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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Cartes-fiches
Welche Vorteile hat eine grafische Darstellung von Werkstoffkennwerten in Werkstoffschaubildern?
- Übersichtlich und vergleichend.
Warum wird in Werkstoffschaubildern, die alle Materialien aller Werkstoffgruppen darstellen, ein logarithmischer Maßstab gewählt?
- Die Spannbreite der Eigenschaftswerte, z. B. des Elastizitätsmoduls, geht über mehrere Zehnerdekaden, sodass eine Gesamtdarstellung nur über eine nicht lineare, logarithmische Skalierung erfolgen kann.
Ordnen Sie die Legierungen von Aluminium, Nickel, Magnesium und Titan sowie die Stähle nach ihrem Elastizitätsmodul in aufsteigender Reihenfolge!
Was bedeutet dies für ein strukturmechanisches Bauteil (tragende Struktur) bei gleicher Bauweise und gleicher anliegender Last?
Welche Konsequenzen hat dies für die Konstruktion?
- Werkstoffschaubild mit Elastizitätsmodul: Mg – Al – Ti – St – Ni
- Deutlich stärkere Verformungen von Mg- gegenüber Ni-Strukturen
- Andere Bauweisen mit Legierungen niedrigeren Elastizitätsmoduls:
versteifende Elemente verwenden, größere Bauteilquerschnitte usw.
Welche Leichtbauwerkstoffe zum Aufbau tragender Strukturen würden sich allein aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten und hoher spezifischer Elastizitätsmodule anbieten?
- Werkstoffschaubild spez. Festigkeit / spez. Elastizitätsmodul:
Technische Keramiken
Verbundwerkstoffe (GFK, CFK, AFK)
Was charakterisiert die Bruch- oder Risszähigkeit K1C eines Materials?
- Die Bruchzähigkeit KIC (oder auch Risszähigkeit), charakterisiert die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber einer Rissausbreitung.
- Einfacher ausgedrückt stellt diese Größe eine Toleranz gegenüber Fehlern im Werkstoff dar.
Warum werden technische Keramiken nicht als Leichtbauwerkstoffe für tragende Strukturen eingesetzt?
Werkstoffschaubild Bruchzähigkeit / Festigkeit (oder Elastizitätsmodul)
- Aufgrund der niedrigen KIC-Werte findet eine Rissausbreitung weit unterhalb der Festigkeit des Werkstoffs statt (unterkritisches Risswachstum). Kleine Risse neigen zu schnellem Wachstum; die Keramik versagt bereits bei geringeren Spannungen.
- Hinzu tritt die breite Streuung der Werkstoffkennwerte. In der Praxis wird zu wirkenden Biegespannungen eine Überlebenswahrscheinlichkeit für Keramiken ermittelt (vergleiche http://www.keramverband.de/brevier_dt/brevier.htm, Schlagwortregister: Stichwort „Risswachstum“)
Die Vertreter welcher Materialgruppen sollten für die Geräuschdämmung eingesetzt werden?
Welche sind hingegen gänzlich ungeeignet?
Werkstoffschaubild: Verlustfaktor / Elastizitätsmodul
- Gut: Elastomere (Kautschukprodukte), Schäume (heute auch Metallschäume!)
- Schlecht: Keramiken
Wie können Materialien bei hohen Temperaturen versagen?
- Reduzierte Festigkeit durch Kriechen, Zersetzen, Bruch durch Überbeanspruchung, Reaktion mit umgebenden Medien (Oxidation).
- Veränderte Materialeigenschaften führen zu funktionellem Versagen.
Prüfen Sie, welche der Materialgruppen höchste Einsatztemperaturen erlauben?
Nennen Sie einen Anwendungsfall aus der Raumfahrt.
Werkstoffschaubild: Festigkeit / Max. Einsatztemperatur
- Keramiken (technische wie nicht-technische)
- Hitzeschild des Space Shuttle besteht aus keramischen Materialien.
Welche metallischen Werkstoffe sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet?
Nennen Sie Einsatzfälle.
Werkstoffschaubild: Festigkeit / Max. Einsatztemperatur
- Titan-, Nickel-, Wolframlegierungen, nichtrostende Stähle.
Darüber hinaus gibt es weitere Werkstoffe, die nicht im Diagramm auftauchen, aber über Internetrecherche oder Fachbücher (z. B. Schatt: Konstruktionswerkstoffe) ermittelt werden können: Chromstähle, Superlegierungen, Kobaltlegierungen, hochschmelzende Metalle.
- Bauteile in Turbinen, Ofentechnik, Auslassventile in Dieselmotoren
Die Festigkeit einer metallischen Werkstoffprobe soll bei erhöhten Temperaturen geprüft werden. Das Aufheizen der Probe erfolgt durch direkten Stromdurchfluss.
Welches Zuleitungsmaterial sollte gewählt werden, wenn möglichst wenig elektrische Leistungsverluste anzustreben sind?
Des Weiteren soll durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit ein Aufheizen des elektrischen Leiters durch schnelle Wärmeabfuhr gewährleistet werden. Entsprechend ist ein möglichst geringes Wärmespeichervermögen anzustreben.
Wird dies von dem/den gewählten Werkstoff(en) erfüllt?
Werkstoffschaubild: Spez. elektr. Widerstand / Wärmeleitfähigkeit
- Niedriger spezifischer elektrischer Widerstand, hohe Wärmeleitfähigkeit
- Metallische Werkstoffe sind die besten. Darunter haben Kupferlegierungen die höchste Wärmeleitfähigkeit und den geringsten spezifischen elektrischen Widerstand.
- Die gewünschte thermische Eigenschaften des Leitermaterials wird durch die Temperaturleitfähigkeit beschrieben:
Die Wärmeleitfähigkeit ist hoch, die Wärmekapazität ρ·cp klein.
Daraus folgt eine ebenfalls zu maximierende Temperaturleitfähigkeit für das gesuchte Material.
Im Werkstoffschaubild Wärmeleitfähigkeit / Temperaturfähigkeit zeigen die Kupferlegierungen das gewünschte Verhalten.
Das Material der Sohle eines Bügeleisens ist zu wählen.
Welche Werkstoffe sind aus Sicht der thermischen Anforderungen einsetzbar?
- Hohe Wärmeleitfähigkeit, ausreichend gutes Wärmespeichervermögen (vergleiche Kontrollfragen in Kapitel 4)
-> Werkstoffschaubild: Spez. Wärmeleitfähigkeit / Temperaturleitfähigkeit
Werkstoffschaubild: Wärmeleitfähigkeit / Temperaturleitfähigkeit
- Im Nenner der Temperaturleitfähigkeit steht das Wärmespeichervermögen (= Dichte x spez. Wärmekapazität).
Es sind daher Werkstoffe zu wählen, die bei hoher Wärmeleitfähigkeit eine möglichst geringe Temperaturleitfähigkeit haben, damit die Sohle in den Bügelpausen seine Temperatur hält.
- Hohe Wärmeleitfähigkeiten besitzen die technischen Keramiken und die Metalle.
Diese Hauptfunktion muss in jedem Fall erfüllt werden, sodass andere Werkstoffgruppen ausscheiden.
Eine möglichst niedrige Temperaturleitfähigkeit in der Gruppe der Metalle und technischen Keramiken erfüllen die Werkstoffgruppen Gusseisen, Kohlenstoffstähle (unlegierte Stähle), Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid.
Auch Nichtrostende Stähle und Titanlegierungen könnten in weitere Untersuchungen miteinbezogen werden.
Ordnen Sie die Werkstofffamilien der Legierungen
- des Aluminiums
- des Magnesiums
- des Titans
- der nichtrostenden Stähle
- der glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (GFK, CFK) von Polypropylen, Polyamid
- der Silikone
in aufsteigender Reihenfolge nach ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Werkstoffschaubild: Thermischer Ausdehnungskoeffizient / Wärmeleitfähigkeit
- CFK
- Ti-Leg.
- Nichtrostende Stähle
- Al-Leg.
- Mg-Leg.
- GFK - Polyethylen PE - Polyamid PA - Silikone
Welche mechanischen und thermischen Werkstoffeigenschaften sind für die Temperaturschockbeständigkeit von Bedeutung?
Begründen Sie Ihre Nennungen.
- Niedriger therm. Ausdehnungskoeffizient: Der Werkstoff „spannt sich bei einem lokalen Temperaturwechsel nicht selbst ein“, d. h., eine lokale Wärmeausdehnung mit daraus folgenden Wärmespannungen findet nicht statt.
- Große Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird möglichst schnell von der lokal erwärmten Stelle in andere Materialbezirke gebracht, sodass keine lokale Aufheizung stattfindet. Hohe Wärmespannungen werden nicht induziert.
- Niedriger Elastizitätsmodul: Niedrige Elastizitätsmodule führen bei thermischer Verformung des Werkstoff nur zu geringen Wärmespannungen (und umgekehrt).
- Hohe Festigkeit: Werkstoffe mit hohen Festigkeiten können auch hohe innere Wärmespannungen ertragen.
- Niedrige Wärmekapazität: Eine geringe Wärmekapazität sorgt für eine hohe Temperaturleitfähigkeit (ebenso wie die hohe Wärmeleitfähigkeit). Temperaturausgleichsvorgänge finden schnell statt. Ein lokales Aufheizen erfolgt „nicht“.
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.
