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Leichte Werkstoffe nicht immer optimal

Der Umweltcharakter bei vielen neuen Produkten ist dadurch geprägt, dass z.B. im Automobilbau die Tatsache wirkt, dass weniger bewegte Masse eindeutig weniger Kraftstoff erfordert und der CO2-Ausstoß verringert wird. Der Aluminiumdruckguss des Motorblocks oder das Aluminiumblech (Dichte 2,7 gcm-3) wiegt formal gesehen bei gleichen Abmessungen nur ein Drittel des Stahlgussmotorblocks oder des Stahlblechs (Dichte 7,87 gcm-3). Hier wird aber nur eine Größe verglichen. Um z. B. auf gleiche Steifigkeiten (Elastizitätsmodul pro Dichte) zu kommen, müssen die Aluminiumbauteile z.T. dicker ausgelegt werden. Bezieht man bei der Karosserie dann noch Kohlefaserwerkstoffe ein, sind die Relationen nochmals verschoben. Diese sind nochmals leichter und z.T. steifer. Aber Kohlefaserbauteile verformen sich im Crashfall nicht und benötigen deshalb Sonderkonstruktionen, weshalb sie derzeit wesentlich teurer sind. Ebenso existieren derzeit noch keine schlüssigen Konzepte zum Recycling von Kohlefaserverbundwerkstoffen.

Dann sind auch die Verfügbarkeit und der Preis des Materials zu beachten. Aluminium ist sehr energieintensiv in der Erstherstellung. In [1] werden die relativen Kosten für ein gleichwertiges Funktionalteil im Jahr 2010 und prognostiziert für das Jahr 2030 angegeben. Sie betragen für Stahl als Referenz 100 % / 100 %, für Aluminium 130 % / 140 % und für Kohlefaser 570 % / 190 %. Das heißt, Aluminiumteile sind weiterhin teurer als Stahlteile, Kohlefaserteile werden in ca. 15 Jahren immer noch fast doppelt so teuer wie Stahlteile sein, aber gegenüber 2010 nicht mehr fast sechsfach teurer.

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Die methodische Werkstoffauswahl

Bei der methodischen Werkstoffauswahl ist die Software CES4 nach Prof. Ashby [2,3] ein praktikables Hilfsmittel. CES4 ist eine speziell aufbereitete Datenbank, die von allen enthaltenen Werkstoffen einen vollständigen Datensatz über alle Materialkennwerte, aber auch Kosten, Umweltaspekte und Herstellungsmöglichkeiten enthält.

Es ist möglich, Eigenschaften mathematisch zu verknüpfen und gegeneinander aufzutragen, z.B. die Steifigkeit als x-Achse über den Preis/kg als y-Achse. Jeder Werkstoff wird dabei als Gebiet (Kreis oder Ellipse) mit seinen Schwankungen in den Materialparametern aufgetragen. Man kann alle Werkstoffe oder auch nur Metalle, Halbleiter, Isolatoren oder Verbundwerkstoffe auftragen.

Praktisch geht man so vor, Bemessungsgleichungen für eine Produkteigenschaft aufzuschreiben. Durch Umformen erhält man meist funktionale Parameter, geometrische Bedingungen und Materialindizes.

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