[ME1] – Werkstoffauswahl als Konstruktionskriterium

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext gehen wir auf die Werkstoffauswahl als Konstruktionskriterium ein. 

Für ein optimales Verständnis hilft dir ein anschauliches Beispiel  zu dem Thema.

 

Werkstoffauswahl – Technische Anforderungen

Wie wir bereits im vorangegangenen Kurstext gesehen haben, ist die richtige Werkstoffauswahl entscheidend für die Funktionstüchtigkeit und Beständigkeit sowie in der Gesamtheit der Qualität eines Bauteils

 

Werkstoffauswahl als Konstruktionskriterium
Werkstoffauswahl als Konstruktionskriterium

 

Damit alle Anforderungen an die Funktionalität des Bauteils erfüllt werden können, müssen im Vorfeld die technischen Anforderungen an den Werkstoff genau definiert werden. 

 

Die Frage stelle ich mir auch…

Entscheidend sind hier die Materialeigenschaften des Werkstoffes und die Beantwortung der Frage ob diese vollständig den technischen Anforderungen gerecht werden. 

 

Werkstoffauswahl – Kostenaspekt

Es existieren Werkstoffe, die den technischen Anforderungen nicht nur entsprechen, sondern auch noch in großem Umfang übertreffen. Dass die Wahl letztlich dennoch auf einen vermeintlich minderwertigeren Werkstoff fällt, liegt häufig an den Kosten. Zudem sollte der potentielle Werkstoff auch wirtschaftlich zu verarbeiten sein. 

 

Werkstoffauswahl - Kosten eines Werkstoffes
Werkstoffauswahl – Kosten eines Werkstoffes

 

Neben den reinen Materialkosten, gilt es auch die Kosten für die geeigneten Fertigungsprozesse zu ermitteln, damit sich eine Fertigung überhaupt rentiert. Oft trennt man hier noch zwischen den Kosten einer Einzelfertigung, Serienfertigung und Massenfertigung. 

 

Die Menge machts…

Mit steigender Stückzahl nehmen auch die Einzelkosten stetig ab, da die Fixkosten sich auf mehr Bauteile umlegen. Die variablen Einzelstückkosten sind davon nur selten betroffen. 

 

Werkstoffauswahl – Lagerhaltung

Fällt die Wahl auf einen bestimmten Werkstoff, gilt ebenfalls zu klären, welche Kosten bei der  Lagerung des Werkstoffes entstehen. Handelt es sich um einen Werkstoff, der problemlos auf dem Firmengelände gelagert werden kann oder muss der Werkstoff innerhalb der Firma, ggf. noch unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen gelagert werden. 

Ist letzteres der Fall so können die Kosten hier ebenfalls stark steigen. 

 

Werkstoffauswahl - Kosten der Lagerung
Werkstoffauswahl – Kosten der Lagerung

 

Merk’s dir!

In diesem Zusammenhang erwähnen wir jetzt noch mal die Entsorgung von Werkstoffresten oder dessen Recycling. Auch hier können bei bestimmten Werkstoffen hohe Kosten auftreten. 

 

Werkstoffauswahl – Werkstoffangebot

Für die Fertigung von Bauteilen stehen dem Konstrukteur mehr als 80.000 unterschiedliche aber technische relevante Werkstoffe zur Verfügung.

  • 40.000 davon sind metallisch und
  • 40.000 sind nicht metallisch.

 

Der Konstrukteur benötigt hier einen hohen Erfahrungsschatz und Wissensstand um die Menge an Materialdaten richtig deuten zu können, so dass er die bestmögliche Werkstoffauswahl trifft. 

 

Werkstoffauswahl - Wahl aus verfügbaren Werkstoffen
Werkstoffauswahl – Wahl aus verfügbaren Werkstoffen

 

Werkstoffauswahl – Substitution

Unter der Substitution versteht man den Austausch eines verwendeten Werkstoffes durch einen alternativen Werkstoff. Diesen Schritt geht man immer dann, wenn mit einer Steigerung des technischen Gebrauchswertes oder mit einer Reduzierung der Produktionskosten zu rechnen ist. 

 

Merk’s dir!

Speziell Konstrukteure mit geringer Erfahrung erzeugen durch die Entscheidung für einen alternativen Werkstoff mit unter ein hohes Risiko, weshalb eine Substitution immer genau abgewogen werden sollte. Gelingt der Austausch erfolgreich, so führt dies fast immer zu einer Verbesserung des Bauteils und zu einer Senkung der Herstellungskosten. 

 

Werkstoffauswahl – Gewohnheit

Menschen sind Gewohnheitstiere – so die Redewendung. Davon sind auch Konstrukteure nicht ausgenommen. Werkstoffe mit denen in der Vergangenheit positive Erfahrungen gesammelt wurden, werden vermutlich auch in der Zukunft weiter eingesetzt. 

 

Werkstoffauswahl – Neuentwicklung

Anders verhält es sich bei der Neuentwicklung eines Produkts. Hier muss der Konstrukteur zwischen altbewehrten und modernen Werkstoffen unterscheiden und letztlich entscheiden.  

 

Der richtige Werkstoff

Die Doofus GmbH möchte eine neuartige Welle-Nabe-Verbindung entwickeln und muss sich zwischen zwei Werkstoffen entscheiden.

Welle - Kosten - Konstruktion - Werkstoffauswahl
Welle – Kosten – Konstruktion – Werkstoffauswahl

 

  • Der erste Werkstoff bietet eine ausreichende Festigkeit bei geringen Materialkosten
  • Der zweite Werkstoff ist teurer, besitzt dafür auch eine wesentlich höhere Festigkeit. 

 

Wie sollen sich die Konstrukteure denn jetzt entscheiden? – Die Entscheidung fällt auf den zweiten Werkstoff. 

Warum wurde so entschieden? – Einem der Konstrukteure ist aufgefallen, dass die angenommen Mindestfestigkeitswerte, die von beiden Werkstoffen eingehalten werden, nur für statische Belastungen gelten. Sobald jedoch eine dynamische Belastung auftritt, ist eine Gewährleistung der Funktionstüchtigkeit vom ersten Werkstoff nicht mehr gegeben. 

 

Dieses einfache Beispiel möge dir zeigen, dass oft einzelne Kriterien Werkstoffe in eine Auswahl ein- oder ausschließen. 

 

Wie geht’s weiter?

Nachdem wir uns jetzt ausführlich mit dem Konstruktionskriterium, Werkstoffauswahl, befasst haben, schauen wir uns im nächsten Abschnitt die Lieferketten als Konstruktionskriterium an. 

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