Kunststoffe als Konstruktionswerkstoffe

Kunststoffe sind, wie der Name bereits aussagt, künstlich hergestellte Stoffe, gewöhnlich in fester Form. Kunststoffe können in verschiedenen Varianten erschaffen worden sein, „gemeinsam ist allen Kunststoffen, dass sie im wesentlichen aus organischen Stoffen bestehen, die makromolekular aufgebaut sind. Bestandteile anderer Art können ihnen beigemischt sein“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 335).

Eigenschaften von Kunstoffen als Konstruktionswerkstoffe
Die Oberflächenbeschaffenheit von Kunststoffen ist sehr gut in Hinsicht auf Glätte und Be-ständigkeit. Kunststoffe können grundsätzlich durch Korrosion beschädigt werden. Alle Kunststoffe haben eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, sind elektrische Nicht-Leiter und haben zudem eine geringe Dichte.
„Sie (die Dichte) ist bedingt durch die geringe Masse der Atome, die ihre Molekühle bilden. Für die verschiedenen Kunststoffsorten bestehen – anders als bei den Metallen – nur geringe Unterschiede in der Dichte“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 340).
Die Festigkeit und Formsteifigkeit von Kunststoffen ist im Vergleich zu der von Metallen ge-ring. Ein Vorteil von Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff ist die Möglichkeit zur Herstel-lung von transparenten Kunststoffen.
Die Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Strahlung (z.B. UV-Licht) und Wärme fallen bei Kunstoffen unterschiedlich aus. Auch die Beständigkeit gegenüber mechanischen Einwir-kungen und Erwärmung ist unterschiedlich.
Kunststoffe lassen sich an Hand einiger Eigenschaften in drei Gruppen einteilen, die Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.
Thermoplaste sind Kunststoffe, welche sich mit Hilfe von Erwärmung in einen formbaren bis plastisch formbaren (plastische Verformbarkeit: Verformung bleibt nach Krafteinwirkung erhalten) Stoff bringen, sich demnach energie-elastisch (stahlelastisch) verhalten. Thermoplaste sind als Konstruktionswerkstoff die häufigst verwendeten Kunststoffe. Ab einer bestimmten Erwärmung erweichen Thermoplaste und schmelzen. Die Verformung ist daher auch nach Aushärtung wieder reversibel (umkehrbar).
Elastomere sind entropieelastische (gummielastische) Kunststoffe, welche also verformbar sind, jedoch in die Ursprungsform zurückkehren. Elastomere sind nicht schmelzbar, sondern zersetzen sich ab einer bestimmten Temperatur. Allerdings gibt es speziell die thermoplastischen Elastomere, die sich durch Temperaturerhöhung erweichen und schmelzen lassen. Elastomere basieren auf dem Rohstoff Kautschuk.
Duroplaste sind weitere, energieelastische Kunststoffe. Die Verformung dieser Kunststoffe wird durch Erhitzung oder Hervorrufung von chemischen Reaktionen erreicht. Duroplaste sind jedoch nicht schmelzbar und die Verformung nach Aushärtung ist irreversibel (nicht umkehrbar).

Einsatz von Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff
Thermoplaste ist der häufigst verwendete Konstruktionswerkstoff unter den Kunststoffen. Da Kunststoffe eine geringe Dichte haben, sind sie für Leichtbauprojekte interessant. Kunststoffe finden daher viel Anwendung im Automobilbau.
Elastomere finden ihre Anwendung als Dichtung in Gelenken und als Federn.
Duroplaste kommen dort zum Einsatz, wo gegenüber Umwelteinflüssen sehr widerstandsfä-hige Kunststoffe gefragt sind. Der Rumpf eine Kunststoffbootes besteht z.B. aus Duroplaste.

Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist ein direkter, organischer Naturstoff, welcher einer der ersten Konstruktionswerkstoffe des Menschen ist.
Holz als Werkstoff kommt als Massivholz in Form eines Holzwerkstoffes vor. Massivholz ist naturbelassenes oder verarbeitetes Holz, welches seine natürliche Struktur und Festigkeit behalten hat. Holzwerkstoffe sind die zusammengefügte Form von zerkleinertem Holz. Die Zusammenfügung der Holzpartikel wird mit natürlichen oder synthetischen Bindemitteln erreicht.

Eigenschaften von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist i.d.R. hygroskopisch, also wasseranziehend, was den biologischen Verfall und die Dichte des Materials beeinflussen kann. Insbesondere da Holz als biologisches Material einem natürlichen Verfall ausgeliefert und anfällig für biologische Schädlinge ist, ist Holz nur bedingt für große Konstruktionen geeignet, welche Jahrhunderte überdauern sollen.
Holz hat zwar eine geringere Festigkeit als Metall, hat aber ein besseres Verhältnis zwischen Dichte(Gewicht) und Festigkeit als Metall. Holz ist ein elektrischer Nicht-Leiter und ein sehr schlechter Wärmeleiter.
Die optische Erscheinung von Massivholz ist in Struktur und Farbe ungleichmäßig, da es ein reines Naturprodukt ist. Die oberflächliche Erscheinung kann durch Einwirkung von UV-Licht verändert bzw. geschädigt werden.
Holzwerkstoffe sind i.d.R. für einen bestimmten Zweck vorgesehen und für diesen optimiert und haben aus diesem Grund oft gegenüber Massivholz Vorteile. Vorteile von Massivholz können z.B. verstärkte Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit oder eine angepasste Oberfläche (Glätte, Rauhigkeit) sein.
Holz ist auch aus ökologischer Sicht ein interessanter Konstruktionswerkstoff, da er biolo-gisch abbaubar und reproduzierbar ist.

Einsatz von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist heute noch immer, besonders im Bauingenieurwesen, wegen seiner Wärmedämmung und Festigkeit ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Im Schiffbau ist Holz als Werkstoff mit geringer Dichte (leichter als Wasser) verbreitet. Als leicht zu verarbeitender Werkstoff ist Holz in der Tischlerei verbreitet.

Organische Konstruktionswerkstoffe

Organische Werkstoffe basieren auf organischen Stoffen. Organisches Material kann direkt oder indirekt (d.h., organisches Material geht in die Herstellung oder Verarbeitung mit ein) als Werkstoff zur Verwendung kommen. Gefördertes Rohöl ist z.B. ein organischer Werkstoff, erfüllt jedoch nicht die Eigenschaften eines Konstruktionswerkstoffs.
Die wichtigsten organischen Konstruktionswerkstoffe sind:

  • Holz
  • Kunststoff

Metallische Konstruktionswerkstoffe

Eigenschaften metallischer Konstruktionswerkstoffe

Metallische Werkstoffe verfügen über elektrische Leitfähigkeit, welche je nach Metallart und Temperatur variiert. Die Leitfähigkeit eines Metalls kann mit dem Bandmodell erläutert wer-den.
„Metalle zeichnen sich durch eine besonders gute Leitfähigkeit dann aus, wenn sie nur ein Elektron in ihrer äußersten Schale haben, das Leitungsband also nur zur Hälfte gefüllt ist.“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 11, 2. Absatz). Bei Silber und Kupfer ist dies der Fall. Aus diesem Grund wird (unter Berücksichtigung des Kostenaspektes) Kupfer meistens als Isolierwerkstoff verwendet.

Zweiwertige Metalle, also Metalle mit zwei Elektronen auf der äußersten Schale (auch Va-lenzelektronen genannt) sind elektrisch leitfähig, da das Valenzband bis in das Leitungsband hineinreicht.
Elektronen von benachbarten Atomen können somit bei ein- und zweiwertigen Metallen noch freie Energiezustände im Leitungsband annehmen.

Alle Metalle sind sehr wärmeleitfähig. Die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls verändert sich mit der Temperatur des Metalls, jedoch proportional zur elektrischen Leitfähigkeit.
Einige Metalle sind magnetisierbar. Das bedeutet, dass die Umlaufbewegung und Eigenrotation so durch ein Magnetfeld ausgerichtet werden können, dass sich die Elektronen verur-sachten Magnetfelder nicht gegenseitig aufheben.
Die mechanische Verformbarkeit von Metallen ist abhängig von der Metallart und der Metalllegierung. Grundsätzlich sind Metalle elastisch verformbar, dass heißt, die Verformung be-steht nur bei Belastung. Lässt die Belastung nach, kehrt das Metall in seine Ursprungsform zurück.
Ist die Belastung jedoch eine höhere, eine Grenzwert überschreitende Belastung, ist die Ver-formung plastisch, d.h. die Verformung bleibt auch bestehen, wenn die Krafteinwirkung nach-lässt oder verschwindet. Die plastische Verformung tritt ein, wenn die einwirkende Kraft die Kohäsion (Zusammenhangskraft) nachlässt und sich Atome verschieben.

Metalle verfügen generell über eine gute Festigkeit und hohe Dichte (z.B. im Vergleich zu Kunststoffen). Die Aufnahmefähigkeit von mechanischer Beanspruchung kann jedoch von Korrosion geschädigt werden. Bestimmte Legierungen beseitigen die Anfälligkeit für Korrosion.

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Konstruktionswerkstoffe

Werkstoffe sind Stoffe, welche über Produktionsprozesse in Endprodukte eingehen und demnach Betriebsmittel zur Herstellung eines Produktes sind.Werkstoffe, welche mechanische Belastungen aufnehmen und diese verkraften müssen, werden Konstruktionswerkstoffe oder seltener auch Strukturwerkstoffe genannt.

Konstruktionswerkstoffe müssen verschiedenen Anforderungen gerecht werden. Die Anforderungen betreffen vor allem die Belastungsfähigkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen, aber auch andere Eigenschaften spielen bei Konstruktionswerkstoffen eine Rolle. So darf ein Werkstoff, welcher z.B. Elektronik zusammenhält und vor Umwelteinflüssen schützt, eventuell nicht elektrisch leiten, schmelzen oder leicht entflammbar sein.

Konstruktionswerkstoffe können aus verschiedenen Werkstoffgruppen kommen, für die Konstruktionswerkstoffe kann folgende Einteilung vorgenommen werden:

  1. metallische Werkstoffe
  2. organische Werkstoffe
  3. anorganische nichtmetallische Werkstoffe

Was ist ein Werkstoff?

Werkstoffe werden unterschiedlich definiert. Nach dem Definitionsversuch nach Ondracek ist ein Werkstoff ein Material, welches einige Bedingungen erfüllt:

  • eine technische Verwertbarkeit oder einen anderen anwendungerelevanten Aggregatzustand annehmen kann
  • technologisch und
  • wirtschaftlich und
  • umweltverträglich einsetzbar ist

Einteilbar sind Werkstoffe in die drei Kategorien nach stofflichen, eigenschaftstechnischen und anwendungstechnischen Aspekten.

Werkstoffbaum nach stofflichen Kriterien:

Welches sind nutzbare Eigenschaften eines Werkstoffs? (-> Beispiele)

  • Dichte (Gewicht) -> Gegengewichte am Krahn, auf Waagen etc.
  • Elastizität / Verformbarkeit -> Abdruckmittel, Kraftdämpfung
  • Korrosionsbeständigkeit -> allwettertaugliche Statik
  • Elektrische Leitfähigkeit -> Leiterbahnen, Widerstände
  • Wärmeleitfähigkeit -> Wärmedämmung
  • Schweißbarkeit -> Fügen, verbinden
  • Legierbarkeit -> Elementanpassbarkeit durch Vermischung
  • Optische Eigenschaften ->Transparenz bei Fensterscheiben