Die Steifigkeit bezeichnet den Widerstand eines Körpers gegen die Verformung durch eine äußere Last (z.B. eine Kraft). Dabei kann die Belastung beispielsweise auch durch ein Moment, wie zum Beispiel ein Torsions- und Biegemoment geschehen. Dieser Vorgang hängt wiederum von der jeweiligen Beanspruchung ab. Deshalb wird zwischen der Dehn-, Biege-, Schub- und Torsionssteifigkeit unterschieden. Die Optimierung der Steifigkeit machen Bauteile vor allem widerstandsfähiger und langlebiger (Dauerfestigkeit).
Wovon hängt die Steifigkeit ab ?
Sie hängt in erster Linie von den Werkstoffeigenschaften ab. Darüber hinaus spielen die Geometrie des Werkstücks, aber auch die Art der Verarbeitung eine wesentliche Rolle. Die Steifigkeit ist eine mechanische Größe und gilt im linear-elastischen Umfeld. Das heißt, die Optimierung Steifigkeit kommt nur für kleine Verformungen zum Tragen. Unter relativer Steifigkeit verstehen wir jene, die für schlanke Körper der Länge nach gilt. Der Kehrwert wird auch als Nachgiebigkeit bezeichnet. Die absolute Steifigkeit wird als Tensor bezeichnet.
Worin besteht der Unterschied zwischen Steifigkeit und Festigkeit ?
Die Festigkeit ist das Maß für die maximale Widerstandsspannung während einer plastischen Verformung. Handelt es sich um komplizierte Geometrien, kann oft zwischen den einzelnen Belastungsarten nicht genau unterschieden werden. Bei einer Helix kann zum Beispiel eine Zugbelastung auch zur einer Verwindung führen. Hierbei werden zur Steifigkeitsoptimierung vor allem die Rechnerische Methoden, wie die Finite- Elemente- Methode herangezogen.
Wann kommen Belastungsverformungen zum Tragen ?
Bei der Fertigung von Bauteilen, die später vorallem hohen Belastungen ausgesetzt sind oder die 100 % passgenau sein müssen, kann die kleinste Ungenauigkeit oder Steifigkeitsverformung das Bauteil unbrauchbar machen. Das geschieht vor allem im Maschinenbau, aber auch in der Kunststofffertigung. 3D-Teile werden auf dem Computer erstellt und nur mehr mit dem 3D-Drucker ausgedruckt. Da dieser Vorgang zwar praktisch, einfach und rasch funktioniert, aber sehr kostspielig ist, müssen die ausgedruckten Bauteile auch zu 100 % nutzbar sein.
Wie kann die Steifigkeit optimiert werden ?
Je nach Art der zu verbessernden Steifigkeit stehen unterschiedliche Berechnungsformeln zur Verfügung. Die Optimierung der Steifigkeit hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Durch Zusatzstoffe, Füllstoffe bzw. des Materialmix lässt sich üblicherweise die Steifigkeit rasch verbessern. Optimiert wird sie jedoch hauptsächlich über die Formeln.
Sollen hingegen neue Polymerwerkstoffe entwickelt werden, muss das Material sehr zäh und steif sein, damit es weiterverarbeitet und/oder verwendet werden kann. Deshalb werden sowohl weiche als auch steife Füllstoffe in eine Polymermatrix eingearbeitet. Das Ergebnis nennt sich ternäres Stoffsystem und zeigt deutlich verbesserte Zähigkeits-/Steifigkeitsmerkmale. Bei der Steifigkeitsoptimierung kommt es auch auf die Dispergierung und Haftung der Füllstoffe in der Matrix an. Das wiederum hängt von der guten Kompabilität und Verarbeitbarkeit der Füllstoffe ab.
Auf diesen Seiten erfahren Sie ebenfalls, wie Sie mit Hilfe der Steifigkeitsoptimierung Ihren Produktentwicklungsprozess beschleunigen können.
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