Werkstoffauswahl Einbindung der methodischen Werkstoffauswahl in den Produktenstehungsprozess

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Bei ausreichend genauer Datenlage ermöglicht die methodische Werkstoffauswahl eine eindeutige, quantitative Entscheidungsfindung. Durch eine optimierte Einbindung in den Produktenstehungsprozess kann auch die Nachhaltigkeit berücksichtigt werden.

Die Nachhaltigkeit eines Produktes wird maßgeblich von den verwendeten Werkstoffen bestimmt. Traditionell beruht die Auswahl dieser Werkstoffe auf Erfahrung. Oft wird auf den über die Jahre angesammelten Erfahrungsschatz von Experten zurückgegriffen, beispielsweise in Form langjähriger Mitarbeiter oder einschlägiger Fachliteratur.

Die Effektivität dieses Vorgehens stößt jedoch an seine Grenzen, sobald neue Werkstoffoptionen in Betracht kommen. Wie viel besser ist der neue Werkstoff? Welche Nachteile hat er? Ist er so viel besser, dass sich das Risiko einer Umstellung lohnt? Diese Fragen werden besser auf einer quantifizierbaren Grundlage beantwortet als nach dem Bauchgefühl des Entscheiders.

Auch die zunehmende Forderung nach nachhaltigen Produkten erschwert die Werkstoffauswahl. Häufig lassen sich die notwendigen Informationen zur Nachhaltigkeitsbewertung nicht direkt durch Werkstoffeigenschaften beschreiben oder fehlen gänzlich. Liegen diese Daten vor, fehlt ein Vorgehen zur Ableitung der Werkstoff-Entscheidung, die entstehende Risiken und Kosten im Kontext der angestrebten ökologischen Nachhaltigkeit bewertet.

Methodische Werkstoffauswahl

Die Werkstoffauswahl nach Ashby ermöglicht die lösungsneutrale Identifikation der besten Werkstoffoption aus allen verfügbaren Werkstoffen. Dabei werden erst alle Werkstoffoptionen eliminiert, die sich für den Anwendungsfall nicht eignen. Danach werden die infrage kommenden Optionen anhand von Zielgrößen bewertet. Die Formulierung von Trade-Offs erlaubt dann eine quantitativ abgesicherte Werkstoffauswahl.

Für diese Form der Werkstoffauswahl müssen sowohl die Anforderungen an das Produkt in Funktionen, Restriktionen, Zielgrößen und freie Variablen übersetzt als auch entscheidungsrelevante Daten ermittelt werden, welche sich nicht über Datenbanken bestimmen lassen. Um diese Eingangsgrößen zu ermitteln, muss die Werkstoffauswahl nach Ashby, vor allem bei Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten, durch Werkzeuge zur Verbesserung der Datenlage ergänzt und in den Produktentstehungsprozess (PEP) eingebunden werden.

Am Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung (MSE) der RWTH Aachen wurde eine Methode entwickelt die im ersten Schritt eine Präferenzanalyse durchführt, um die Zielgrößen und Restriktionen festzulegen. Darauf basierend wird der individuelle Fokus im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit, Funktionalität und Nachhaltigkeit ermittelt. Anhand dieses Fokus wird bestimmt, welche Werkzeuge die Werkstoffauswahl unterstützen können und wann diese angewendet werden. Dann folgt die methodisch unterstützte Werkstoffauswahl nach Ashby. Aus den darüber ermittelten besten Werkstoffoptionen wird über Trade-Offs (Kompromisse zwischen den Zielgrößen) eine objektive Auswahl getroffen.

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Unterstruktur einer Automobiltür

Am Beispiel einer Versteifung im oberen Bereich einer Automobiltür soll dieses Vorgehen kurz vorgestellt werden. Per Präferenzanalyse werden die aufgewendete Energie und die Werkstoffkosten als Zielgrößen identifiziert. Die ökologische Nachhaltigkeit steht hier im Vordergrund, zu ihrer Berücksichtigung wird die Durchführung einer zeitoptimierten Lebenszyklusanalyse (LCA) innerhalb des PEP festgelegt. Der auslegungsrelevante Parameter für die betrachtete Unterstruktur im dominanten Hauptlastfall ist die Verformung durch Biegung, idealisiert betrachtet liegt ein hohler Biegebalken mit Steifigkeitsrestriktion vor. Die Art und Dicke des Werkstoffs werden als freie Variablen definiert, wobei sich die Bauteildicke über die Biegesteifigkeitsrestriktion durch die jeweiligen Werkstoffeigenschaften ergibt. Alle anderen Parameter bleiben unverändert.

Beide Zielgrößen hängen über das Bauteilgewicht von der Werkstoffdicke ab. Während die Werkstoffkosten in Datenbanken verfügbar sind, muss die aufgewendete Energie anderweitig bestimmt werden. Dazu wird sie zunächst über Informationen aus Datenbanken und einfachen Überschlagsformeln abgeschätzt, unter anderem wird der Spritverbrauch in der Nutzungsphase und der typische Recyclinganteil berücksichtigt. Damit wird eine erste lösungsneutrale Bewertung der Werkstoffoptionen hinsichtlich beider Zielgrößen durchgeführt, wobei zwei unidirektional kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Stahl und Aluminium als beste vier Optionen identifiziert werden. Um die aufgewendete Energie präzise und entscheidungsrelevant zu ermitteln, wird zu den vier Werkstoffoptionen je eine zeitoptimierte Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Dabei werden die größten Einflussfaktoren auf die aufgewendete Energie in jeder Phase des Produktlebenszyklus bestimmt und der Energieaufwand ausreichend genau abgeschätzt. Zur quantifizierbaren Auswahl wird eine Trade-Off Präferenz formuliert: Ein gespartes Megajoule (MJ) ist in diesem Fall 10 Cent wert. Mit Hilfe dieser Beziehung und des Zielgrößendiagramms wird kohlefaserverstärktes Epoxid als nutzenoptimaler Werkstoff ausgewählt.

Bei ausreichend genauer Datenlage ermöglicht die methodische Werkstoffauswahl eine eindeutige, quantitative Entscheidungsfindung. Durch eine optimierte Einbindung in den Produktentstehungsprozess kann – trotz begrenzter Erfahrung auf dem Gebiet – die Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Damit kann jeder Entscheider ohne großen Mehraufwand über die Werkstoffauswahl die Nachhaltigkeit seiner Produkte verbessern, ohne dabei Kosten und Funktionalität aus den Augen zu verlieren.

* Marian Kozlowski, Prof. Georg Jacobs, Jonathan Sprehe: alle Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung, RWTH Aachen

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