Design Tip

Werkstoffeigenschaften näher beleuchtet

Beim Entwerfen von Kunststoff- oder Metallteilen spielen die mechanischen, physikalischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Werkstoffs oft eine wichtige Rolle


Die Funktionsfähigkeit eines Teils ist in großem Maß von offensichtlichen Faktoren, wie Form, Größe, Wandstärke, Verbindungsstellen usw. abhängig. Weniger offensichtlich, aber genauso wichtig sind die Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem es spritzgegossen, bearbeitet oder 3D-gedruckt (geschnitten, gebogen, geformt usw.) wird.

Das Design erfolgt auf der Makroebene, während die Werkstoffeigenschaften sich in der Regel auf der Molekularebene entscheiden. Je früher im Designprozess Sie anfangen, über Werkstoffe und ihre Eigenschaften nachzudenken, umso effektiver und wirtschaftlicher wird Ihr fertiges Design. Dieser Design-Tipp soll Ihnen bei dieser frühzeitigen Bewertung helfen. Er bietet eine Übersicht über die vier allgemeinen Kategorien von Werkstoffeigenschaften (Metalle und Kunststoffe), einige wichtige Überlegungen bei der Auswahl von Werkstoffen für Ihren nächsten Teileentwurf sowie Designfragen, die häufig übersehen werden.

Material für Motorradkomponenten
Der Luftfilter eines Motorrads ist ein gutes Beispiel für ein Bauteil, das mehrere Werkstoffeigenschaften, wie Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Flexibilität, unter einen Hut bringen muss

Warum es auf die richtige Werkstoffwahl ankommt

Die Auswahl des richtigen Materials – sei es Metall oder Kunststoff – ist oft einfach und erfolgt fast beiläufig. Sie kann jedoch auch komplex und für die Leistung eines Teils entscheidend sein. Nehmen wir an, Sie wollen einen Koffer für ein Gerät herstellen, das für den Gebrauch in Innenräumen konzipiert ist. Ein Großteil der Kunststoffgehäuse sind in thermischer oder elektrischer Hinsicht nicht besonders anspruchsvoll, haben keine extremen mechanischen Eigenschaften und können daher in relativ anspruchslosen Umgebungen, eingesetzt werden. Die meisten dieser Teile lassen sich aus ABS, Polycarbonat (PC) oder einer ABS/PC-Mischung herstellen.

Stellen Sie sich auf der anderen Seite das Gehäuse für ein Motorrad-Luftfilter vor. Dieses muss zum Filteraustausch regelmäßig geöffnet und geschlossen werden. Diese Funktion kann ein aktives Scharniergelenk oder eine integrierte Federklammer leisten. Das Gehäuse muss Angriffe durch umherfliegende Trümmer, Motorhitze, UV-Strahlung der Sonne, Feuchtigkeit unterschiedlicher Herkunft und chemische Exposition gegenüber Kraftstoff und Reinigungschemikalien aushalten. Zum Ermitteln des richtigen Werkstoffs für diese Anwendung sind in der Regel Recherche und iteratives Prototyping notwendig.

Die Komponenten eines Smartphones können sogar eine noch größere Herausforderung darstellen. Zu ihren Funktionen zählen möglicherweise Wärmeableitung und Wärmeschutz, elektrische Isolierung, selektiver Durchlass und Blockieren von Funksignalen, bei Gehäusen kommt noch der Schutz gegen wiederholtes Fallenlassen hinzu. Jedes Bauteil dieses komplizierten Designs hat sehr spezifische Anforderungen, die wiederum spezifische Werkstoffeigenschaften erfordern. Somit kommt es auf die richtige Werkstoffwahl an.

Eine effektive Materialauswahl beginnt mit einem klaren Verständnis der Funktionen des kompletten Geräts oder der Baugruppe. Als Nächstes müssen die Funktionen des Einzelteils im Gesamtbetrieb ermittelt werden. Sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen, sollten Sie Prioritäten setzen und unverzichtbare von wünschenswerten, aber nicht notwendigen Eigenschaften trennen. So kann zum Beispiel eine glatte, kosmetische Oberfläche, die bei einem Handgerät unverzichtbar ist, eher zweitrangig sein, wenn die Festigkeit eines glasfaserverstärkten Werkstoffs benötigt wird, um die Festigkeitsanforderungen zu erfüllen. Die Liste möglicher Erwägungen ist lang. Sie fallen jedoch in der Regel in eine dieser vier Kategorien: mechanische, physikalische, thermische und elektrische Werkstoffeigenschaften.

Werkstoffeigenschaften auf einen Blick

Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften sind die Eigenschaften, die ein Werkstoff bei Anwendung verschiedener Kräfte aufweist. Dazu zählen Merkmale, wie Zug- und Druckfestigkeit, Flexibilität und Härte. 

Bei Kunststoffen. Kunststoffe haben sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften und reichen von flexiblem Polypropylen für ein aktives Scharniergelenk bis hin zu starrem glasfaserverstärktem Nylon.

Bei Metallen. Im Gegensatz dazu sind alle Metalle relativ starr. Verschiedene Stahltypen sind z.B. steifer als Aluminium


Physikalische Eigenschaften
Die physikalischen Eigenschaften sind die kosmetischen Merkmale eines Werkstoffs und dessen Reaktion auf Chemikalien und Strahlung. Dazu zählen Dichte und Beständigkeit gegen chemische Korrosion und UV-Beschädigung. Außerdem fallen darunter kosmetische Aspekte, wie Farbe und Oberflächenstruktur.

Bei Kunststoffen. Die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen variieren stark. So sind z.B. Urethane eine schlechte Wahl für feuchte Umgebungen, während mittels Stereolithographie 3D-gedruckte Kunststoffe brüchig werden, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. 

Bei Metallen. Auch Metalle besitzen unterschiedliche Toleranzen gegenüber chemischer Exposition. Edelstahl ist unter den Metallen eine nahe liegende Wahl für viele potenziell korrosive Umgebungen, kommt jedoch in anderen Bereichen, wie der Wärmeübertragung, schlecht weg. 

Beispiele für häufig verwendete Werkstoffe
  • Typische Kunststoffe für sichtbare Gehäuse und Konsumgüter mit ästhetischen Anforderungen: ABS, ABS/PC oder PC, Stereolithographie
  • Werkstoffe mit guten Verschleißeigenschaften: Nylon, Acetal, PP und PE, Messing 
  • Gängige Werkstoffe zur Wiederverwertung: PETE, ABS, PS, Aluminium und Kupfer
  • Gängige Werkstoffe für Medizinprodukte:
    PC, PEI, PEEK, PET, PS, Titan und Edelstahl
  • Elektrisch leitfähig: Nylon, PP, ABS/PC - Edelsrahl oder metallische Zusätze
  • Elektrisch abschirmend: Nylon, PP, ABS/PC - Glas- pder Kohlefaserzusätze
  • Interne Stützbauteile: Nylon, Kohlenstoffstahl, Edelstahl, SLS, MJF

 

Thermische Eigenschaften
Die thermischen Eigenschaften sind verantwortlich für das Verhalten eines Werkstoffs bei unterschiedlichen Temperaturen. Verformt er sich leicht bei Hitze oder wird er durch Hitze geschwächt? Oder wird er als Reaktion auf Kälte brüchig? Besitzt er eine gute Wärmeleitfähigkeit oder gute Isolationseigenschaften? Temperaturen, die sich auf das Teil auswirken, können entweder durch die Umgebung bedingt sein oder von der Baugruppe erzeugt werden, in der das Teil seine Funktion erfüllt. 

Bei Kunststoffen. Das thermische Verhalten kann bei der Auswahl von Kunststoffen eine große Rolle spielen. Während sich Silikon ideal für feuerfestes Geschirr eignet, können viele Kunststoffe bereits durch die Hitze in einem geschlossenen Auto an einem Sommertag beschädigt werden. 

Bei Metallen. Metalle halten in der Regel eine höhere Hitze aus als die meisten Kunststoffe. Eine Nickel-Chrom-"Superlegierung", wie Inconel, widersteht Temperaturen bis zu 700°C, wodurch sie sich für Bauteile von Rakentenantrieben eignet. In weniger anspruchsvollen Anwendungen ist Aluminium möglicherweise der ideale Werkstoff für einen Wärmeableiter, für den Edelstahl nicht in Frage kommt. 

Elektrische Eigenschaften
Die elektrischen Eigenschaften umfassen Merkmale, wie Leitfähigkeit, Widerstand und Induktivität. 

Bei Kunststoffen. Die elektrischen Eigenschaften von Kunststoffen variiert stark. Zu berücksichtigen ist dies insbesondere bei Kompaktgeräten, wie Smartphones, in denen Strom und Signal isoliert werden müssen, um Verformungen zu vermeiden oder bei Medizingeräten, in denen zu Diagnose- oder Behandlungszwecken hohe Stromstärken oder Magnetfelder eingesetzt werden. 

Bei Metallen. Auch bei den Metallen variiert die Leitfähigkeit stark. Kupfer ist in der Regel unsere erste Wahl, wenn es auf eine gute Leitfähigkeit ankommt. Doch auch Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter und noch dazu kostengünstig und besonders korrosionsbeständig, wenn die Leitfähigkeit nicht ausschlaggebend ist. 

Häufig vergessene Materialüberlegungen

Viele Designer haben ein paar bevorzugte Werkstoffe, die sie immer verwenden, wenn sie nicht gerade offenkundige Schwächen haben. Das ist in Ordnung, wenn das Material den Bedürfnissen gerecht wird und der Preis stimmt. Doch in manchen Fällen verzichten Sie dadurch auf Vorteile eines anderen Werkstoffs, auf den Sie vielleicht mit etwas Recherche stoßen. Außerdem kann sich Ihr Entwicklungsprozess verlangsamen, wenn Sie bei einem Prototypen auf Probleme stoßen, die Sie bei einer Suche nach den Werkstoffeigenschaften bereits im Vorfeld hätten antizipieren können. Es kann auch passieren, dass Sie die Anforderungen schon mit einem geringeren Kostenaufwand erfüllen, was sich über einen langen Produktionslauf auszahlen kann. Hier ein paar Beispiele:

  • Vielleicht glauben Sie, dass Hitze oder UV-Schäden bei einem Produkt für den Gebrauch in Innenräumen irrelevant sind. Doch was, wenn es draußen in der Sonne oder in einem geschlossenen Auto liegen gelassen wird?
  • Haben Sie an alle Arten von chemischen Einwirkungen gedacht? Auch wenn Sie im Kleingedruckten vor bestimmten Chemikalien warnen - ein belastbares Material kann verhindern, dass Benutzer mit Ihrem Produkt unzufrieden sind.
  • Haben Sie alle Einsatzbedingungen berücksichtigt? Ein Autoteil kann unter der Motorhaube vor UV-Strahlung geschützt, aber dafür Stauhitze ausgesetzt sein, während ein ähnliches Teil an einem Motorrad genau entgegengesetzte Bedingungen vorfindet.
  • Wie gut wird das Bauteil altern? Ist es ein Einwegprodukt? Ist es austauschbar? Ist es fest eingebaut?
  • Spielt die Dichte eine Rolle? Manche beweglichen Teile können von geringem Gewicht profitieren, während andere schwer sein müssen, um richtig zu funktionieren. 
  • Größe und Festigkeit können austauschbar sein. Ein dünneres Teil, das aus einem robusteren Material besteht, kann Platz sparen. Materialeinsparungen können höhere Stückkosten kompensieren. 
  • Die Oberflächenqualität ist nicht nur ein ästhetisches Problem. Faktoren wie Textur können für die Ergonomie entscheiden sein.
  • Der richtige Werkstoff kann zur Lösung von Designproblemen beitragen. So können z.B. eine integrierte Federklammer oder aktive Scharniergelenke Verbindungsstücke überflüssig machen. 
  • Hitze kann bei vielen Produkten ein Problem darstellen. Ein gut konzipierter Kühlkörper aus dem richtigen Metall oder Kunststoff kann Wärme effektiv von kritischen Bereichen ableiten. 
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  • UL Prospector und die dazugehörige IDES-Datenbank mit Materialdatenblätter.
  • Mit PolyOne können Benutzer Kunststoffe nach den Kriterien Werkstoffe oder Eigenschaften suche.
  • RTP bietet Mischungen in mehr als 60 verschiedenen hoch entwickelten Harzsystemen für Anwendungen an, bei denen es auf spezifische Eigenschaften ankommt. 

Die Recherche ist natürlich nur ein erster Schritt und sollte am besten in der Prototying- und Testphase bestätigt werden, um die besten und wirtschaftlichsten Lösungen für Ihre Anforderungen zu ermitteln.

 

Wenn Sie zusätzliche Hilfe benötigen, kontaktieren Sie und bitte telefonisch unter +49 (0)89 905002 22 oder per E-Mail an [email protected]tolabs.de. Um Ihr nächstes Designprojekt noch heute ins Rollen zu bringen, laden Sie einfach ein 3D-CAD-Modell hoch. Sie erhalten innerhalb weniger Stunden ein interaktives Angebot.