) über die Produktlebensdauer -> Ausreichende Verschleißfestigkeit.
- Glatte Oberfläche für gute Gleiteigenschaften Technologisch gute Eigenschaften zur Herstellung von glatten Oberflächen, z. B. gute Zerspanbarkeit.
- Kostengünstige Herstellung (Massenprodukt!) -> z. B. gute Zerspanbarkeit, gute Umformbarkeit
- Geringe Materialkosten -> geringer Rohmaterialpreis bzw. geringerer Relativkostenfaktor
Ordnen Sie dem Anforderungsprofil des vorangegangen Beispiels (Sohle eines Bügeleisens) die Einstufungen „Forderung“ (F), „Wunsch“ (W) und „Ziel“ (Z) zu.
F: Gute Wärmeübertragung von der Wärmequelle über die Sohle auf das Bügelgut
W oder F: Gute Speicherung der Wärme in der Sohle (geringe Wärmeverluste Wirkungsgrad!)
F: Lange Lebensdauer gegenüber dem einwirkenden Medium
F: Keine Verschmutzung bzw. Verschleiß der Sohle über die Produktlebensdauer
W: Glatte Oberfläche für gute Gleiteigenschaften
Z: Kostengünstige Herstellung und geringe Materialkosten
Welche materialspezifischen Produktanforderungen bestehen für die Wäschetrommel einer Waschmaschine (mit Schleudergang)?
Welche Materialeigenschaften sind diesen zuzuordnen?
Was sind Zielgrößen (Z), was Forderungen (F), was Wünsche (W)?
- Gute Beständigkeit gegenüber dem „Waschwasser“ (Laugen) -> Korrosionsbeständigkeit (F)
- Geringes Gewicht (geringe Unwuchtkräfte) -> geringe Dichte (F)
- Ausreichende Festigkeit und Steifigkeit -> Fließgrenze, Elastizitätsmodul (F)
- Gutmütiges Versagensverhalten (Verformung statt Bruch) -> Bruchzähigkeit, Festigkeit (F)
- Geringe Materialkosten -> Rohmaterialpreis, Relativkostenfaktor (Z)
- Gute Herstellbarkeit, (Massenprodukt!) -> je nach Bauteilkonzept gute Fertigungseigenschaften wie Zerspanbarkeit, Umformbarkeit (W oder F)
Welche Bedingungen werden gegebenenfalls an Materialeigenschaften geknüpft?
Woraus werden diese abgeleitet?
- Einhaltung von Ober-, Untergrenzen oder Zielwerten
- Funktionsgleichungen, Randbedingungen, Zielvorgaben
Welche Bedeutung besitzen freie Konstruktionsparameter für die Materialauswahl?
- Sie ergeben Freiheiten bei den Materialeigenschaften, d. h., Wertespannen für Eigenschaftswerte.
Was ist Grundvoraussetzung für ein einfaches, sicheres und eindeutiges Konstruieren eines Bauteils?
Welcher Zusammenhang besteht zur Materialwahl?
- die Kenntnis der Bauteilfunktion bzw. –funktionen.
- Die Bauteilfunktion ist aufgrund der beschriebenen Wechselwirkungen maßgeblich von Materialeigenschaften abhängig.
Welche Hauptfunktion ist der Sohle eines Bügeleisens zuzuweisen?
In welcher Grundgleichung der Ingenieurwissenschaften wird dieses Bauteilverhalten „modelliert“?
- Wärme übertragen
- dQ/dt = λ·∆T
Welche Hauptfunktion ist der Wäschetrommel der Waschmaschine zuzuweisen?
In welcher Grundgleichung der Ingenieurwissenschaften wird dieses Bauteilverhalten „modelliert“?
- Material (Wäsche) speichern (Volumen als Zielgröße oder als Zielvorgabe).
- Der Volumeninhalt bestimmt die Größe der Materialspeicherung:
V = π·d²/4·b (b Breite, d Innendurchmesser).
Welche weiteren Bedingungsgleichungen sind für die Sohle des Bügeleisens ableitbar?
In welchen Grundgleichungen der Ingenieurwissenschaften können diese Bedingungen „modelliert“ werden?
Sind Zielgrößen vorhanden?
- Wärmekapazität (Randbedingung):
Q = m·c·∆T (spezifische Wärmekapazität)
- Geringes Gewicht (Zielgröße):
m = π· (da²- di²)/4·d·ρ= V·ρ
- Geringe Materialkosten (Zielgröße):
K = V·kv (als Absolutkosten)
K* = V·k*v (als Relativkosten)
Welche Anforderungen führen zu weiteren Bedingungsgleichungen im Hinblick auf die Materialauswahl der Wäschetrommel?
In welchen Grundgleichungen der Ingenieurwissenschaften können diese Bedingungen „modelliert“ werden?
Was sind mögliche Zielgrößen?
- Max. zulässige Fliehkraft:
U = ½·m·ω²
- Geringstes Gewicht (Zielgröße):
G = m = π· (da²- di²)/4·b·ρ·g = V·g·ρ
- Geringe Materialkosten (Zielgröße):
K = V·kv (als Absolutkosten)
K* = V·k*v (als Relativkosten)
Welche Materialeigenschaft des „Bügeleisens“ ist sowohl im Hinblick auf wirtschaftliche als auch auf technische Forderungen von Bedeutung (Verknüpfung!)?
Welche Größe kann als „freier“ Konstruktionsparameter angesehen werden?
- Masse m -> beeinflusst die Zielgröße Materialkosten, die Wärme übertragende Fläche A über das Volumen (Bedingungsgleichung) sowie die Zielgröße Gewicht mit der Dichte.
- Die Dicke kann in Grenzen als freier Konstruktionsparameter angesehen werden. Die Fläche des Bügeleisens ist im Freiheitsgrad stärker eingeschränkt, da sie die wärmeübertragende Fläche darstellt und für die Handhabung eines Bügeleisens nur in engeren Grenzen verändert werden kann.
Welche Materialeigenschaft der „Wäschetrommel“ ist aus wirtschaftlicher und technischer Sicht zweifelsfrei miteinander verknüpft?
- Masse m -> beeinflusst die Zielgröße Materialkosten, die Unwuchtkraft U (Bedingungsgleichung) sowie die Zielgröße Gewicht mit der Dichte
Was beinhaltet eine Materialanforderungsliste?
- das Anforderungsprofil an den Werkstoff für das Bauteil mit allen insbesondere quantitativen Bedingungen, die an den Werkstoff gestellt werden (Ober-, Untergrenzen sowie Zielvorgaben).
Formulieren Sie die Grundaussagen zur Materialsuche für die Sohle eines Dampfbügeleisens und für die Trommel einer Waschmaschine!
Sohle des Dampfbügeleisens:
- Die Sohle des Bügeleisens übernimmt die Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Bügelgut (Hauptfunktion).
- Dabei sind bekannte Abmessungen für ein sinnvolles Bügeln zu beachten.
- Das Material muss gegen den Heißdampf beständig bleiben.
- Um Energieverluste zur Umgebung zu vermeiden, ist eine gute Speicherung der Wärme sinnvoll.
- Für eine gute Handhabung ist das Gewicht möglichst gering zu halten.
- Auch die Verschmutzung des Bügelguts und der Verschleiß der Sohle sind über eine geforderte Lebensdauer zu vermeiden.
- Als Massenbauteil ist es kostengünstig herzustellen.
Wäschetrommel:
- Die Wäschetrommel hat ein definiertes Wäschevolumen aufzunehmen (Hauptfunktion).
- Aufgrund der Schleuderfunktion in Waschmaschine ist das Gewicht zur Vermeidung von hohen Unwuchtskräften möglichst klein zu halten.
- Eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit ist ebenfalls zur Vermeidung von Unwuchten vorzusehen.
- Eine Beständigkeit gegenüber der Waschlauge ist zwingend notwendig.
- Im Falle von Überlastsituationen, die zum Versagen der Trommel führen, ist eine Verformung, kein Bruch zu gewährleisten.
- Als Massenteil ist sie kostengünstig herzustellen.
Welche drei weiteren Hauptbetrachtungsweisen sind hilfreiche Quellen zur Formulierung von Materialanforderungen?
- Fertigungstechnische Aspekte
- Schadensfälle
- Kostensicht
Was ist beim Zukauf von Normalien im Hinblick auf die Materialwahl zu beachten?
- Keine Sonderwerkstoffe, da sonst hohe Kosten entstehen
Welche Vorteile ergeben sich bei dem Vorausdenken des Fertigungsprozesses im Hinblick auf die Werkstoffwahl?
- Es werden bereits frühzeitig Probleme und damit verbunden Materialanforderungen erkannt, die sich mit der Fertigung von Werkstoffen ergeben,
- z. B. Einhaltung von Toleranzen, Oberflächenqualitäten bei wenig steifen Werkstoffen, notwendige technologische Eigenschaften, notwendige Funktionsflächen zum Spannen, Prüfen usw. des Bauteils (Machbarkeit mit dem Werkstoff!).
- Außerdem ergeben beim Vorausdenken möglicherweise Ansätze zur Reduzierung von Fertigungsschritten (auch beim Rüsten, Prüfen etc.).
Weshalb stellen Schadensstatistiken vorhandener bzw. vergleichbarer Produkte eine Quelle des Wissens bezüglich notwendiger Materialeigenschaften dar?
- Die Analyse von Schäden führt zu den Ursachen eines Materialversagens.
- Gleichgültig, ob eine falsche Materialwahl oder andere Gründe zum Ausfall geführt haben, kann (können) die Materialeigenschaft(en) identifiziert werden, die der Schadensvermeidung vorbeugt.
- Ob dies notwendig ist oder nicht, ist im Einzelfall zu entscheiden.
Welche Bedeutung hat ein vorbeugendes Qualitätsmanagement im Hinblick auf die Vermeidung von Produktschäden?
- Hohe Kundenzufriedenheit durch hohe Zuverlässigkeit von Produkten
- Einhaltung von Gewährleistungsfristen
- Vermeidung hoher Garantieraten
- Vermeidung von Produkthaftung
- Vermeidung von Umsatz reduzierenden Imageverlusten
Wie lautet das Grundprinzip der Fehlerbehebung?
- Jeder Fehler darf nur einmal auftreten!
Welche Arten von Schäden können entstehen?
- Bruch
- Korrosion
- Verschleiß
Wie lassen sich die Hauptfehler klassifizieren, die bei der Entwicklung eines Produkts bzw. bei seiner Anwendung auftreten?
- Konstruktionsfehler (Gestaltung)
- Fehler bei der Materialwahl
- Fehler bei der Herstellung (Prozess, Fabrikation)
- Montagefehler
- Fehlerhafte Anwendung (Betriebsbedingungen).
Welcher Fehler führt bei der Konstruktion eines Produkts am häufigsten zum Versagen?
Sind materialspezifisch Gegenmaßnahmen vorstellbar?
- Kerbwirkung -> Dauerbruch
- Duktile statt spröde Materialien (mit höherer Bruchzähigkeit). In der Hauptsache sind Querschnittsübergänge gestalterisch zu beachten.
Worin ist die Ursache zu suchen, wenn ein Schaden auf „falsche Materialwahl“ zurückzuführen ist?
- Falsche Materialwahl als Ursache liegt vor, wenn gestellte Werkstoffanforderungen nicht bei der Auswahl des Werkstoffs berücksichtigt wurden.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass eine nicht sorgfältig durchgeführte Situationsanalyse dazu führt, dass Materialanforderungen nicht in der Materialanforderungsliste aufgeführt werden.
Der Fehler ist dann nicht auf eine falsche Materialwahl, sondern auf einen fehlerhaften Konstruktionsprozess zurückzuführen (Konstruktionsfehler).
Nennen Sie zwei Beispiele für Fehler bei der Herstellung, die zu einem Materialschaden führen!
- Keramisches Bauteil fällt auf den Boden
-> kleine Risse
-> Rissausbreitung bei Überschreitung einer „geringen“ kritischen Spannung
-> „Dauerbruch“. - Falsch eingestellter Temperofen für Gummiteile
-> Schlechte Vernetzung des Elastomers
-> Ausfall im Betrieb - Zu hohe Prüfkraft beim Prüfen von Kunststoffteilen
-> stärkere Verformung
-> z. B. kristallisierte Bereiche im Polymer
-> höhere Sprödigkeit
-> Bruch bei Betrieb
Was ist unter einem „robusten“ Produktdesign zu verstehen?
- hohe Versagenstoleranz gegenüber Störgrößen
Nennen Sie ein Beispiel, bei dem die Lebenslaufkosten eines Produkts hinsichtlich der Materialauswahl von Bedeutung sind?
- Insbesondere bei recyclingfähigen Produkten (Entsorgungskosten) -> Altautorichtlinie (z. B. Chrom-Problematik – Verwendung von Chrom als Korrosionsschutz), Elektroschrott -> Rücknahmekosten bestimmen Konstruktionsweise (Zerlegbarkeit).
- Schwer reparierbare, prüfbare Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe (Flugzeugbau)
- Sicherheitsrelevante Bauteile, die einer laufenden Prüfung im Betrieb unterzogen werden müssen (Kernkraftwerke)
Welchen Vorteil bietet der Relativkostenfaktor der VDI-Richtlinie 2225 bei der Materialauswahl?
- Vergleichbarkeit von Materiallösungen hinsichtlich der Materialkosten in der Frühphase des Auswahlprozesses (Konzeptphase)
Über welche drei Konstruktionsstrategien lassen sich die absoluten Kosten für das Bruttovolumen des Bauteils reduzieren?
Nennen Sie je ein Beispiel mit Bezug zum eingesetzten Werkstoff!
- Kleinbau bzw. Leichtbau: Verwendung von Leichtbauwerkstoffen wie Ti, CFK bei Fahrradrahmen, Fahrzeugstrukturen, Flugzeugstrukturen
- Sparbau: Bau als verschweißbare Blechkonstruktion anstatt Gusskonstruktion (geringere Wanddicken!)
-> Schweißeignung der Werkstoffe - Abfall senken: Verwendung endformnaher Verfahren z. B. umformbare Werkstoffe beim Präzisionsschmieden, gießbare Werkstoffe beim Wachsausschmelzverfahren.
Wie können Materialkosten beim Zukauf reduziert werden?
- Ziel: Einkaufsvolumen vergrößern durch Bündelung von Aufträgen
Standardisierung von Bauteilen -> Gleiche Bauteile in Produktvarianten
Werkstofflisten, -standards -> große Mengen eines Materials
- Keine Sonderwerkstoffe
Welches Ziel verfolgt Phase II der Materialsuche, die Vorauswahl?
- Die Vorauswahl hat das vorrangige Ziel, Materialien mit möglichst weit-gehender Übereinstimmung zwischen Anforderungsprofil des gesuchten Werkstoffs und Eigenschaftsprofilen von Konstruktionswerkstoffen zu finden.
- Sie identifiziert üblicherweise noch keine Materialsorten, sondern üblicherweise Werkstoffgruppen, -untergruppen oder auch –familien.
Welcher Typ von Materialeigenschaften wird bevorzugt für die Vorauswahl verwendet?
Nennen Sie drei Beispiele!
Quantitative Eigenschaften
- Festigkeit
- Elastizitätsmodul
- max. Betriebstemperatur
- thermischer Ausdehnungskoeffizient
- Wärmeleitfähigkeit
- spez. elektrischer Widerstand
- Relativkostenfaktor
Welche Möglichkeiten bestehen, um qualitative Werkstoffmerkmale zu quantifizieren?
Nennen Sie ein Beispiel!
- Einstufungen z. B. in Werten 1 … 5
- Beständigkeitstabellen gegenüber einwirkenden Medien oder Schweißeignung
Welche Kriterien sollten erst bei der Feinauswahl Berücksichtigung finden und warum?
- Nicht quantifizierbare Eigenschaften (i. d. R. attributiv), da sie in Datenbanken nicht numerisch ausgewertet werden können.
Was sind Ausschlusskriterien?
Welchen Vorteil haben sie gegenüber anderen Suchkriterien?
- Als Ausschlusskriterien sollen Bedingungen charakterisiert werden, die im Gegensatz zu anderen Suchkriterien durch ihre strikte Grenzziehung zum Ausschluss von Werkstoffen führen.
- Sie grenzen die Zahl der möglichen Werkstofflösungen (Suchfelder) stark ein
