Wie entwirft man Maschinenteile oder Komponenten für größere Systeme?
Das ist eine sehr gute Frage, die durch Studium, Technik, Berufsschulen, spezielle Kurse und andere verfügbare Lehrmethoden beantwortet wird. Dieses Wissen findet man auch im Internet: in Diskussionsforen, Gruppen oder in Form von Tutorials auf YouTube.
Es handelt sich dabei um trockenes Wissen, mit dem man in geordneter Form beschreiben kann, welche Formen ein bestimmtes Teil haben sollte und wie es sich in ein größeres (oder kleineres) System einfügen sollte. Seine Weiterentwicklung und Perfektionierung ist ein kontinuierlicher Prozess, der jeden Fachmann in der CNC- und Fertigungsbranche vor eine Herausforderung stellt. Aber neben dem Design gibt es auch den Bereich der Materialkunde, der sich direkt auf die Haltbarkeit auswirkt – sehr oft im Makrobereich.
Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften, und es ist eine große Herausforderung, bei der Konstruktion von Maschinenteilen den idealen Kompromiss zu finden. Erst die Kombination von Wissen aus beiden Bereichen ermöglicht die Konstruktion langlebiger – um es ganz klar zu sagen: gut durchdachter – Teile. Diese sind zwar nicht so (un)berühmt wie die „tanzende Tacoma-Brücke“ oder die inkompatiblen CO2-Austauscher an Bord der Apollo 13, aber es ist ihre Langlebigkeit, die sie unauffällig macht und dafür sorgt, dass sie einfach ihre Aufgabe erfüllen.
Teileentwicklung: vom Entwurf bis zum fertigen CAD-Modell
Die Konstruktion von Teilen beginnt mit dem Verständnis der Aufgabe eines bestimmten Elements in einem größeren System – es kommt sehr selten vor, dass ein Objekt monolithisch ist und nicht in Beziehung zu anderen Objekten steht. Abmessungen, Formen, Radien, Oberflächenstruktur – dies sind nur einige der Parameter, die in einer guten technischen Zeichnung oder technischen Projektdokumentation festgelegt werden sollten.
Eine bewährte Vorgehensweise in jeder Phase der Konstruktion ist es, das Objekt in den Kontext des Systems zu stellen, in dem es funktioniert, und dabei die Richtungen, einwirkenden Kräfte und Bewegungsbereiche in seiner Umgebung zu kennzeichnen. Dadurch wird vermieden, dass ein Teil nicht passt oder während des Betriebs Probleme verursacht, z. B. weil es mit anderen Objekten kollidiert. Dies erfordert natürlich Kenntnisse über das System selbst, weshalb Teile selten ohne Kontext entworfen werden. Daher gibt es scheinbar unnötige Ausschnitte oder Formen, die erst dann klar werden, wenn die Elemente an ihrem Platz sind.
Ein gutes Beispiel ist das Gehäuse der Ventilsteuerung in einem Automotor – hergestellt aus Metalllegierungen oder Polymeren – das wie eine mit Stiften und Bolzen durchzogene Struktur mit zahlreichen Aussparungen aussehen kann. Erst wenn es auf dem Motorblock montiert ist, wird der Zweck jedes dieser Elemente klar und, was noch wichtiger ist, seine Notwendigkeit.
Vor diesem Hintergrund ist es möglich, ein 3D-Modell (dreidimensionales Modell) eines Teils in einer CAD-Software (Computer Aided Design – computergestütztes Design) zu entwerfen, das in einen für Zerspanungsmaschinen (insbesondere CNC-Maschinen) verständlichen G-Code konvertiert werden kann. Viele Prozesse erfordern einen zusätzlichen Schritt, nämlich das Prototyping von Teilen. Die Herstellung von Objekten mit den im Entwurf festgelegten Abmessungen mit Hilfe von Zerspanungsmaschinen ist manchmal arbeits- und zeitaufwändig, ermöglicht jedoch die Bewertung der Richtigkeit des Entwurfs und manchmal auch der ausgewählten Materialien.
Derzeit wird für die „schnelle“ Prototypenerstellung häufiger der 3D-Druck verwendet – aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit und der deutlich niedrigeren Einstiegsschwelle ist dies eine Technologie, die eine (relativ) schnelle Herstellung physischer Objekte auf der Grundlage von CAD-Dateien und die Bewertung ihrer Kompatibilität in einem größeren System ermöglicht. Dies ist ein zusätzlicher Schritt, der Fehler in der Produktion vermeidet und somit die Kosten für vermeidbare Fehler reduziert.
Darüber hinaus ermöglicht ein solches Prototyping die Bewertung der Auswirkungen von Kräften auf einzelne Elemente und die Abschätzung der Lebensdauer bestimmter Teile. Dies kann auch die Entscheidung beeinflussen, dass bestimmte Elemente – um die ordnungsgemäße Funktion des gesamten Systems zu gewährleisten – aus Materialien mit höherer Festigkeit hergestellt werden sollten.
Geeignete Materialien und geeignete Fertigungstechnologie
Ein weiterer Faktor, der bei der Herstellung verschleißfester Teile, insbesondere solcher, die hohen Kräften ausgesetzt sind, eine Rolle spielt, ist die Auswahl geeigneter Werkstoffe. Die moderne Werkstoffkunde steht vor der Herausforderung, Legierungen, Polymere oder Verbundwerkstoffe zu finden, die folgende Eigenschaften optimal vereinen:
- geringes Gewicht,
- hohe Festigkeit,
- möglichst beste mechanische Eigenschaften
- bei möglichst niedrigen (oder zumindest an das restliche System angepassten) Kosten.
Abgesehen von Extremfällen (z. B. schwere Baumaschinen, Raumfahrtindustrie oder Produktion für die Militärluftfahrt) handelt es sich hierbei um einen Kompromiss. Teile mit sehr guten mechanischen Eigenschaften sind in der Regel schwer, und obwohl ihre Herstellungskosten nicht sehr hoch sind, ist eine so hohe Festigkeit nicht in jeder Anwendung erforderlich.
Über Jahrzehnte (wenn nicht sogar Jahrhunderte) hinweg waren Eisenlegierungen (einschließlich Stahl) ein weit verbreitetes Material, das die oben genannten Anforderungen – natürlich mit Ausnahme des geringen Gewichts – erfüllte. Mit der Zeit haben sich jedoch die Anforderungen geändert, und mit der Entwicklung der Industrie, insbesondere der Automobil- und Luftfahrtindustrie, stieg der Bedarf an leichteren Werkstoffen, die einen Kompromiss zwischen den vier oben genannten Eigenschaften darstellen.
Die ersten Polymere (z. B. Bakelit) und die großflächige Verwendung von relativ leichtem Aluminium (und später von Speziallegierungen, hochleistungsfähigen Polymeren und Verbundwerkstoffen) führten zu einer größeren Verfügbarkeit von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dadurch wurde die Auswahl des für ein Projekt geeigneten Materials (gewissermaßen) einfacher.
Dank der Errungenschaften der Materialkunde ist es einfacher, ein relativ leichtes Material mit guten mechanischen Eigenschaften und zu einem akzeptablen Preis (Aluminium) zu finden, ebenso wie ein Material, das leicht, billig und ausreichend fest ist (z. B. hochleistungsfähige Polymere). Dennoch erfordert die Auswahl des richtigen Materials für die Herstellung der entworfenen Teile Wissen und Erfahrung.
Auch hier sind sowohl Kenntnisse über das gesamte System (z. B. ob alle Teile aus Metallen mit ähnlicher Edelheit hergestellt werden sollen, um Korrosion leichter zu vermeiden) als auch über die Umgebung, in der sie eingesetzt werden (trocken, feucht, salzhaltig usw.), erforderlich. Dies beeinflusst die Auswahl des geeigneten Materials:
- Wenn ein Teil beispielsweise in einer trockenen Umgebung eingesetzt werden soll und eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen muss, wobei das Gewicht keine Rolle spielt, ist Stahl, insbesondere rostfreier Stahl, eine gute Wahl.
- Wenn das Teil möglichst leicht sein soll und dabei geringen Kräften ausgesetzt ist, ist einer der leicht zu bearbeitenden Polymere ein sinnvoller Werkstoff.
- Wenn das Teil leicht, widerstandsfähig und mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften ausgestattet sein soll, sind Titanlegierungen für viele Ingenieure und Konstrukteure die erste Wahl. Diese sind zwar sehr teuer, aber in einigen Branchen sind die Eigenschaften wichtiger als der Preis (z. B. in der Militärluftfahrt).
Die Wahl des Materials hat also einen direkten Einfluss auf die Verschleißgeschwindigkeit eines bestimmten Teils, was zum großen Teil auf die unterschiedliche Abriebfestigkeit oder Spannungsfestigkeit der verschiedenen Materialien zurückzuführen ist. Obwohl es manchmal schwierig sein kann, ein Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften zu finden, ist dies eine Herausforderung, der sich Materialwissenschaftler, insbesondere solche, die auf die spanende Bearbeitung spezialisiert sind – wie die Mitarbeiter von RADMOT – leicht stellen können.
Zusätzliche Verfahren zur Oberflächenveredelung
Die Auswahl geeigneter Werkstoffe für die Herstellung von Teilen mit hoher Verschleißfestigkeit ist oft einer der wichtigsten Schritte. Die Kenntnis der Umgebung und der Anordnung, in der ein bestimmtes Teil eingesetzt wird, kann jedoch Einfluss auf die Entscheidung über zusätzliche Oberflächenveredelungsprozesse haben.
Abgesehen von einigen Ausnahmen ist die Gruppe der korrosionsbeständigen Metalle nicht sehr groß, weshalb häufig eine zusätzliche Oberflächenveredelung zum Schutz vor Oxidationsprozessen beschlossen wird. Darüber hinaus kann der Kontakt mit chemisch aktiven Substanzen oder die Belastung bestimmter Oberflächen durch hohe Reibung eine zusätzliche Politur oder galvanische Behandlung der Elemente erforderlich machen. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, mit denen der Oberflächenschutz von Bauteilen verbessert und ihre technischen Eigenschaften und damit ihre Lebensdauer erhöht werden können.
Zu den am häufigsten verwendeten Verfahren zur Oberflächenverbesserung gehören:
- Stahl – Sättigung mit Elementen (Verzinkung, Verchromung usw.) verbessert die Korrosionsbeständigkeit und manchmal auch die ästhetischen Eigenschaften der Teile,
- Aluminium und Titan – die Eloxierung erhöht die ohnehin schon akzeptable Korrosionsbeständigkeit, verringert zusätzlich die Reibung und verbessert die mechanische Beständigkeit.
Die Auswahl geeigneter Verfahren zur Oberflächenveredelung ist aus Sicht der Festigkeit der Teile während des Betriebs von großer Bedeutung. Dies wiederum führt zu einer Senkung der Kosten und zu einer höheren Betriebsstabilität.
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