Methodik der Werkstoffauswahl

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1 Martin Reuter Methodik der Werkstoffauswahl Der systematische Weg zum richtigen Material 2., aktualisierte Auflage

2 Martin Reuter Methodik der Werkstoffauswahl

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4 Martin Reuter Methodik der Werkstoffauswahl Der systematische Weg zum richtigen Material Mit 50 Bildern, 27 Tabellen und einer Vielzahl nützlicher Internetlinks Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dr.-Ing.Martin Reuter Fachhochschule Hannover FB Maschinenbau Bibliografische Information derdeutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografischedaten sind iminternet über abrufbar. ISBN-10: ISBN-13: DiesesWerk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2007 Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Christine Fritzsch Herstellung: Renate Roßbach Satz: Martin Reuter, Hannover Druckund Bindung: Beltz Bad Langensalza GmbH, BadLangensalza Printed in Germany

6 »Der Weltuntergang steht bevor, aber nicht so, wie Sie denken. Dieser Krieg jagt nicht alles in die Luft, sondern schaltet alles ab.«tom DeMarco Als auf der Welt das Licht ausging ca. 560 Seiten. Hardcover ca. 19,99 [D]/ 20,60 [A]/ sfr 28,90 ISBN Erscheint im November 2014 Hier klicken zur Leseprobe Sie möchten mehr über Tom DeMarco und seine Bücher erfahren. Einfach reinklicken unter

7 Vorwort Die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens hängt wesentlich davon ab, ob es mit innovativen, technisch überzeugenden und wirtschaftlich gestalteten Produkten auf den Weltmärkten bestehen kann. Neue Werkstoffe sind Impulsgeber für diese erforderlichen Produktinnovationen bzw. für innovativ weiterentwickelte Erzeugnisse. Fast kein Tag vergeht, an dem nicht ein neues Material auf den Markt drängt und nach seinen Anwendungen sucht. Vielversprechende neue Werkstoffeigenschaften, die von den Materialherstellern bewusst kreiert werden, bieten für Produkte erhebliche und teils überraschende Verbesserungspotenziale. Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe haben dabei die in der Vergangenheit fast ausnahmslos eingesetzten Metalle als anerkannte Konstruktionswerkstoffe aus vielen ihrer angestammten Plätze verdrängt. Dennoch dürfen die metallischen Werkstoffe nicht als Auslaufwerkstoffe angesehen werden. Hochwertige Stahl- und Gusseisensorten, Hochtemperaturlegierungen u.v.m.behaupten sich aufgrund verbesserter Eigenschaftswerte oder der Überwindung bisheriger Nachteile in vielen Anwendungen gegenüber der Konkurrenz aus den anderen Werkstoffgruppen. Die Ergebnisse dieser Entwicklungen sind beispielsweise die Zweiphasen-Stähle mit einer hohen Umformbarkeit für hochfeste Verbindungselemente, das Austempered Ductile Iron (ADI) mit hoher Verschleißfestigkeit und Härte, das Gusseisen mit Vermikulargrafit (GJV) für den Motorenbereich oder hochwarmfeste Gamma-Titan-Aluminide für deneinsatz in der Luftfahrtindustrie. Wie aber wird der richtige Werkstoff für die Anwendung gefunden? In der Praxiswird häufig auf bewährte oder ähnliche Werkstofflösungen zurückgegriffen, um das Produktrisiko möglichst gering zu halten. Man scheut sich vor einer Innovation durch ein neues Material, da Werkstoffgruppen wie die Keramiken, Gläser oder Polymere dem hauptsächlich metallisch geschulten Konstrukteur wenig bekannt sind. Es wachsen zwar zunehmend auch mit Kunststoffen arbeitende Konstruktionsabteilungen heran, aber deren Mitarbeiter geltenmeist entweder alsmetall- oder alskunststoffexperten. Der Anlass für dieses Lehrbuch über die methodische Werkstoffauswahl war die Erkenntnis, dass dem Konstrukteur nur wenige Hilfsmittel bei seiner Materialsuche über die Werkstoffgruppen hinweg zur Verfügung gestellt werden. Die daraufhin einsetzende Literaturrecherche bestätigte, dass kein ausgewiesenes Buch auf dem deutschsprachigen Markt vorhanden ist, welches die Grundzüge einer methodischen Werkstoffauswahl beschreibt. Das Buch richtet sich daher an Studierende, insbesondere des zweiten Studienabschnitts (Diplom-, Bachelor- und Masterstudiengänge), denen nach den in der Regel auf die Gestaltung metallischer Bauteile ausgerichteten Konstruktionsvorlesungen und -übungen sowie den Vorlesungen der Werkstoffkunde die Potenziale einer innovativen Werkstoffauswahl nur wenig verdeutlicht wurden. Durch die vorgestellte Methodik wird versucht, die Befangenheit vor neuen Werkstoffen abzubauen und den Einstieg in ein breiteres, konstruktives Werkstoffwissen zu erleichtern. Insbesondere in den dargestellten Werkstoffschaubildern wird die notwendige Übersichtlichkeit in den Eigenschaftswerten aller Materialgruppen erreicht, sodass die Vorteile von Werkstoffenfür den Anwendungsfall schnell erkennbarwerden.

8 6 Vorwort Darüber hinaus soll dieses Buch Konstrukteuren gleichgültig, ob in Hoch- oder Technikerschulen ausgebildet helfen, eingetretene Pfade bei der Werkstoffsuche zu verlassen, welche aufgrund der beschriebenen Vorliebe zu einer bestimmten Materialgruppe entstanden sind. Schließlich soll das Lehrbuch auch Kollegen ansprechen, die mir im Grundsatz zustimmen und sich animiert fühlen, Übungen und Vorlesungen zur Materialauswahl aufzubauen. Zuletzt sei denen gedankt, ohne die dieses Buch nicht zustande gekommen wäre. Ein besonderer Dank gebührt Herrn Prof. Ashby vom Cambridge Engineering Design Centre der University of Cambridge (Großbritannien), der mit seinen englischsprachigen Publikationen die Grundlage für dieses Buch gelegt hat. Nur durch seine Bereitschaft zur Freigabe seiner Werkstoffschaubilder konnte unter der Mithilfe der Firma Granta Design (Großbritannien), einem der führenden Unternehmen für Werkstoffinformationstechnologie, diese grafische, vergleichende Darstellung von Materialkennwerten über die Werkstoffgruppen hinweg angeboten werden. Mein Dank gilt auch weiteren Firmen wie MC-Base (Aachen) und dem VDEh (Düsseldorf), die Abbildungen zur Verfügung gestellt haben. Dem Fachbuchverlag Leipzig, im Speziellen Frau Christine Fritzsch, sei für die geduldige und vertrauensvolle Zusammenarbeit gedankt und die Möglichkeit, dieses Lehrbuch zu veröffentlichen. Und dasind noch diejenigen, die mich inder langen Zeit der Manuskripterstellung häufig als Familienvater vermisst haben: Danke Andrea, Bjarne und Sverre ohne Euch wäre dieses Buch nicht möglichgewesen. Hannover, imoktober 2006 Vorwort zur 2.Auflage Martin Reuter In dieser zweiten, aktualisierten Auflage werden zum einen die im Buch aufgeführten Informationsquellen des Internets auf den aktuellen Stand gebracht.zumanderen wurde der Abschnitt Vereinfachte Werkstoffauswahl mit Werkstoffschaubildern und Materialindizes ergänzt, der die Möglichkeiten der vorgestellten Methodik anhand von kleineren Anwendungsbeispielen veranschaulicht. Mein Dank gilt wie bereits in der Erstauflage den im Vorwort benannten Personen, aber darüber hinaus nun den vielen Kommentarenund Hinweisen derleser und Leserinnenzuden InhaltendiesesBuches. Hannover, im Mai 2014 Martin Reuter

9 Hinweise zur Benutzung des Buches Der Inhalt des Buches richtet sich zunächst in den Kapiteln 2 bis 7 am Ablauf einer methodischen Materialsuche aus. Nach kurzer Einleitung wird in Kapitel 2 zunächst auf die Auslöser einer Materialsuche eingegangen. Die Einstufung der Komplexität der Werkstoffauswahl erfordert für den weiteren Prozess Entscheidungen hinsichtlich der Organisation dieses Projekts. Kapitel 3zeigt den Gesamtprozess einer methodischen Werkstoffauswahl und die Gemeinsamkeiten mit verwandten Problemlösungszyklen. In Kapitel 4 steht die Ermittlung der Anforderungen an den gesuchten Werkstoff immittelpunkt. Der Zusammenhang mit der Fertigung eines Bauteils und mit der Konstruktion (Form, Gestalt, Größe) darf dabei nicht außer Acht gelassen werden. Hilfestellung bei der Beschreibung des gesuchten Materials bieten Schadensanalysen sowie wirtschaftliche und technologische Betrachtungen. Am Ende der sorgfältigen Analyse der Produkt- bzw. Bauteilspezifikationen steht die Materialanforderungsliste, das wichtigste Dokument des Auswahlprozesses. Die genaue Festlegung, welche Anforderungen die Materiallösung erfüllen muss, erlaubt es, aus den Eigenschaftsprofilen aller Werkstoffe diejenigen herauszusuchen, die mit dem formulierten Anforderungsprofil übereinstimmen. Kapitel 5 beschreibt diesbezüglich, wie eine Vorauswahl sinnvoll erfolgen sollte, ohne dass innovative Lösungsansätze ausgeschlossen werden. Insbesondere den Werkstoffschaubildern wird hier eine besondere Bedeutung zuteil. Mit den Design- bzw. Materialindizes wird aufgezeigt, wie durch die Zielsetzungen und die Randbedingungen der Konstruktionsaufgabe Eigenschaftswerte miteinander verknüpft sind. Die Suche mit Materialindizes ist der alleinigen Betrachtung von Werkstoffeigenschaften weit überlegen. Als Arbeitsergebnis dieser Vorauswahl wird eine Liste möglicher Materiallösungen erstellt, die aus der Menge der Konstruktionswerkstoffe herausgefiltert wurde. Die Vorgehensweise der Bewertung und Verfeinerung der Materiallösungen findet sich in Kapitel 6.Hier werden sowohl klassische, aus der Konstruktionssystematik übernommene Bewertungsschemata, als auch eine von Ashby für die Materialwahl entwickelte Methodik vorgestellt. Ziel ist die weitere Eingrenzung möglicher Lösungen auf eine geringere Zahl an Kandidaten in einer Liste der Versuchswerkstoffe. Die Beschreibung des Cambridge Engineering Selector (CES) als das umfassendste Werkzeug für die Vorauswahl soll dem Leser die vielfältigen Möglichkeiten dieser Software näher bringen. Validierungs- und Evaluierungsprozesse für Werkstoffe sind in der Entwicklung sehr aufwendige Arbeitsschritte. Dazu werden in Kapitel 7bedeutende virtuelle wie reale Möglichkeiten aus der Produktentwicklung beispielhaft beschrieben. Ist für Lösungskandidaten nachgewiesen, dass sie alle Erfordernisse der Konstruktionsaufgabe erfüllen (Validierung), wird eine Entscheidungsvorlage erstellt und eine Materialentscheidung getroffen. Die beiden letzten Kapitel 8 und 9 widmen sich Themen, die zu jedem Zeitpunkt des Auswahlprozesses aktuell und notwendig sind. Bei der Informationsbeschaffung (Kapitel 8)wurde versucht, den Studierenden und Konstrukteuren den Zugang zu Werk-

10 8 Hinweise zur Benutzung des Buches stoffdaten durch Nennung einer Vielzahl von Quellen, insbesondere aus dem Internet, zu erleichtern. Eine erfolgreiche Materialsuche muss sich der Methoden des Projektund Qualitätsmanagements bedienen. Wichtige Werkzeuge mit Beispielen inbezug aufwerkstofffragen werden in Kapitel 9erläutert. Am Ende eines jeden Kapitels stehen Kontrollfragen (bzw. kleinere Übungsaufgaben) für eine selbstständige Erfolgskontrolle des Studierenden. Die Lösungen bzw. Lösungshinweise können unter der Homepage des Autors an der HS Hannover abgerufen werden ( Materialauswahlprozesse sind inkonstruktionsprojekte eingebettet. Es wird daher empfohlen, die Methodik der Werkstoffauswahl nicht nur vorlesend, sondern in Zusammenhang mit Konstruktionsübungen praxisnah zu vermitteln. Eine solche Vorgehensweise stimmt zuversichtlich, dass der Brückenschlag zwischen den konstruktiven und den werkstoffkundlichen Fächern erfolgen kann. Des Weiteren kommt sie der Forderung der Bachelorstudiengänge nach, Lehrinhalte selbstständig an praktischen Beispielen zu erlernen. Dieses Buch stellt die Grundlage für eine zielorientierte Projektarbeitzur Verfügung.

11 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeine Aspekteder Werkstoffauswahl Warum neue oder geänderte Werkstoffe? Gesetze des Marktes Neue Produkte Qualitätsprobleme Normen,Vorschriften, Bestimmungen Standardisierung WeitereMotive für Werkstoffänderungen Komplexität von Werkstoffauswahlprozessen Bekanntheitsgradeines Materials Produktmerkmale mit Wechselwirkungen zur Komplexität Kontrollfragen Vorgehensweisen zur Lösung von Werkstofffragen Verwandtschaft zu anderenlösungsprozessen Methodikeines systematischen Materialauswahlprozesses Potenziale und Grenzeneiner methodischenmaterialauswahl Kontrollfragen Phase I Ermittlung dermaterialanforderungen Wechselwirkungen mit dem Konstruktionswerkstoff Werkstoffeigenschaften Vorgehen beim Erstelleneiner Materialanforderungsliste Übersetzung der Produkt- in Materialanforderungen Ermittlung voneigenschaftsgrenzen Die Materialanforderungsliste Hilfreiche Quellenbei dersuche nach Materialanforderungen FertigungstechnischeMaterialanforderungen Schadensstatistiken undschadensfälle Materialanforderungen auskostensicht...86

12 10 Inhaltsverzeichnis Ableitung weiterer Materialanforderungen Kontrollfragen Phase II Vorauswahl Eigenschaftender Werkstoffhauptgruppen Kriterienfür dievorauswahl Werkstoffschaubilder MechanischeWerkstoffkennwerte Thermische Eigenschaftswerte Tribologische Werkstoffkennwerte Werkstoffkosten Designparameter und Materialindizes Funktionsindex, Geometrieindex, Materialindex Vorauswahl über Materialindizes Einbeziehung deskostenaspekts Liste möglichermateriallösungen Kontrollfragen Phase III Feinauswahl undbewertung Beurteilungskriterien Anwendung klassischer Bewertungsverfahren Komplexität von Bewertungsverfahren Vorgehensweise bei der klassischenbewertung Methodenzur Ermittlung von Gewichtungsfaktoren Auswertemethoden fürdie Erstellung vonranglisten BewertungsverfahrenohneGewichtung der Bewertungsmerkmale Methode der gewichteten Punktebewertung Einbeziehung vongrenzwertensowie Zielwerten der Materialanforderungsliste BewertungsverfahrenimÜberblick Ganzheitliche Auswahlmethode nach Ashby Materialindizes in Werkstoffschaubildern Vereinfachte Werkstoffauswahl mit Werkstoffschaubildern und Materialindizes...161

13 Inhaltsverzeichnis Einbeziehung der Formdurch Formfaktor Einbeziehung des Fertigungsverfahrens Ziel-und Penaltyfunktion für die Materialauswahl Mehrere Bedingungen,ein Ziel Mehrere Bedingungen bei zwei und mehr Zielen CambridgeEngineering Selector (CES) Liste der Versuchswerkstoffe Kontrollfragen Phase IV Evaluierung, Validierung undwerkstoffentscheidung Ausgewählte Möglichkeitender Evaluierung und Validierung Grundlegende Bauteilberechnungen CAD-Systeme FEM-Systeme und Simulationen Design of Experiments (DOE) Prototypen und RapidPrototyping Endgültige Materialwahl Anmerkungenzuden Kapiteln 8und Kontrollfragen Informationsbeschaffung Informationsbedarf und Datenqualität Beschaffungsquellen Zugang zu Printmedien Rechnergestützte Informationssysteme Einsatzinder Werkstoffwahl Werkstoffdatenbanken und-informationssysteme Über Werkstoffgruppen arbeitende Informationssysteme Informationssysteme zum Schwerpunkt Stahl Informationssysteme zum Schwerpunkt Nichteisenmetalle Kunststoffe Verbundwerkstoffe...224

14 12 Inhaltsverzeichnis Spezielle anwendungsspezifischeinformationssysteme Werkstoffinformationssysteme imüberblick Kontrollfragen Prozessbegleitende Methoden Generell einsetzbaremethodenund Werkzeuge Auswahl der Projektorganisation QualityFunctionDeployment (QFD) Checklisten Design Reviews und Qualitätsbewertungen Werkzeuge zur Ermittlung vonentwicklungsschwerpunkten ABC-Analyse (Pareto-Analyse) Kostenstrukturen Werkzeuge zur Aufgabenklärung Funktionsanalyse Benchmark Analyse des Ausfallverhaltens Risikoanalysen Fehlermöglichkeits-und Einflussanalyse (FMEA) Fehlerbaumanalysen (FTA) Kontrollfragen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis...254