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WERKSTOFFE 0.3. DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

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Einführung in die Werkstoffauswahl - Innovation, Substitution, Alternative

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0. WERKSTOFFE, WERKSTOFFKUNDE & WERKSTOFFAUSWAHL

Teil B

0.3. WERKSTOFFAUSWAHL

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Werkstoff-auswahl

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empfehlenswerte Zusatzliteratur:

METHODIK DER WERKSTOFFAUSWAHL, MARTIN REUTER (2007),

Hanser, ISBN 978-3-446-40680-3, € 19,80

MATERIALS SELECTION IN MECHANICAL DESIGN, M.F. ASHBY

(2007), Easy-Reading-Ausgabe der 3. Aufl., Spektrum Aka-

demischer Verlag, ISBN 978-3-8274-1762-6,

€ 19,95

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allgemeine Aspekte

Es gibt etwa 40000 metallische Werkstoffe und 40000 nichtmetallische Werkstoffe!

Werkstoff-innovation

völlig neuer Werkstoff

Werkstoff-substitution

kein Einsatz des WS bei dieser Anwendung

Werkstoff-alternative

Einsatz des WS in vergleichbaren Anwendungen

Einsatzmöglichkeiten für Werkstoffe:

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allgemeine Aspekte

technische Verbesserung eines Produktes oder Reduzierung der Herstellkosten (Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit)

Marktgesetze

Neukonstruktion: systematische Werkstoffauswahl

Produkt-innovation

Änderungen an bestehenden Produkten: Analyse der Qualitätsprobleme mög-liche Werkstoffänderung

Qualitäts-probleme

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allgemeine Aspekte

Initiierung von Materialänderungen oder Einschränkungen bei der Werkstoffaus-wahl bei Neukonstruktionen mögliche Werkstoffänderung

Normen & Vorschriften

Reduzierung der Werkstoffsorten auf Mindestmaß mögliche Werkstoffände-rungen an bestehenden Produkten

Standardisierung des Produktes

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Methodik

Phase I

Phase II

Phase III

Phase IV

Werkstoffentscheidung

in Anlehnung an VDI-Richtlinie 2221

• Ermittlung der Materialan-forderungen Material-anforderungsliste

• Vorauswahl geeigneter Werkstoffe Liste mög-licher Materiallösungen

• Feinauswahl und Bewertung

Rangliste der Materiallö-sungen/Liste der Versuchs-werkstoffe

• Evaluierung und Validierung

von Produkteigenschaften

Entscheidungsvorlage

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Top-Down-Methode:

deduktive Einschränkung der Lösungsvarianten mit Ergebnissen der einzel-

nen Arbeitsschritte

Materialanforderungsliste Materialcluster (WS mit vergleichbaren Ei-

genschaften, z.B. Legierungsgruppen oder Werkstoffamilien)

Cave: Berücksichtigung aller Werkstoffe ohne Vorurteile!

Praxismethoden (einfache und schnelle Methoden der Werkstoffauswahl):

Anwendung von branchen- und werksbezogenen Standards

Verwendung von Arbeits- und Leitblättern

Methodik

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Phase I – Ermittlung der Materialanforderungen

Analyse der Aufgabenstellung

Ermittlung der Produkt- und Bauteilanforderungen

Analyse der Art der Entscheidungssituation (Wahl der Projektorganisation)

Übersetzung der Bauteilanforderungen

(Anforderungsprofil des gesuchten Werkstoffs)

Materialanforderungsliste

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Phase I – Schritt 1.1: Analyse der Aufgabenstellung Ermittlung der Produkt- und Bauteilanforderungen

Produkt-anforderungen

Bauteil-anforderungen

Material-anforderungen

Produktanforderungsliste Materialanforderungsliste Bauteilanforderungsliste

Analyse von Bauteilfunktionen

Anforderungskriterien:

Bauteilziele, z.B. niedriges Gewicht, …

Bauteilforderungen, z.B. max. Einsatz-

temperatur, …

Bauteilwünsche, z.B. glänzende Ober-

fläche, …

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Materialauswahl – Einheit von Konstruktion, Werkstoff & Technologie:

Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff

Konstruktion

Technologie

Funktion

Gestalt Beanspruchung

mech., phys., chem. Eigenschaften

technologische Eigenschaften

rationelle Fertigung

Preis, Sortiment

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Konstruktion Konstruktion Konstruktion des Bauteil folgt der Funktion:

Beanspruchungen sind in bezug auf Dimensionierung des

Bauteils als auch auf Gestalt (Form & Größe) zu berück-

sichtigen

Dimensionierung folgt in der Anfangsphase den grundlegenden Rechenwei-

sen der Ingenieurwissenschaften

Gestalt folgt der Wechselwirkung mit der Funktion:

Formgebung muß mechanischen, thermischen, chemischen Anforderungen

genügen (vgl. auch konstruktive Regeln)

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Technologie Technologie

Entscheidung für eine Technologie folgt hauptsächlich

folgenden Bewertungskriterien:

Herstellkosten:

bestimmte WS schließen günstige Fertigungstechno-

logien aus

endformnahe Formgebungsverfahren („Near-net-

shape-forming“)

Make-or-Buy-Entscheidung

Differential- vs. Integralbauweise

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Technologie Technologie

Herstellbarkeit:

Fertigungsverfahren besitzen Verfahrensgrenzen

Berücksichtigung von Fügetechnologien zur Einbin-

dung eines Bauteils in seine konstruktive Umgebung

Mikro- und Makrogeometrie:

Fein- und Grobgestalt schränken ebenfalls die Technologieauswahl ein

materialspezifische Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens

Fehlende Kenntnisse über Fertigungstechnologien führen häufig zum frühzeitigen Ausschluß von möglichen Werkstofflösungen!

Die Bearbeitung des Materials kann gravierende Veränderungen der Werkstoff- und somit Bauteileigenschaften bewirken!

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Einflußkriterien auf die Werkstoffauswahl:

Umfrage in Maschinenbauunternehmen (1997)

Kriterium weniger

wichtig wichtig

sehr

wichtig

Gebrauchseigenschaften

Kosten

Lebensdauer

Verarbeitbarkeit

Recyclingfähigkeit

Wirtschaftlichkeit

Normen/Qualität

Verfügbarkeit

Design

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Einflußkriterien auf die Werkstoffauswahl:

Wirtschaftlichkeit des Produkts ist neben mechanischen,

physikalischen, chemischen & technologischen Anforde-

rungen wichtiger Parameter

Herstellkosten:

Rohmaterialpreis (oder Halbzeugkosten)

Fertigungskosten

Qualitätskosten (z.B. Prüfaufwand)

weitere Aspekte:

Verfügbarkeit von Materialien, Gebrauchseigenschaften, sonstige Kosten

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Preis & Verfügbarkeit:

wichtige, oft vordringliche Faktoren bei der Auswahl von

Werkstoffen

Angebot & Nachfrage vs. börsennotierte Rohstoffe

Preis & Verfügbarkeit

kurzzeitige Preisschwankun-

gen haben in der Regel we-

nig mit tatsächlicher Ver-

knappung oder Häufigkeit ei-

nes Werkstoffes zu tun

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Werkstoffpreise - Überblick:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Holz, Beton, Baustahl

Metalle, Legierungen, Kunststoffe

Superlegierungen, moderne Verbundwerkstoffe

Edelmetalle usw.

Industriediamanten

lg Preis in € pro 1000 kg

Preis & Verfügbarkeit

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

relativer Preis pro Gewicht:

Preis & Verfügbarkeit

unlegierter Stahl = 100

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Preis & Verfügbarkeit

natürliche Häufigkeit

Erdkruste bis 40 km

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Preis & Verfügbarkeit

bekannte Lagerstätten, die unter

Verwendung heutiger Technolo-

gien zum heutigen Preis gewinn-

bringend abgebaut werden kön-

nen

Reserve

Reserve plus alle Lagerstätten,

die bei sorgfältiger Schürfung

verfügbar gemacht werden kön-

nen plus alle Lagerstätten, die

zukünftig von Interesse sein

könnten

Ressourcenbasis

regionale Vorkommen

Reserven/ Ressourcenbasis

Energie- aufwand

Abhängigkeit der Verfügbarkeit

MCKELVEY-Diagramm

Werkstoff GJ/

Tonne

Aluminium 280

Kunststoffe 85-180

Kupfer 140

Zink 68

Stahl 55

Erdöl 44

Kohle 29

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Bewältigung des zu erwartenden Rohstoffmangels:

werkstoffsparende Konstruktion:

z.B. Leichtbau, bionische Konstruktionen

Preis & Verfügbarkeit

Substitution:

z.B. bestimmte Eigenschaften wichtiger als bestimmter Werkstoff

Recycling:

z.B. Einsatz von „Sekundärmetallen“ (aus Recyclingprozessen)

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

Kenntnis der spezifi-zierbaren Eigenschaf-ten von Werkstoffen

Erstellung eines Anforderungsprofils

Attribut

z.B. Mikrogefüge-aufnahmen

Werteskala

z.B. Eignung für Fertigungsverfahren

Zahlenwerte

z.B. E-Modul, Zugfestigkeit

Klassifizierung von Werkstoffeigenschaften

quantitativ qualititativ attributiv

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

physikalische Eigenschaften

thermische Eigenschaften

spezifische Wärme

Wärmeausdehnung

Wärmeleitfähigkeit

Schmelzpunkt

Rekristallisations-temperatur

Umwandlungspunkte

elektrische Eigenschaften

Widerstand

Leitfähigkeit

Durchschlags-

festigkeit

magnetische Eigenschaften

Koerzitivkraft

Permeabilität

elastische Eigenschaften

E-Modul

Schubmodul

Querkontraktion

optische Eigenschaften

Farbe

Glanz

Transparenz

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

mechanische Eigenschaften

Festigkeit statische Festigkeit

Zugfestigkeit

Streck-/Dehngrenze

Biegebruchfestigkeit

Scherfestigkeit

Torsionsfestigkeit

dynamische Festigkeit Dauerfestigkeit

Zeitfestigkeit

Kriechfestigkeit

Zähigkeit Bruchdehnung

Brucheinschnürung

Kerbschlagzähigkeit

Bruchzähigkeit

Übergangs-

temperatur

Härte

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

technologische Eigenschaften

Gießbarkeit Heißrißanfälligkeit

Fließverhalten

Umformbarkeit Fließspannung

Formänderungs-

vermögen

Verfestigungs-

verhalten

Anisotropie

Zerspanbarkeit

Toleranzen

Formen

Oberflächen-qualitäten

Fügbarkeit Schweißeignung

Löteignung

Oberflächen-behandelbarkeit

Anodisierbarkeit

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

Gebrauchs-eigenschaften

Korrosions-beständigkeit

Flächenkorrosion

Lochkorrosion

Kontaktkorrosion

interkristalline

Korrosion

Verschleiß-beständigkeit

Recyclebarkeit

ästhetische Eigenschaften

Spannungsriß-

korrosion

Hochtemperatur-

korrosion

Oxidations-

beständigkeit

Berechenbarkeit

chemische Zu-sammensetzung

Isotropie/ Anisotropie

Sicherheit technisch

ökologisch

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Werkstoffeigenschaften

Wirtschaft-lichkeit

Instandhaltungs-kosten

Gewährleistungs-kosten

Recyclingkosten

Materialkosten

Verfügbarkeit

Lieferzeit

Veredelungs-zeiträume

Fertigungskosten

Prüfaufwand

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Langzeitverhalten:

stabile Werkstoffkennwerte Zuverlässigkeit des Produkts über die

gesamte Lebensdauer

gleichbleibende Festigkeit zum Erhalt von Bauteilabmessungen (Kriech-

festigkeiten)

Unveränderlichkeit der Stoffeigenschaften unter korrosiven, thermi-

schen und mechanischen Mischbeanspruchungen

Werkstoffeigenschaften

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

ökonomische/ökologische Aspekte

Anforderungs-profil

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

Gebrauchseigenschaften

Eigenschaft wichtig für z.B. folgende Anwendung

Festigkeit fast alle Anwendungen

Zähigkeit Schweißkonstruktionen, Kryotechnik, schlagarti-

ge Belastungen

Elastizitätsmodul Federn, Membranen

Schwingfestigkeit alle bewegten Teile, z.B. Antriebswellen

Härte (Schneid-)Werkzeuge, Wälzlager

Verschleißverhalten Umformwerkzeuge

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Eigenschaft wichtig für z.B. folgende Anwendung

Verschleißverhalten Umformwerkzeuge

Wärmeleitfähigkeit Wärmetauscher, Dämmstoffe

Dichte Leichtbau (Flugzeuge, Fahrzeuge)

Korrosionsverhalten Chemische Industrie, Lebensmittelindustrie,

Medizintechnik

Brennbarkeit Polymere, Isolations- und Konstruktions-

werkstoffe

Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

Gebrauchseigenschaften

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

Verarbeitungs-/ Bearbeitungseigenschaften

Aufgabe Beispiel(e)

bei der Formgebung

Gießen

Zerspanen

Pressen, Sintern

Umformen

beim Fügen Schweißen, Löten

Kleben

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

Verarbeitungs-/ Bearbeitungseigenschaften

Aufgabe Beispiel(e)

beim Ändern der Stoffeigenschaften

Härten

Vergüten

Aushärten

Kaltverfestigen

beim Beschichten

PVD, CVD

Plattieren

Thermisches Spritzen

Galvanisieren

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Reduzierung

von Aufwandskosten (Einkauf, Transport, Lagerhaltung usw.)

von nachgelagerten Kosten (Wartung, Reparatur, Recycling)

der Einkaufspreise für Material

Optimierung der ökologischen Gesamtbilanz: 80% der Umweltrelevanz ei-

nes Produktes werden bei der Konzeption festgelegt!

Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

ökonomische/ökologische Aspekte

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Aufgabe Beispiel(e)

Aufnahme und Übertragung von Kräften Zahnräder, Seile, Achsen

Urformen von Werkstücken Druckgußwerkzeuge, Preßwerkzeuge

Umformen von Halbzeugen Walzen, Schmiedegesenke

Aufbereitung von Stoffen Extruderschnecken, Siebe

Spanen und Abtragen von Stoffen Schleifscheiben, Fräser

Transport und Aufnahme von Medien Container, Tanks, Rohre, Förderbänder

Speichern und Umwandeln von Energie Federn, Wärmetauscher

Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff typische Aufgaben von

Werkstoffen im Gebrauch

Anforderungsprofil

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Konstruktions-aufgabe

Werkstoff

Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

größtmögliche Über-einstimmung im Hin-blick auf Anforderun-

gen des gesamten Produktlebenszyklus

Werkstoffauswahl

Werkstoff Werkstoff

Anforderungsprofil

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff Welches Eigenschaftsprofil eines Werkstoffs ist für das Material-anforderungsprofil meines Bauteils am besten geeignet?

Fragestellung

Übersetzung von Produkt- in Materialanforderungen

Fragenkatalog zur Identifizierung von Materialanforderungen

Anforderungsanalyse mit Checkliste

Verknüpfung von Forderungen & Wünschen an das Werkstoff-

verhalten mit Materialkennwerten Eigenschaftsgrenzen (Ober-/ Untergrenzen) & Zielvorgaben

Übersetzung in Materialeigenschften

Materialanforderungsliste

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)

Festigkeit Zugfestigkeit oder Streckgrenze (Elastizi-

tätsgrenze)

Festigkeit im Leichtbau Zugfestigkeit/Dichte oder Streckgrenze/

Dichte

Festigkeit bei erhöhten Temperaturen Warmfestigkeit(en)

Langzeitstabilität von Abmessungen Kriechfestigkeit bei Betriebstemperatur

Wärmeausdehnung thermischer Ausdehnungskoeffizient

Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte

Materialanforderungsliste

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)

Steifigkeit Elastizitätsmodul

Dehnbarkeit/Duktilität Bruchdehnung

elastisches Formänderungsvermögen speicherbare elastische Energie an der

Streckgrenze (Resilienzmodul)

Zähigkeit gespeicherte Energie bei Bruch

Verschleißfestigkeit Materialverlust unter Verschleißbedingun-

gen; Härte

Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte

Materialanforderungsliste

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Materialanforderung Eigenschaftsgröße(n)

Korrosionsfestigkeit Materialverlust unter korrosiven Bedingun-

gen

Fertigungseigenschaften prozeßbezogene Eignung für Fertigungspro-

zesse

Wirtschaftlichkeit und Kosten spezifische Materialkosten und Fertigungs-

kosten aufgrund der Bearbeitbarkeit

Verfügbarkeit Beschaffungszeit und Aufwand für die Be-

schaffung

Materialanforderungsliste

Materialeigenschaften und Werkstoffkennwerte

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Phase I – Schritt 1.3: Übersetzung der Bauteilanforderung in eine Mate- rialanforderungsliste Anforderungsprofil

Werkstoff Werkstoff

Die Materialanforderungsliste ist das abschließende Dokument der

Analyse der Aufgabenstellung.

Materialanforderungsliste

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Phase II – Vorauswahl geeigneter Werkstoffe

Ermittlung einschränkender Vorauswahl-kriterien gemäß Materialanforderungsliste (Eigenschaftsgrenzen, Zielwerte, Ausschluß-kriterien)

Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil (Hilfsmittel u.a. Werkstoffschaubilder)

Liste möglicher Materiallösungen

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Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste

Materialien mit möglichst weitgehender Übereinstimmung zwischen Anforderungsprofil des gesuchten Werkstoffs und

Eigenschaftsprofilen von Konstruktionswerkstoffen

Vorauswahl

Gruppe möglicher Werkstofflösungen (max. 10), keine Werkstoffsorten, sondern

Suche nach Werkstoffamilien oder -untergruppen

X6CrNiMoTi 17-12-2 Innovation: kein Ausschluß

Substitution: meist Gruppe des bisher eingesetzten Werkstoffs

Alternative: möglicherweise Mit-glied der gleichen Werkstoffamilie

Entscheidungssituation

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Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste

Metalle

Polymere

Keramiken/ Gläser

Verbund-werkstoffe

Halbleiter

Silikone

Natur-stoffe

Werkstoff-Hauptgruppen

üblicherweise kein Selektionskriterium

Einstufungen als Zahlenwerte

quantitative Selektion Abfrage von Daten-

banken

Kriterien für die Vorauswahl

quantitative Merkmale

qualititative Merkmale

attributive Merkmale

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Phase II – Schritt 2.1: Ermittlung einschränkender Vorauswahlkriterien gemäß Materialanforderungsliste

Metalle

Polymere

Keramiken/ Gläser

Verbund-werkstoffe

Halbleiter

Silikone

Natur-stoffe

Ausschlußkriterien

Ausschlußkriterien führen ohne Abhängigkeit von anderen Suchkriterien zu einer Einschränkung von Werkstofflösungen.

Beispiele:

Einsatztemperatur des Bauteils > 600 °C

Transparenz des Bauteils

Bruchzähigkeit > 10 MPa m1/2

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

Informationsbeschaffung für die Vorauswahl:

Werkzeuge:

Internet: Datenbanken

Literatur: Lehr- und Fachbücher

Informationsmittel mit hoher Aussagekraft

Cave: Das verwendete Informationsmedium muß Eigenschaftswerte einer Gruppe, Untergruppe oder Familie umfassend dokumentieren und damit stets

den neuesten Stand der Werkstoffentwicklungen abbilden!

Liste möglicher Materiallösungen

Werkstoffschaubilder

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

eindimensionale Schaubilder: Grenzbedingung für eine Ei-

genschaftsgröße als Aus-schlußkriterium

[z.B. λ > 100 W/(m K)]

Balkendiagramme

zweidimensionale Schaubil-der: Darstellung von zwei eingeschränkten Material-

eigenschaften (z.B. E-Modul und Dichte)

ASHBY-Diagramme

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50

Balkendiagramme

Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

Dic

hte

(lo

gari

thm

ische S

kala

!)

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Konzept von M.F. ASHBY, University of Cambridge

Vorauswahl benötigt in der Regel mehr als nur eine Eigen-

schaft zur Entscheidung

Vergleich von Werkstoffeigenschaften :

zwischen verschiedenen Hauptgruppen bzw. innerhalb ei-

ner Hauptgruppe

zwischen verschiedenen Werkstoffamilien, z.T. innerhalb

einer Werkstoffamilie

engl.: materials property charts/ASHBY diagrams

Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Darstellung der großen Spannbreite unter

Verwendung von logarithmischen Achsen

(sog. doppelt-logarithmische Auftragung)

Anordnung der Eigenschaftsprofile in

Clustern („Blasen“)

unübersichtlich, wenig vergleichend

Tabellen

graphische Auswahl-werkzeuge mit hoher

Aussagekraft

ASHBY-Diagramme

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

wichtige Materialgrößen:

Dichte Festigkeit Steifigkeit Bruchzähig- keit …

Strukturmechanik

thermische Ausdehnungs-koeffizienten …

Wärmetechnik

Dichte Festigkeit Steifigkeit …

Leichtbau

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Elastizitätsmodul E vs. Dichte 𝜚:

Hölzer & Polymere: geringe Steifigkeit

(aber: sehr niedrigere Dichte!)

Cave: Innerhalb der verschiedenen Me-

tallgruppen sind die Bandbreiten beim

E-Modul und der Dichte sehr schmal!

Ste

ifig

keit

Keramikwerkstoffe

Metalle

Verbundwerkstoffe

mechanische Werkstoffkennwerte „steif“ & „leicht“

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Elastizitätsmodul E vs. Festigkeit 𝜎f:

Festigkeit & Steifigkeit: wesentliche Aus-

wahlkriterien bei der Gestaltung struk-

turmechanischer Elemente

„Festigkeit“: Definition für unterschied-

liche Werkstoffgruppen verschieden

mechanische Werkstoffkennwerte

Metalle/Polymere Streck-/Dehngrenze

Elastomere Biegefestigkeit

Keramiken Zugreißfestigkeit

Verbundwerkstoffe Zugversagens-

spannung

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Festigkeit 𝜎f vs. Dichte 𝜚:

Keramiken: selten Einsatz als tragende

Werkstoffe trotz hoher Festigkeit & Stei-

figkeit wegen Bruchempfindlichkeit

gewisse Proportionalität zwischen Festig-

keit und Dichte

mechanische Werkstoffkennwerte „fest“ & „leicht“

Fest

igkeit

Keramikwerkstoffe

Metalle

Verbundwerkstoffe

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

spezifischer Elastizitätsmodul E/𝜚 vs. spezifische Festigkeit 𝜎f/𝜚:

Leichtbau: Verwendung „leichter“ Werk-

stoffe bestimmende Größen der Mate-

rialvorauswahl: Dichte, E-Modul & Festig-

keit

spezifische Größen: E-Modul bzw. Festig-

keit auf Dichte des Werkstoffs bezogen

höherfeste Leichtbauwerkstoffe:

Legierungen von Mg, Al & Ti

kohlefaserverstärkte Kunststoffe

(CFK)

mechanische Werkstoffkennwerte „steif“, „fest“ & „leicht“

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

mechanische Werkstoffkennwerte

dynamische Beanspruchung Bauteilversagen Dauerfestigkeit

Bruchzähigkeit

Rißzähigkeit

Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Riß-

ausbreitung (Toleranz gegenüber inneren Fehlstellen)

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

mechanische Werkstoffkennwerte

Bruchzähigkeit

Rißzähigkeit hohe Bruchzähigkeit

geringes Rißwachstum

(„Verbergung“ des Risses)

zähe Materialien

niedrige Bruchzähigkeit

kleiner Riß führt

schnell zu Versagen

spröde Materialien

Die Bruchzähigkeit ist ein wesentliches Auswahlkriterium

für strukturmechanische & sicherheitsrelevante Bauteile!

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Bruchzähigkeit K1c vs. Elastizitätsmodul E:

metallische Werkstoffe: Überlegenheit

bei hohen Lasten, geforderten hohen Stei-

figkeiten & hohem Sicherheitsbedürfnis

gegenüber Rissen

Polymere:

schlechtere Werte bzgl. Rißausbrei-

tung als zähe Metalle

FVK: hohe Festigkeit/E-Moduln, Fa-

sern hemmen Rißausbreitung

Einsatz in leichten, tragenden mecha-

nischen Strukturen

mechanische Werkstoffkennwerte

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme mechanische Werkstoffkennwerte

Bruchzähigkeit K1c vs. Elastizitätsgrenze 𝜎f :

Keramiken: Bruchzähigkeit ähnlich wie Po-

lymere, aber Einsatz in tragenden Bautei-

len nur in Sonderfällen

keine plastische Verformung gerin-

ge Energie zum Rißwachstum nötig

„Bruch vor Fließen“

Versagen ohne Vorwarnung!

„Ankündigung“ des Ausfalls durch plastisches Verformen

„Fließen vor Bruch“

Cave! Bruchzähigkeiten sind temperaturabhängig!

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

thermische Werkstoffkennwerte

maximale

Einsatztemperatur

Die maximale Einsatztemperatur ist eines der am stärksten

einschränkenden Kriterien bei der Materialauswahl!

quantitative Festlegung von produktspezifischen Eigenschaften,

die sich bei erhöhten Temperaturen nicht verändern dürfen

Festigkeit

Ausfall des Bauteils

Kriechen: unzulässige Längenveränderungen des Bauteils

Bruch: Beanspruchung über der Warmfestigkeit des Bauteils

Zersetzung/Erweichen des Materials (Kunststoffe)

erhöhte Reaktionsbereitschaft des Werkstoffs gegenüber um-

gebenden Medien (Korrosion/Oxidation/Verzunderung)

Veränderung anderer Werkstoffeigenschaften

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme

Festigkeit 𝜎f vs. maximale Einsatztemperatur Tmax:

techn. Keramiken: gute Festigkeiten bei

hohen Temperaturen („HT-Werkstoffe“)

nicht-techn. Keramiken: niedrigere Festig-

keiten, für mechanisch weniger bean-

spruchte Konstruktionen (therm. Apparate-

bau, z.B. Ofenauskleidungen…)

hochwarmfeste Superlegierungen von NE-

Metallen/hochschmelzende Metalle: z.B.

Antriebseinheiten von Luft- & Raumfahrt-

technik (Ni-/Co-Basislegierungen)

mechanische Werkstoffkennwerte

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

thermische Werkstoffkennwerte

thermisch bedingte

Ausdehnungen

thermisch induzierte

Spannungen

mögl. funktionelles

Versagen des Bauteils

thermischer Aus-

dehnungskoeffizient

E-Modul

verbindende Größe zwischen Verformung & Spannung

geeigneter Parameter für die Auswahl geeigneter

Werkstoffe im Hinblick auf Versagen durch thermische

Dehnung

hohe Spannungen bei kleinen Verformungen Gefahr durch Fließen, Brechen… große E-Moduln

stärkere Verformung bei gleicher Spannung verminderte Gefahr kleine E-Moduln

Bsp.: Kunststoffe sind trotz hoher Wärmedehnungen weniger bruchgefährdet als Metalle (nie-

drigere Ausdehnungskoeffizienten, aber höhere induzierte Wärmespannungen)

Page 65: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

thermische Werkstoffkennwerte

Thermoschock-

beständigkeit

Temperaturänderung 𝛥Tkrit, die zum

Versagen (durch Riß o.ä.) des Bauteils führt

Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit

geringe Wärmedehnung geringe Wärmespan-

nung

thermischer Aus-dehnungskoeffizient 𝛼

Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen

Wärmeleitfähigkeit 𝜆

gegebene Wärme-dehnung geringere

Wärmespannung

Elastizitätsmodul E

Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen

Festigkeit 𝜎f bzw. Bruchzähigkeit K1C

Page 66: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme thermische Werkstoffkennwerte

thermischer Ausdehnungskoeffizient 𝛼 vs. Elastizitätsmodul E:

Bsp. für Werkstoffe mit sehr hoher Tem-

peraturwechselbeständigkeit:

Glaskeramik: Ceran®

technische Keramik: Aluminiumtitanat

Eisen-Nickel-Legierung: INVAR®

Ausdehnungskoeffizient 𝛼

Elastizitätsmodul E

𝛼 ∙ E = min

hohe Thermoschockbeständigkeit

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte

Material-

anforderungen aus

Kostensicht

Exkurs

Berücksichtigung

wirtschaftlicher

Faktoren

Gewährleistung des

Produkterfolges am

Markt

Analyse der Lebenszykluskosten (life cycle cost)

Materialkosten Fertigungskosten Servicekosten (Wartung/Reparatur) Entsorgungskosten

Kosten, die im Laufe eines Produktlebens durch den Werkstoff verursacht werden

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Herstellkosten

Materialkosten Fertigungskosten

ca. 43% der Produktgesamtkosten

Einkauf, Rohmaterial, Halbzeug, Norm- & Kaufteile

einschl. Fertigungskosten usw. des Zu- lieferers

starker Einfluß der Fertigungseigen-schaften

unterschiedliche Eignung der Werkstoff-gruppen für Herstellverfahren

Variation durch Toleranzanspruch & Oberflächenqualität möglich

Page 69: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Materialkosten

nach Sparten

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Materialkosten

nach Sparten

Page 71: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

71

Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Reduzierung werk-

stoffseitig beein-

flußter Kosten

Materialkosten wirtschaftliche Schwach-

stellen eines Produkts

Senkung der

Rohmaterialkosten

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Brutto-

volumen

V

Strategien

Kleinbau/

Leichtbau Sparbau

Reduzierung

des Abfalls

Kleinbau für strukturmechanische Anwendun-

gen durch Einsatz hochfester bzw.

hochsteifer Materialien

Bsp.: hochfeste Stähle weisen gerin-

gere Relativkosten auf als nieder-

feste

Page 73: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Leichtbau Berücksichtigung neuester Werkstoffentwicklungen (z.B. Metall-

schäume)

Bauteilkonstruktionen in Integral- und Differentialbauweise; unkon-

ventionelle Strategien, z.B. Hybrid- oder Sandwichbauweise

neue Freiheiten/Einschränkungen bei der Materialauswahl

beanspruchungsgerechtes & fertigungsgerechtes Gestalten: sta-

tische Zug-Druck-Last (Beanspruchung über gesamten Querschnitt)

vor Biegelast (B. in den Randzonen)

Page 74: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Sparbau wichtige Wahl des Fertigungsverfahrens

Bsp.: Schweiß-/Blechkonstruktionen oft günstiger als Gußkonstruk-

tionen

endformnahe („near-net-shape“) Herstellverfahren

Reduzierung

des Abfalls

endformnahe Fertigungsverfahren

drastische Reduzierung von Materialschrott

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

75

Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Kosten

Volumen

KV

Strategien

Verwendung von

kostengünstigem Material

Oberflächen-

behandlungen

Verwendung von

kostengünstigem Material

Verwendung von anwendungsytypischen Werkstoffen/Massenwerk-

stoffen/Halbzeugen

große Mengen garantieren niedrigeren Einkaufspreis

Einsatz kostengünstiger Fertigungsverfahren

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen

ökonomische Werkstoffkennwerte Exkurs

Oberflächen-

behandlungen

Cave: Verwendung von oberflächenbehandelten Materialien Her-

stellkosten

Veredelung von sinnvollen, kostengünstigen Grundmaterialien

Zerspanung von „weichen“ Materialien möglich

Einsatz eines Korrosions-/Verschleißschutzes

Verzinken

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ökonomische Werkstoffkennwerte ASHBY-Diagramme

Elastizitätsmodul E/Festigkeit 𝜎f vs. volumenbez. Relativkostenfaktor :

ASHBY-Diagramme: Relativkosten auf Einheitsvolumen bezogen

abh. von Rohstoffpreis, Materialmenge, Lieferkosten, Verfügbarkeit usw.

Definition eines Basiswerkstoffes: unlegierter Rundstahl ( = 1) kei-

ne laufende Anpassungen der Schaubilder an Währungs-/Preisschwankun-

gen nötig

Suche nach Strukturwerkstoffen die bei geringer Verformung (hohe E-Mo-

duln) oder hoher Beanspruchung (hohe Festigkeit) niedrigste Bauteilkosten

realisieren!

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ASHBY-Diagramme ökonomische Werkstoffkennwerte

Elastizitätsmodul E/Festigkeit 𝜎f vs. volumenbez. Relativkostenfaktor kV:

Page 79: Werkstoffe 0.3. - Werkstoffauswahl

WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Werkstoffschaubilder

ökonomische Werkstoffkennwerte ASHBY-Diagramme

Dic

hte

ϱ K

oste

n K

keine absoluten Berechnungen möglich

keine Grenzbedingungen (z.B. BT-Kosten < 1000 €)

wechselseitige wirtschaft-liche Bewertung vorausge-wählter Materiallösungen

technische Keramiken

Titanlegierungen

faserverstärkte Kunst-stoffe (CFK, GFK)

Stähle

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Phase II – Schritt 2.2: Vergleich der Eigenschaftsprofile von Werkstoffen mit Anforderungsprofil Liste möglicher Materiallösungen Liste möglicher Materiallösungen

Die Liste möglicher Materiallösungen ist das Ergebnis eines Suche, die anhand sinnvoller

Suchkriterien die große Anzahl der Konstruk-tionswerkstoffe auf die für den Anwendungs-

fall passenden Materialien eingrenzt.

Cave: Die Liste stellt keine Reihenfolge dar!

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase III – Feinauswahl und Bewertung

Informationsbeschaffung zu Material-lösungen

Ermittlung von Bewertungskriterien

Bewertung in Bewertungsmatrix

Sammeln weiterführender Informationen & Feinauswahl

Festlegung auf Anzahl von Versuchs-werkstoffen

Liste der Versuchswerkstoffe

Rangliste der Materiallösungen

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Beurteilungskriterien Bewertungsverfahren Gewichtung Materialindizes Einbeziehung des Ferti-gungsverfahrens

Bewertung der möglichen Materiallösungen mit einem

geeigneten Verfahren

Phase III – Feinauswahl und Bewertung

1. … 2. … 3. … …

evtl. verschärfte Eignungsprü-fung der Lösungskandidaten

Rangliste der Materiallösungen

Liste von Versuchswerkstoffen

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WERKSTOFFE 0.3. – DR. BERND STANGE-GRÜNEBERG, JUNI 2014

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Phase IV – Evaluierung &Validierung von Produkteigenschaften

Bewertung sowie Nachweis von Bauteil-anforderungen durch eigene Unter-suchungen

Diskussion der Entscheidungsvorlage unter Einbeziehung sachübergreifen-der Aspekte

Werkstoffentscheidung

Entscheidungsvorlage

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Phase IV – Evaluierung &Validierung von Produkteigenschaften

Simulation des Betriebs-verhaltens durch Modell-bildung

Nachweis (Validierung) der Materialeignung durch Prüfung (Evaluierung) konkreter Bauteil-

und Produktanforderungen

Werkstoffentscheidung

Entscheidungsvorlage

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