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Werkstoffe computergestützt auswählen

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Beispiel: Kabel im Automobil

Nachfolgend soll dies für die Informationsübertragung, z.B. ein Buskabel für ein Automobil im Hinblick auf den Leichtbau erläutert werden. Es werden heute immer mehr Daten im Auto intern übertragen, Verbindungen bis zu 100 Steuergeräten werden benötigt. Diese Übertragung erfolgt in einem Auto mit Kabeln mit bis zu 8 km Gesamtlänge.

Als erstes muss der Materialindex M aufgestellt werden. Dies erfolgt aus den Eigenschaften des zu schaffenden Produktes. Der elektrische Widerstand R und, leichtbaubedingt, die Masse m des Leiters sollten so klein wie möglich bei geringen Kosten K sein, also M = R · m · K → minimal. Man benötigt einen Leiter mit einem Durchmesser d und einer Länge l. Der Preis ist proportional der Masse m mal dem Preis/kg. Setzt man die Widerstandsbemessungsgleichung und die Gleichung für die Massenberechnung aus Dichte mal Volumen ein, erhält man für M die folgende Gleichung mit den zwei Materialindizees M1 und M2 und dem Geometriefaktor G:

Gleichung siehe Bild 3

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Der Auswahlgrundsatz für eine Werkstoffwahl ist dann erfüllt, wenn der Werkstoff ein vorher aufgestelltes Eigenschaftsprofil erfüllt. Das Eigenschaftsprofil ist die Summe aus Anforderungsprofil plus eine Sicherheit. Das sind in diesem Beispiel die Werkstoffe, wo M1 und M2 minimal sind. Trägt man jetzt die Größen M1 und M2 in einem Ashby-Diagramm auf, Bild 1, dann erkennt man, dass auf Linien mit gleichem Anstieg ähnliche Eigenschaften bei aber höheren Kosten vorliegen. Dies wird deutlich in einem Zoom. Aluminium und Kupfer liegen auf etwa den gleichen spezifischen Kosten. Kupfer ist wegen der höheren Dichte und des besseren Widerstands trotzdem nach rechts verschoben und hat damit schlechtere Gesamteigenschaften als Aluminium, Bild 2.

Ein entscheidender Nachteil dieser Ashby-Diagramme ist jetzt, dass mit diesem Ansatz Leichtbau nur die Informationsübertragung mit elektrischen Impulsen betrachtet wird. Berücksichtigt man nun, dass eine Informationsübertragung im Automobil auch über noch leichtere Kunststofflichtwellenleiter mit Lichtimpulsen erfolgen kann, dann zeigt dies die Schwäche dieses teilautomatisierten Verfahrens der Werkstoffauswahl. Für die Lichtübertragung sind keine Daten in der Datenbank hinterlegt.

Breit ausgebildete Ingenieure gefragt

Fazit: Der Ingenieur besitzt mit der computergestützten Werkstoffauswahl ein gutes Hilfsmittel um Vorentscheidungen schnell und effektiv treffen zu können. Diese Hilfsmittel sind aber nur dann erfolgreich einsetzbar, wenn hierbei umfassende und auch andere Lösungsprinzipien mit einbezogen werden können. Für neue innovative Produkte sind als Entwickler breit ausgebildete Ingenieure mit ökonomischen Kenntnissen und Teamfähigkeit gefragt. (qui)

Literatur:

[1] https://de.statista.com/statistik/daten/studie/221687/umfrage/vergleich-der-kosten-von-carbon-aluminum-und-stahl/

[2] Ashby, M.: Materials Selection in Mechanical Design, 4.ed; Elsevier; ISBN 978-1-85617-663-7

[3] CES Selector Version 5.1.; Granta design Limited, Build 2009

* Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Spieß, Institut für Werkstofftechnik, TU Ilmenau

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