5 Schlüsselfragen zur Materialauswahl für moderne Produkte

Angesichts der riesigen Materialauswahl gibt es heute mehrere Herausforderungen bei der Auswahl der besten Materialien für moderne Produkte. Angesichts der Fortschritte in Technologie und gesamtem technischem Know-how gibt es mehr Möglichkeiten denn je, welche Produkte erschaffen werden können und welche Materialtypen eingesetzt werden können.

Die Auswahl der besten Materialien ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung moderner Produkte. In der Vergangenheit lagen Herausforderungen eher in der Materialbeschaffung – besonders erschwinglicher – und in technischen Limitations aus Designsicht.

Dennoch stehen moderne Bauherren, Auftragnehmer und Designer vor der Aufgabe, die besten Materialien in einem extrem wettbewerbsintensiven Markt zu finden. Die Wahl falscher Materialien könnte auf so vielen Ebenen irreparable Verluste bedeuten.

Hier sind fünf Fragen, die Produktdesigner und Bauherren stellen sollten, wenn sie nach vielversprechenden – und wettbewerbsfähigen – Materiallösungen suchen.

1. Ist das Material leicht und dennoch stark?

Festigkeit ist eine wertvolle Eigenschaft in vielen Produkten. Es gibt sehr wenige Situationen, in denen man etwas absichtlich schwach designen würde. Traditionell ging Festigkeit jedoch mit Mehrgewicht einher, da stärkere Materialien meist mehr Masse erforderten.

In der heutigen Welt ist das nicht mehr die Norm. Materialien wie Aluminium, Titan und Magnesiumlegierungen haben alle hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, was sie zu den richtigen Materialien für Hochgeschwindigkeitszüge, Personenfahrzeuge, Flugzeuge und Raumfahrzeuge macht.

Aluminium hat eine Zugfestigkeit von 90 MPa bei einer Dichte von nur 2,7 g/cm³ bei 20 °C. Diese Eigenschaften, kombiniert mit seiner Häufigkeit und niedrigen Kosten, machen es zu einem der besten Materialien für eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Flugzeugteile, Kühlkörper, Fensterrahmen und Bauwesen.

Die Zukunft wird zweifellos weitere Anwendungen dieser Metalle sowie neue und verbesserte Legierungskombinationen sehen.

Kürzlich schuf ein internationales Forscherteam der North Carolina State University (USA) und der Qatar University ein neues Material. Sie kombinierten Lithium, Magnesium, Titan, Aluminium und Scandium zu einer nanokristallinen Legierung, die ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aufweist als jedes andere bekannte Material auf dem Planeten. Wenn diese Legierung zu wettbewerbsfähigen Kosten verfügbar wird, könnte sie die Grundlage für eine neue Generation von Produkten für Land-, See- und Luftfahrt sowie viele weitere nützliche Anwendungen bilden.

2. Ist das Material ökologisch vertretbar?

Im Zeitalter von Klimawandel und erhöhter Umweltzerstörung wird die Verwendung von Materialien, die aus ökologischer und nachhaltiger Perspektive akzeptabel sind, immer wichtiger. Glücklicherweise gibt es mehrere „umweltfreundliche“ oder „grüne“ Materialien, die alle günstige Eigenschaften aufweisen.

Materialien wie Graphen, Aluminium und Borosilikatglas sind aufgrund ihrer Recycelbarkeit und geringen Umweltauswirkungen über ihren Produktlebenszyklus ökologisch wünschenswert. Diese und andere „grüne“ Materialien werden wahrscheinlich noch häufiger, wenn die Welt sich in Richtung Kreislaufwirtschaft bewegt, wie viele Regierungen angekündigt haben.

Dieser Wandel hin zu nachhaltigeren Materialien und daraus resultierenden Produkten stellt eine neue Herausforderung in der Materialauswahl für moderne Produkte dar, aber es ist eine beträchtliche und fundamentale Herausforderung, die künftig immer wichtiger wird.

3. Funktioniert das Material ohne Kompromisse beim Stil?

Produkte aus Materialien, die leicht, stark und zuverlässig sind, sind manchmal nur wertvoll, wenn sie modernen Stiltrends entsprechen. Dies ist meist nicht der Fall für industrielle Anwendungen, da Lagerhallen und Kraftwerke wenig Bedarf an ästhetisch ansprechender Konstruktion und Maschinen haben.

Alles jedoch, das für Verbraucher hergestellt wird, muss wahrscheinlich den Augentest genauso bestehen wie Zug- und Härteprüfungen. Haushaltsgeräte, Fahrzeuge, Elektronik und andere Produkte werden sich wahrscheinlich nicht verkaufen, wenn sie nicht aus optisch ansprechenden Materialien gefertigt sind.

4. Wird das Material ethisch abgebaut oder beschafft?

Dies ist in den letzten Jahren zu einem größeren Anliegen für Verbraucher geworden. Mit erhöhtem Zugang zu Produkten aus aller Welt und erhöhter Verfügbarkeit von Herkunftsinformationen ist die Nachfrage nach ethisch beschafften Produktkomponenten gestiegen.

Ob durch verbesserten Rohstoffabbau oder Fair-Trade-Beschaffung, Verbraucher sind sich der Herkunft ihrer Produkte und der sie zusammensetzenden Materialien bewusster.

Designer und Hersteller müssen heute mehr denn je sicherstellen, dass sie ihre Materialien aus Fair-Trade-Partnerschaften und umweltärmerem Abbau beziehen, um eine ethischere Beschaffung für ihre Produkte zu garantieren. Ähnlich wie die gestiegene Nachfrage nach ökologisch verträglichen Materialien ist ethisch einwandfreie Beschaffung weniger ein direktes Merkmal eines einzelnen Materials, sondern eher ein Gesamtrahmen für die Auswahl der besten Materialien. Dennoch ist dies eine der größten Herausforderungen bei der Materialauswahl für moderne Produkte.

5. Ist das Material kosteneffizient?

Das ist sowohl für Produzenten als auch Verbraucher relevant. Leichte, starke, nachhaltige und ästhetisch ansprechende Materialien sind nicht machbar,unless sie bezahlbar sind. Da Materialien meist nach Volumen verkauft werden, gemessen in Kilogramm, wirkt sich der Kostenfaktor stärker auf schwerere Materialien wie Eisen und Stahl aus als auf Graphen oder leichte Kunststoffe.

Glücklicherweise sind leichte, aber starke Materialien wie Aluminium reichlich vorhanden und relativ günstig bei etwas über 0,50 USD / 0,40 € pro Kilogramm. Andererseits können hochspezialisierte oder neu entwickelte Materialien mit ähnlichen oder besseren Festigkeits-Gewichts-Verhältnissen, wie die oben genannte nanokristalline Legierung, prohibitiv teuer sein. In vielen Fällen ist die Bewertung der Kosten verfügbarer Materialien der entscheidende Faktor, alle anderen Aspekte seien relativ gleich.

Die richtige Balance finden

Wie bei vielen anderen Aspekten von Bau oder Fertigung braucht es einen Mittelweg oder Sweet Spot, wo alles zusammenpasst, um das ideale Material für jedes vorgesehene Produkt zu schaffen. Manche Materialien, die für bestimmte Projekte gut geeignet sind, können für andere ungeeignet sein, sei es durch unterschiedliche Anforderungen oder unterschiedliche zulässige ökologische Auswirkungen.

Zum Beispiel kann Glasfaserharz-Verbundwerkstoff eine perfekte Option für Bootsbau sein, da er stark ist und kleine Risse und Unebenheiten im Rumpf abdecken kann. Derselbe würde aber im Schienenfahrzeugbau viel schlechter abschneiden, da dort passendere Optionen existieren.

Mit den fünf oben genannten Leitfragen können Sie einen ersten Rahmen konstruieren, um zu identifizieren, welche Materialien für Ihre speziellen Produkte und Projekte besser geeignet sind.