Materialauswahl Wie Ingenieure den richtigen Werkstoff finden

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Federleicht und steinhart: Bei der Auswahl der richtigen Werkstoffe wachsen die Anforderungen an die Ingenieure. Einerseits ist Nachhaltigkeit wichtiger denn je, andererseits sollen die Komponenten so günstig wie möglich sein – oft eine Gratwanderung bei der Produktentwicklung.

Ein wesentliches Element für viele Werkstoffe ist außerdem die Beschaffenheit ihrer physikalischen Eigenschaften und deren Belastungsfaktoren bzw. die finalen Anwendungszwecke. Hier die goldene Mitte zu treffen, ist die tägliche Herausforderung für Entwickler. Was Ingenieuren bei ihrem Entscheidungsprozess in Anbetracht ihrer Ziele helfen kann, erklärt Frank Gerwarth von Reichelt Elektronik.

Beschaffenheit von Werkstoffen

Unter Werkstoffen versteht man Materialien, die im Laufe des Fertigungsprozesses verarbeitet werden. Der Einsatz bestimmter Werkstoffe beeinflusst deshalb die Eigenschaften des Endprodukts maßgeblich. Während etliche Materialien oft noch auf ihre Eignung für neue Designs geprüft werden müssen, gibt es auch Werkstoffe, die sich aufgrund ihrer Funktionalität bereits bewährt haben. Zum Beispiel eignet sich Lithium als leichtes Metall und hervorragender Speicher für elektrische Energie sehr gut für die Batterie- und Akkutechnologie. Ein guter Grund, warum sich dieser Werkstoff in Geräten wie Handy oder Laptops etabliert hat.

Eine Eigenschaft, die neben der Leichtigkeit eine wichtige Rolle spielt, ist die Stabilität von Werkstoffen. Eisen und Stahl sind metallische Werkstoffe, die gut verfügbar, preiswert und eben von besonderer Festigkeit sind. Daher werden sie beispielsweise im Maschinenbau eingesetzt. Neben diesen beiden Metallen, spielen heutzutage aber weitaus mehr Metalle eine Rolle in der modernen Industriefertigung. Aluminium gilt zum Beispiel schon länger als Eisenersatz. Es wiegt zwar weniger, kostet aber mehr als Eisen.

Aktuell werden neue Hochleistungspolymere immer beliebter, insbesondere Verbundwerkstoffe wie Carbonfasern spielen zukünftig eine große Rolle – sie machen den etablierten metallischen Leichtbauwerkstoffen, wie sie im Fahrzeugbau eingesetzt werden, Konkurrenz. Verbundwerkstoffe eignen sich speziell für die additive Fertigung. Dabei finden faserverstärkte Verbundwerkstoffe Anwendung, bei denen zwei beliebige Materialien kombiniert werden. Meist wird hier eine Mischung aus Polymeren und verstärkenden Materialien verwendet. Polymerwerkstoffe sind es, die häufig beim 3D-Druck Anwendung finden, um komplexe dreidimensionale Werkstücke herstellen zu können. Ihre hohe Festigkeit eignet sich unter anderem als Konstruktionswerkstoff für mechanische Bauteile.

Vielfalt der Materialien in der Elektronindustrie steigt

Sind die Anforderungen an das Endprodukt geklärt, geht es darum, den passenden Werkstoff auszusuchen. Den Ingenieuren kommt dabei zugute, dass in den vergangenen Jahrzehnten die Vielfalt der Materialien gestiegen ist. Das liegt unter anderem daran, dass stetig nach neuartigen Materialkombinationen geforscht wird. Deshalb müssen Ingenieure zwar nach wie vor abwägen, welches Material sich eignet, sind aber im Idealfall weniger eingeschränkt.

Die Fülle an Materialdaten setzt jedoch seitens der Konstrukteure einen großen Wissensstand voraus. Die Anwendung von Werkstoffen, mit denen der Konstrukteur weniger Erfahrung hat, ist in der Regel mit Risiken verbunden, da die Auswirkungen erst geprüft werden müssen.

Trends in der Werkstofftechnik

Innovationen im Werkstoffdesign gehen häufig auf Bedarfe von Branchen oder Märkten zurück. Bei den aktuellen Entwicklungen stehen deshalb die Themen Ressourcen- und Energieeffizienz im Fokus, bei denen es vor allem um Smart Materials oder auch intelligente Werkstoffe geht. Smart Materials zielen auf die Gestaltung neuer Funktionswerkstoffe aus Festkörpern, Flüssigkeit oder auch Gasen ab, die in der Lage sind, sich an Veränderungen aus der Umgebung wie etwa an Temperaturen oder Lichtverhältnissen anzupassen.

Zu dieser Gruppe intelligenter Werkstoffe gehören beispielsweise elektrorheologische Flüssigkeiten. Diese finden bereits in der Automobilindustrie Anwendung. In Fahrzeugen wird das adaptive Material eingesetzt, um die Dämpfeigenschaften zu regulieren, wodurch beispielsweise die Geräuschkulisse für Insassen reduziert wird. Das erfolgt durch eine Anpassung an die Drehzahl des Motors und ist besonders beim Krankentransport von Vorteil. Außerdem können sich elektrorheologische Flüssigkeiten auch an die Untergrundbeschaffenheit anpassen, wodurch sensible Güter wie etwa Schaltanlagen oder Hightech-Maschinen durch die Dämpfung sicher an ihr Ziel kommen.

Immer auf der Suche nach dem perfekten Werkstoff

Von der Ideenfindung, über die Wahl des passenden Werkstoffs bis hin zum fertigen Produkt – die Elektroindustrie ist auf Innovationen in der Materialforschung angewiesen, um dem globalen Druck schneller gerecht zu werden. Eigene Studiengänge widmen sich bereits dem Thema und bilden Experten auf dem Gebiet Werkstoffdesign aus. Eine zunehmende Diversifizierung der eingesetzten Werkstoffe hilft den Ingenieuren dabei, den richtigen Werkstoff zu identifizieren. Auch Distributoren können einen wichtigen Beitrag leisten, indem sie Ingenieuren als integrative Partner eine große Auswahl an modernen Werkstoffen bieten, damit diese das beste Material für den Fertigungsprozess finden.

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