Materialauswahl Kriterien für die industrielle Praxis

Das Wichtigste auf einen Blick

• Die Materialauswahl beginnt beim Anforderungsprofil, nicht bei der Werkstofftabelle.
• Mechanische, thermische, chemische, wirtschaftliche und ökologische Kriterien werden gewichtet und dadurch vergleichbar.
• Nutzwertanalyse und Ashby-Diagramme grenzen Kandidaten ein, bevor Bauteilversuche beginnen.
• DIN 8580 und VDI 2225 geben den Rahmen vor, Datenbanken wie Granta Selector liefern die Kennwerte.
• Amtliche Industriestatistiken und genormte Prüfverfahren stützen die Entscheidung.

Anforderungen zuerst, Werkstoff danach

Wer mit der Werkstofftabelle beginnt, wählt selten gut. Belastbarer ist der umgekehrte Weg: Zuerst wird die Funktion des Bauteils beschrieben, daraus entsteht ein Anforderungsprofil. Dieses Profil ist die Prüfliste, an der später jeder Kandidat besteht oder scheitert.

Ein brauchbares Profil nennt Lasten und Lastkollektive, den Temperaturbereich im Betrieb und bei der Montage, die Medien im Kontakt sowie zulässige Verformungen und Einbaumaße. Dazu kommen Stückzahl, geplante Lebensdauer, Wartungsintervalle und die Fertigungsmöglichkeiten im eigenen Haus oder beim Lieferanten.

Vorgaben aus Recht und Normung gehören ebenso hinein. Druckgeräte, Lebensmittelkontakt, Medizintechnik und Fahrzeugbau verlangen unterschiedliche Nachweise und Dokumente. Wer diese Vorgaben erst spät prüft, muss die Auswahl häufig wiederholen.

Hilfreich ist die Trennung in Muss- und Kann-Kriterien. Muss-Kriterien wirken als Ausschluss, etwa eine Dauergebrauchstemperatur von 150 Grad Celsius oder die Beständigkeit gegen Kühlschmierstoff. Kann-Kriterien fließen später in die Bewertung ein und dürfen gegeneinander aufgerechnet werden.

Ein weiterer Punkt wird oft übersehen: das Zeitfenster. Steht die Serienfreigabe in wenigen Monaten an, scheiden Werkstoffe mit langen Qualifizierungszyklen aus, selbst wenn sie technisch überlegen sind.

Fertigung und Werkstoff hängen eng zusammen. DIN 8580 ordnet Fertigungsverfahren in Gruppen ein, von Urformen und Umformen über Trennen und Fügen bis zum Beschichten. Die Ordnung ist praktisch, weil sich jeder Werkstoff nur mit bestimmten Verfahren wirtschaftlich formen lässt.

Wie eine Norm entsteht und welche Rolle sie im Vertrag spielt, erläutert das Basiswissen zu Normen und Standards des DIN.

Mechanische Kriterien: Kennwerte und ihre Grenzen

Der Elastizitätsmodul beschreibt die Steifigkeit im elastischen Bereich. Er bestimmt, wie stark sich ein Bauteil unter Last verformt, und hängt nur schwach von der Legierung ab. Stähle liegen bei rund 210 Gigapascal, Aluminium bei etwa 70 Gigapascal, Kunststoffe je nach Füllstoff deutlich darunter.

Die Streckgrenze markiert den Übergang zur plastischen Verformung, die Zugfestigkeit den Höchstwert der Spannung. Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit zeigen, wie viel Verformung ein Werkstoff vor dem Versagen aufnimmt. Bei sicherheitsrelevanten Teilen kommt die Dauerfestigkeit aus Schwingversuchen hinzu.

Zwischen Festigkeit und Zähigkeit besteht ein Zielkonflikt. Maßnahmen, die eine Schraube hart machen, senken häufig ihre Bruchdehnung. Deshalb gehört zu jedem Kennwert die Frage, welcher Versagensfall im Betrieb tatsächlich droht.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Werkstoffkennwert und Bauteilkennwert. Datenblätter gelten für genormte Proben. Am Bauteil wirken Kerben, Querschnittssprünge, Oberflächengüte und Eigenspannungen. Deshalb folgt auf die Werkstoffwahl eine Bauteilbewertung mit Sicherheitsbeiwert oder Betriebsfestigkeitsrechnung.

Die Prüfverfahren des Normenausschusses Materialprüfung sorgen dafür, dass Zug-, Kerbschlag- oder Härtewerte überhaupt vergleichbar sind.

Bei hohen Temperaturen treten Kriechen und Relaxation hinzu. Dann braucht die Auswahl Zeitstandfestigkeit und Zeitdehngrenzen aus Langzeitversuchen statt Raumtemperaturwerte. Auch die Orientierung im Halbzeug, etwa quer zur Walzrichtung, verändert die Kennwerte.

Thermische, chemische und tribologische Kriterien

Die thermische Belastung wird über drei Größen beschrieben: Dauergebrauchstemperatur, kurzzeitige Spitze und Zahl der Temperaturwechsel. Entscheidend ist, welche dieser Größen den Ausfall bestimmt. Ein Bauteil kann eine kurze Spitze von 200 Grad Celsius überstehen und an tausend kleinen Wechseln scheitern.

Wärmedehnung und Wärmeleitfähigkeit wirken im Zusammenspiel. Treffen zwei Werkstoffe mit stark unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten aufeinander, entstehen bei Temperaturwechsel thermische Spannungen in der Fügestelle. Kunststoffe verlieren oberhalb des Glasübergangs schlagartig Steifigkeit.

Für sicherheitsrelevante Anwendungen kommen Brandverhalten und Rauchentwicklung hinzu. Gefragt sind dann Klassifizierungen nach genormten Brandprüfungen, nicht nur die Angabe einer Temperaturgrenze.

Chemische Kriterien richten sich nach dem Medium, seiner Konzentration und der Temperatur. Chloridhaltige Medien können bei austenitischen Edelstählen Spannungsrisskorrosion auslösen. Bei Kontakt unterschiedlicher Metalle beschleunigt eine galvanische Paarung die Korrosion des unedleren Partners.

Tribologische Kriterien betreffen Reibung und Verschleiß. Gleitpaarungen brauchen Angaben zu Anpressdruck, Gleitgeschwindigkeit, Schmierstoff und Umgebung. Ein Werkstoff, der trocken verschleißfest ist, kann mit Schmierstoff schlechter abschneiden.

Wirtschaftliche und ökologische Kriterien

Der Werkstoffpreis je Kilogramm ist nur der sichtbare Teil der Kosten. Hinzu kommen Ausbringung, Zerspanvolumen, Ausschuss, Wärmebehandlung, Oberflächenschutz und Lagerhaltung. Bei kleinen Stückzahlen dominieren die Fertigungskosten, bei großen die Werkzeug- und Werkstoffkosten.

Ein Werkzeug für Druckguss oder Spritzguss amortisiert sich erst über die Stückzahl. Deshalb gehört zur Materialauswahl immer eine Stückzahlbetrachtung über die geplante Produktlebensdauer, nicht nur über das erste Los.

Ebenso relevant sind Verfügbarkeit und Preisrisiko. Legierungen mit wenigen Lieferanten oder schwankenden Notierungen erhöhen das Beschaffungsrisiko. Wer zwei lieferbare Alternativen qualifiziert, bleibt handlungsfähig.

Amtliche Vergleichszahlen zu Umsätzen, Beschäftigten und Kostenstrukturen im Verarbeitenden Gewerbe stellt das Statistische Bundesamt bereit.

Ökologische Kriterien gewinnen an Gewicht, weil Kunden und Regulierung sie abfragen. Relevant sind der Energiebedarf der Herstellung, der CO2-Fußabdruck, die Recyclingfähigkeit und die Verfügbarkeit von Sekundärwerkstoffen. Die EU-Ökodesign-Verordnung und die Chemikalienverordnung REACH setzen dabei den Rahmen.

Nutzwertanalyse und Ashby-Diagramme als Methoden

Die Nutzwertanalyse macht unterschiedlich skalierte Kriterien vergleichbar. Sie vergibt Gewichte, die zusammen 100 Prozent ergeben, und je Werkstoff einen Erfüllungsgrad auf einer festen Skala. Der Teilnutzen ist das Produkt aus Gewicht und Erfüllungsgrad, der Gesamtnutzen die Summe aller Teilnutzen.

VDI 2225 Blatt 3 beschreibt dieses Vorgehen für den technisch-wirtschaftlichen Vergleich von Konstruktionsvarianten. Die Richtlinie arbeitet mit Gewichtungsfaktoren und einer Punkteskala, damit technische und wirtschaftliche Gesichtspunkte in derselben Rechnung erscheinen.

Zur Nutzwertanalyse gehört eine Sensitivitätsprüfung. Verschiebt man ein Gewicht um zehn Prozentpunkte und das Ergebnis kippt, ist die Entscheidung nicht belastbar. Solche Kipppunkte gehören in die Dokumentation der Auswahl.

Ashby-Diagramme arbeiten mit zwei Werkstoffeigenschaften auf logarithmischen Achsen. Materialfamilien bilden dort Inseln, Auswahlgrenzen sind Linien. Aus der Zielfunktion des Bauteils lässt sich ein Werkstoffindex ableiten, etwa E geteilt durch Dichte für ein steifes Leichtbauteil oder Festigkeit hoch zwei Drittel geteilt durch Dichte für einen Biegebalken.

Software setzt beide Verfahren um. Ansys Granta Selector, früher unter dem Namen CES Selector bekannt, enthält Werkstoffdatenbanken mit Kennwertkurven. Granta MI dient der Verwaltung unternehmenseigener Werkstoffdaten, damit Berechnung und Freigabe auf derselben Datenbasis laufen.

Für Kunststoffe sind die Prüf- und Werkstoffnormen im Fachnormenausschuss Kunststoffe gebündelt. Dort entstehen unter anderem die Vorgaben für Zug- und Biegeversuche, die wiederum in die Datenbanken einfließen.

Materialauswahl in fünf Arbeitsschritten

1. Anforderungsprofil erstellen und in Muss- und Kann-Kriterien trennen.
2. K.-o.-Kriterien anwenden: Temperaturgrenze, Medienbeständigkeit, Zulassungspflicht, Herstellbarkeit.
3. Kandidaten mit Werkstoffindex und Ashby-Diagramm auf eine kurze Liste eingrenzen.
4. Nutzwertanalyse mit Gewichten, Erfüllungsgraden und Gesamtnutzen rechnen.
5. Fertigungs-, Kosten- und Ökologieprüfung anschließen, danach Muster bauen und freigeben.

Rechenbeispiel: Gehäuse in drei Werkstoffen

Angenommen wird ein Elektronikgehäuse mit 20.000 Stück pro Jahr. Vier Kriterien werden gewichtet: Steifigkeit mit 30 Prozent, Temperaturbeständigkeit mit 25 Prozent, Kosten mit 30 Prozent und Recyclingfähigkeit mit 15 Prozent. Die Erfüllungsgrade reichen von 1 bis 10.

Kriterium	Gewicht	Aluminium-Druckguss	PA6-GF30	Stahlblech
Steifigkeit	30 %	8	7	9
Temperaturbeständigkeit	25 %	9	5	8
Kosten	30 %	6	9	7
Recyclingfähigkeit	15 %	8	5	9
Gesamtnutzen	100 %	7,65	6,80	8,15

Das Stahlblech erreicht mit 8,15 den höchsten Gesamtnutzen, weil es bei Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit und Recycling führt. PA6-GF30 verliert vor allem bei der Temperaturbeständigkeit. Werden die Gewichte verschoben, etwa Kosten auf 45 Prozent, dreht sich das Ergebnis zugunsten des Kunststoffs.

Damit ist die Rechnung eine Vorlage für die Diskussion, kein Beweis. Die Erfüllungsgrade hängen von der Datenqualität ab und sollten mit ihrer Herkunft dokumentiert werden.

Normen, Software und Datenquellen

DIN 8580 ordnet die Fertigungsverfahren, VDI 2225 Blatt 3 die Bewertung. Für Kennwerte gelten Prüfnormen wie DIN EN ISO 6892-1 für den Zugversuch an Metallen und DIN EN ISO 527-2 für Kunststoffe. Für Aluminiumguss nennt DIN EN 1706 die Legierungszusammensetzungen.

Welche Gremien an diesen Normen arbeiten, zeigt der Überblick über die DIN-Normenausschüsse. Er hilft, die zuständige Stelle für eine Werkstofffrage schnell zu finden.

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung liefert Referenzmaterialien, Prüfverfahren und Schadensanalysen. Sie ist damit eine unabhängige Instanz, wenn Datenblätter widersprüchlich sind oder ein Schadensfall aufzuklären ist.

Bei kommerziellen Datenbanken lohnt die Frage nach der Herkunft der Kennwerte. Anbieter unterscheiden sich in Umfang, Aktualität und Zahl der Quellen. Für regulierte Branchen kommen eigene Werksnormen hinzu, die über die öffentlichen Normen hinausgehen.

Was Normen und Standards grundsätzlich regeln und wo ihre Grenzen liegen, fasst das DIN in seinen Grundlagen zu Normen und Standards zusammen.

Häufige Fragen

Wann reicht eine Nutzwertanalyse für die Materialauswahl?

Sie reicht, wenn wenige Kriterien mit belastbaren Zahlen vorliegen. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen bleibt sie eine Vorauswahl, danach folgen Bauteilversuch und Freigabe.

Was unterscheidet CES Selector von Granta Selector?

CES Selector war der frühere Produktname. Heute führt Ansys die Software als Granta Selector. Inhaltlich geht es weiterhin um Werkstoffdatenbanken mit Auswahldiagrammen und Werkstoffindizes.

Welche Norm regelt die Bewertung von Konstruktionsvarianten?

VDI 2225 Blatt 3 beschreibt die technisch-wirtschaftliche Bewertung. Sie liefert das Schema aus Gewichtung und Punktwert, das viele Nutzwertanalysen in der Praxis abbilden.

Wie gehe ich mit widersprüchlichen Werkstoffdaten um?

Streuung, Prüfbedingungen und Probenentnahme prüfen. Oft hilft ein zweiter unabhängiger Datensatz plus eigene Prüfung am Halbzeug aus der späteren Liefercharge.

Ab welcher Stückzahl lohnt sich ein Werkzeug?

Eine pauschale Schwelle gibt es nicht. Die Werkzeugkosten werden durch die Stückzahl geteilt und mit den Einsparungen je Teil verglichen. Kurze Produktlebensdauern verschieben die Rechnung zugunsten spanender Verfahren.