Insight

Werkstoffeigenschaften

Die Meister-Klasse in Produktdesign und -entwicklung 


Insight: Werkstoffeigenschaften

09.10.2020

Hallo und herzlich willkommen zum nächsten Video aus unserer Insight-Videoreihe.

In diesen Videos sprechen wir viel über das Teiledesign. Dabei konzentrieren wir uns meistens auf ganz offensichtliche Faktoren, wie Form, Größe, Wandstärke usw. Weniger offensichtlich, aber genauso wichtig können jedoch die Eigenschaften des verwendeten Werkstoffs sein.

Manchmal kann die Auswahl des Werkstoffs indirekt mit seiner Leistungsfähigkeit zusammenhängen. Die meisten Plastikgehäuse von Geräten für den Inneneinsatz unterliegen beispielsweise keinen thermischen oder elektrischen Anforderungen und müssen nicht extrem robust sein. Deshalb müssen Sie bei der Materialauswahl auch nicht zu wählerisch sein.

Stellen Sie sich auf der anderen Seite das Gehäuse für ein Motorrad-Luftfilter vor. Grundsätzlich erfüllt es so ziemlich den gleichen Zweck wie das genannte Plastikgehäuse. Es muss jedoch zusätzlich umherfliegenden Teilen, der Hitze des Motors und der UV-Strahlung der Sonne standhalten. Es wird nass und kommt mit Kraftstoff und Reinigungschemikalien in Kontakt ... Diesmal ist die Materialauswahl tatsächlich entscheidend.

Je früher im Designprozess Sie anfangen darüber nachzudenken, welche Werkstoffe Sie verwenden wollen und welche Eigenschaften sie besitzen, umso effektiver und wirtschaftlicher wird Ihr fertiges Design. Ich weiß, das klingt selbstverständlich. Aber es passiert schnell, dass man sich erst dann Gedanken über die Materialien macht, wenn man sich auf die Prototypenherstellung vorbereitet, um dann plötzlich festzustellen, dass das gewünschte Plastik oder Metall nicht ganz mit den Plänen vereinbar ist .... Sie verstehen das Problem.

Dieses Video wird Ihnen jedenfalls bei dieser frühzeitigen Bewertung helfen.

Hierbei sollten Sie im ersten Schritt sicherstellen, dass Sie eine klare Vorstellung darüber haben, was das vollständige Gerät oder die komplette Baugruppe leisten soll und welche Funktion dieses bestimmte Teil dabei hat. Wenn mehrere Aspekte miteinander kollidieren, müssen Sie Prioritäten setzen und unverzichtbare von wünschenswerten, aber nicht notwendigen Eigenschaften trennen.

Die Liste möglicher Eigenschaften, die Sie abwägen müssen, ist ziemlich lang. Die wichtigen davon fallen jedoch in der Regel in eine dieser vier Kategorien: mechanische, physikalische, thermische und elektrische Eigenschaften. Hierbei sind viele Details zu berücksichtigen. Lassen Sie uns jedoch für den Moment kurz die wichtigen Punkte durchgehen.

Erstens, die elektrischen Eigenschaften.

Das sind, einfach ausgedrückt, die Eigenschaften, die ein Werkstoff besitzt, wenn eine Kraft auf ihn einwirkt. Dazu zählen seine Zug- und Druckfestigkeit, seine Flexibilität und seine Härte.

Metalle sind tendenziell relativ starr, obwohl sich Stahl und Aluminium in ihrer Steifigkeit ziemlich stark unterscheiden. Bei den Kunststoffen gibt es eine viel größere Vielfalt, die von flexiblem Polypropylen bis hin zu starrem glasfaserverstärktem Nylon reicht.

Diese mechanischen Eigenschaften können leicht mit physikalischen Eigenschaften verwechselt werden – ich meine, sind denn nicht alle Eigenschaften physikalisch? Das ist wahrscheinlich eine Frage für ein weiteres Video. In diesem Video beziehen wir uns, wenn wir über physikalische Eigenschaften sprechen, auf die kosmetischen Eigenschaften eines Werkstoffs und dessen Reaktion auf Chemikalien oder Strahlung. Dazu zählen die Dichte und die Beständigkeit gegen chemische Korrosion und UV-Beschädigung, sowie eher kosmetische Aspekte, wie Farbe und Oberflächenstruktur.

Wie gesagt, 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 den Metallen ist die Bandbreite etwas kleiner, aber auch sie besitzen unterschiedliche Toleranzen gegenüber chemischer Exposition. Edelstahl ist zwar eine naheliegende Wahl für viele potenziell korrosive Umgebungen, kommt aber in anderen Bereichen, wie der Wärmeübertragung, schlecht weg.

Womit wir bei den thermischen Eigenschaften wären. Falls es noch nicht klar wurde: Das sind die Eigenschaften, die für das Verhalten eines Werkstoffs bei unterschiedlichen Temperaturen verantwortlich sind. Verformt er sich bei Hitze oder wird er durch Hitze geschwächt? Oder wird er als Reaktion auf Kälte brüchig? Besitzt er eine gute Wärmeleitfähigkeit oder Isolationseigenschaften?

Dies kann bei der Auswahl von Kunststoffen eine große Rolle spielen. Selbst wenn Sie nicht vorhaben, Ihr Teil in den Ofen zu stecken, gibt es viele Teile, die z. B. einen Sommertag im Auto überleben sollten.

Zum Glück halten Metalle in der Regel eine höhere Hitze aus als die meisten Kunststoffe, obwohl Sie etwas wählerischer werden müssen, wenn es in den Bereich von mehreren hundert Grad geht.

Betrachten wir zum Schluss die elektrischen Eigenschaften. Dabei geht es um Eigenschaften, wie Leitfähigkeit, Widerstand und Induktivität, also alles Dinge, die Sie im Physikunterricht lernen mussten.

Manchmal brauchen Sie sich keine großen Gedanken über diese Eigenschaften zu machen, in anderen Fällen wiederum sind sie unglaublich wichtig. Denken Sie beispielsweise an Medizingeräte, in denen zu Diagnose- oder Behandlungszwecken hohe Stromstärken oder Magnetfelder eingesetzt werden.

Wenn es konkret darum geht, einen Werkstoff auszuwählen, müssen Sie all diese verschiedenen Eigenschaften abwägen. Viele Designer haben ein paar bevorzugte Werkstoffe, doch in manchen Fällen verzichten sie dadurch auf Vorteile eines anderen Werkstoffs, auf den sie vielleicht mit etwas Recherche stoßen würden.

Überlegen Sie sich also gut, für welches Material Sie sich entscheiden. Wie immer sollten Sie mit Ihrem Anbieter sprechen, der vielleicht ein paar Vorschläge parat hat.

Alles klar, das war‘s für diese Woche.  Ein schönes Wochenende und bis nächste Woche!


Bleiben Sie auf dem Laufenden

Melden Sie sich für unsere Updates zu allen Protolabs Insight-Videos an. 
ZUR ANMELDUNG

Weitere Informationen