Bei der Materialauswahl zu berücksichtigende Faktoren
Die richtige Materialauswahl bedeutet, dass die Produkte die optimale Leistung, Langlebigkeit und Kosten aufweisen sowie den Anforderungen der Nachhaltigkeit entsprechen.
Bei der Entscheidung, welches Material sich am besten für ein technisches Projekt eignet, sind verschiedene Kriterien zu berücksichtigen, darunter:
- Mechanische Eigenschaften: Zu diesen Eigenschaften gehören Faktoren wie Verformbarkeit, Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Steifigkeit. Sie bestimmen, wie das Material auf Belastungen und Beanspruchungen reagieren wird.
- Physikalische Eigenschaften: Zu diesen Eigenschaften gehören elektrischer Widerstand, Dichte und Wärmeleitfähigkeit. Sie zeigen, wie das Material mit der physikalischen Welt interagieren wird.
- Chemische Eigenschaften: Diese Eigenschaften zeigen, wie ein Material durch Dinge wie Korrosion oder Reaktivität beeinflusst wird.
- Kosten: Die Kosten eines Materials sind ebenfalls ein wichtiger Faktor bei der Materialauswahl, da einige Anwendungen teurere Materialien erfordern und verdienen als andere.
- Verfügbarkeit: Seltenere Materialien sind nicht nur teurer, sondern auch schwieriger zu beschaffen.
- Nachhaltigkeit: Die Umweltverträglichkeit eines Materials ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium und bedeutet, dass Fragen zur Lebenserwartung und zum einfachen Recycling beantwortet werden müssen.
Prozess der Materialauswahl
Um den Prozess der Materialauswahl zu erleichtern, kann ein Materialauswahldiagramm (auch Ashby-Diagramm genannt) verwendet werden. Es bietet eine grafische Darstellung der verschiedenen Materialien und ihrer Eigenschaften und ermöglicht eine unparteiische, systematische und schnelle Auswahl durch den Vergleich verschiedener Materialien anhand unterschiedlicher Kriterien.
Für Anwendungen, die leichte Materialien mit geringer Dichte und hoher Festigkeit erfordern, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie, können Sie die entsprechende Materialfamilie nach den gewünschten Eigenschaften in der Tabelle durchsuchen.
Bevor jedoch eine Auswahltabelle verwendet werden kann, ist es wichtig, die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Eigenschaften zu kennen. Wie komplex diese Aufgabe ist, hängt davon ab, wie viele verschiedene Eigenschaften das Material haben muss. Ein Ingenieur muss die Anforderungen ermitteln und auflisten, bevor sie mit den verfügbaren Materialien abgeglichen werden können, wobei Faktoren wie Kosten, Sicherheit und Umweltauswirkungen zu berücksichtigen sind. Die Materialliste wird dann eingegrenzt, um die am besten geeigneten Materialien zu finden. Anschließend können Proben getestet werden, um sicherzustellen, dass sie für die gewünschte Anwendung geeignet sind.
Der Prozess der Materialauswahl lässt sich in die folgenden Phasen unterteilen:
- Anforderungen definieren: Der erste Schritt besteht darin, die Anforderungen der Anwendung zu ermitteln, einschließlich der Betriebstemperaturen, des Drucks, der Korrosion und der Belastung.
- Materialien identifizieren: Auflistung potenzieller Werkstoffe, die die Anforderungen erfüllen, seien es Keramiken, Metalle, Polymere oder Verbundwerkstoffe.
- Auswahlliste erstellen: Analysieren Sie die von Ihnen identifizierten Materialien, um eine Auswahlliste zu erstellen, indem Sie Faktoren wie Kosten und Verfügbarkeit bewerten. Dieser Schritt kann durch die Verwendung eines Ashby-Diagramms erleichtert werden.
- Bewertung: Die in die engere Wahl gekommenen Materialien können nun einer eingehenden Bewertung unterzogen werden. Dabei können auch die in Schritt eins festgelegten Anforderungen geprüft werden.
- Auswahl: Der letzte Schritt besteht in der Auswahl des ausgewählten Materials, die auch Qualitätssicherungsprüfungen umfassen kann, um sich der Auswahl sicher zu sein.
Die endgültige Auswahl ist noch nicht das Ende des Prozesses, denn es lohnt sich, eine kontinuierliche Überwachung und Bewertung durchzuführen, um sicherzustellen, dass das gewählte Material immer noch das beste für die jeweilige Anwendung ist. Die Anforderungen können sich im Laufe der Zeit ändern oder es können neue und bessere Materialien verfügbar werden.
Warum ist die Materialauswahl wichtig?
Die Auswahl von Werkstoffen ist für die Technik von großer Bedeutung, da sie die Grundlage für jeden Teil des Entwurfsprozesses bildet, von dem aus die Fähigkeiten des Endprodukts bestimmt werden. Sie beeinflusst die Funktionsweise eines Produkts, seine Herstellung, seinen Lebenszyklus und die Frage, ob es leicht recycelt werden kann.
Die Wahl des Materials bestimmt auch Faktoren wie Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit, Dichte und die Reaktion eines Produkts auf Umweltbedingungen. Die verschiedenen Eigenschaften können durch Messungen wie den Elastizitätsmodul (Young's modulus) bestimmt werden, der die Elastizität bei Zug oder axialem Druck angibt.
Die Auswahl eines ungeeigneten Materials kann negative Folgen für die gewünschte Anwendung und auch für die Gesundheit und Sicherheit haben. So kann eine unzureichende Streckgrenze zum Versagen einer Struktur führen, während eine unzureichende Chemikalien- oder Korrosionsbeständigkeit dazu führen kann, dass ein Objekt früher als vorgesehen versagt.
Natürlich kann es bei der Werkstoffauswahl erforderlich sein, zwei oder mehr Werkstoffe zusammen zu betrachten, um festzustellen, wie sie sich verhalten, wenn sie nebeneinander verwendet werden. Kohlenstoffstahl zum Beispiel leidet viel schneller unter galvanischer Korrosion, wenn er in einer elektrolytischen Lösung mit Edelstahl in Berührung kommt, als wenn er isoliert verwendet wird.
Die Verwendung der richtigen Werkstoffe kann sich auch auf die Kosten auswirken, da einige teurer sind als andere, und auch die Nachhaltigkeit ist ein Faktor, wobei Umweltaspekte im Zusammenhang mit der Produktion, dem Recycling und den Emissionen zu berücksichtigen sind.
All diese Überlegungen sind wichtig, um die Eignung der in Frage kommenden Materialien zu beurteilen.
Schlussfolgerung
Ganz gleich, ob Sie die Auswahl von Werkstoffen für die mechanische Konstruktion oder für eine andere Anwendung in Betracht ziehen, die Wahl des richtigen Werkstoffs für Ihre Bedürfnisse ist ein wichtiger Bestandteil der Industrie, der Fertigung und des Ingenieurwesens. Das gewählte Material sollte nicht nur die gewünschten Eigenschaften für Ihre Anwendung haben, sondern auch danach beurteilt werden, wie es unter den gegebenen Einsatzbedingungen mit anderen Materialien interagiert, wie nachhaltig es ist, wie es sich auf die Umwelt auswirkt und was es kostet.
Wird einer dieser Faktoren falsch eingeschätzt, kann dies nicht nur finanziell kostspielig sein, sondern auch die Umwelt beeinträchtigen oder zu katastrophalen Ausfällen und gefährlichen Gesundheits- und Sicherheitsproblemen führen.
Es gibt eine Reihe von Hilfsmitteln, die Ihnen bei der Auswahl der richtigen Materialien helfen, aber mit der Auswahl eines bestimmten Materials ist der Prozess noch nicht abgeschlossen. Die Werkstoffe müssen ständig überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie für Ihre Anwendung immer noch am besten geeignet sind, da neue Alternativen verfügbar werden oder äußere Faktoren die Kosten, die Verfügbarkeit oder die Eignung der gewählten Werkstoffe beeinflussen können.