In der Produktentwicklung spielt die Wahl und Prüfung von Materialien eine zentrale Rolle. Ein systematisches Vorgehen ermöglicht es, die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zukünftiger Produkte sicherzustellen. Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Aspekte, von der Charakterisierung und Auswahl bis hin zu fortgeschrittenen Prüfmethoden und der anschließenden Datenanalyse.
Auswahl und Charakterisierung von Werkstoffen
Materialanforderungen definieren
Zu Beginn eines Entwicklungsprozesses steht die präzise Definition der Leistungsanforderungen. Faktoren wie
- mechanische Beanspruchung (Zug- und Druckkräfte),
- thermische Belastungen (Temperaturzyklen),
- chemische Einflüsse (Korrosion, Medienkontakt),
- ökologische und ökonomische Rahmenbedingungen
sind zu berücksichtigen. Eine sorgfältige Anforderungsanalyse bildet die Basis für die Auswahl geeignetster Werkstoffklassen.
Charakterisierung metallischer und polymerer Werkstoffe
Die charakteristischen Eigenschaften werden mithilfe unterschiedlicher Verfahren ermittelt. Typische Parameter sind:
- Festigkeit und Elastizität (z. B. Zugversuch, Biegeprüfung),
- Härte (Brinell-, Vickers- oder Rockwell-Test),
- Schlagzähigkeit (Kerbschlagbiegeversuch),
- thermische Eigenschaften (DSC, TGA),
- chemische Beständigkeit (Beschleunigte Alterungstests).
Polymerwerkstoffe verlangen darüber hinaus Untersuchungen der Glasübergangstemperatur und der Vernetzungsdichte.
Prüfverfahren und Methoden
Mechanische Prüfungen
Mechanische Tests sind unverzichtbar, um Tragfähigkeit und Dauerfestigkeit zu validieren. Dazu gehören:
- Zugversuch zur Bestimmung von Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung,
- Dauerfestigkeitsprüfung (Wöhler-Kurven) für wechselnde Lasten,
- Biege- und Torsionsversuche zur Simulation realer Belastungsszenarien,
- Vibrations- und Erschütterungsanalysen zur Ermittlung der Schwingfestigkeit.
Automatisierte Prüfstände ermöglichen hochpräzise Messungen und eine direkte Integration in digitale Dokumentationssysteme.
Thermische und chemische Analyseverfahren
Thermische Verfahren liefern Aufschluss über das Verhalten unter Temperaturbelastung. Wichtige Methoden sind:
- DSC (Differential Scanning Calorimetry) für Phasenübergänge,
- TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Massenänderung bei Erwärmung,
- DMA (Dynamisch-Mechanische Analyse) für viskoelastische Eigenschaften.
Für die chemische Zusammensetzung und Struktur bieten sich an:
- Spektroskopie (FTIR, UV/VIS, Röntgenfluoreszenz),
- Chromatographie (GC, HPLC) zur Spurenanalyse,
- Elektrochemische Prüfungen für Korrosionsbeständigkeit.
Datenanalyse und Qualitätskontrolle
Auswertung mechanischer Prüfdaten
Die Rohdaten aus Prüflaboren werden statistisch aufbereitet. Essentielle Schritte sind:
- Berechnung von Mittelwert, Standardabweichung und Streuintervallen,
- Erstellung von Wöhler- und Goodman-Diagrammen zur Lebensdauerabschätzung,
- Versagenstatistische Analysen (Weibull-Verteilung) zur Risikobewertung.
Software-Tools zur Simulation helfen dabei, das Materialverhalten unter realen Einsatzbedingungen vorherzusagen.
Qualitätssicherung und Normenkonformität
Zur Sicherstellung gleichbleibender Produktqualität müssen Prüfabläufe normiert sein. Gängige Standards umfassen:
- ISO-Normen für Prüfverfahren und Berichterstellung,
- ASTM-Standards für Werkstoffprüfungen,
- DIN-Vorschriften im deutschsprachigen Raum.
Ein auditfähiges Qualitätsmanagement-System dokumentiert Prüfergebnisse lückenlos und begleitet Änderungsprozesse.
Integration der Prüfergebnisse in den Entwicklungszyklus
Korrekturmaßnahmen und Optimierung
Auf Basis der Testresultate werden Werkstoffauswahl und Bauteilgeometrie angepasst. Typische Maßnahmen sind:
- Änderung der Legierungszusammensetzung für bessere Korrosionsbeständigkeit,
- Oberflächenbehandlungen (Beschichtungen, Nitrieren),
- Designmodifikationen zur Spannungsreduzierung (Fasen, Radien).
Validierung im Prototypenstadium
Bevor die Serie freigegeben wird, sind Praxistests an Prototypen unverzichtbar. Dazu zählen:
- Langzeittest unter realen Betriebsbedingungen,
- Feldversuche zur Lebensdauer-Validierung,
- Zugabe von Umweltsimulation (Feuchte, UV-Bestrahlung).
Nur nach erfolgreicher Validierung aller Prüfkriterien kann die Serienproduktion starten.
