Materialflexibilität verstehen: Wie Elastizität die Leistung bestimmt

Was ist Flexibilität?

Flexibilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich elastisch zu biegen und nach Entfernung der Belastung in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Bei elastischer Dehnung können flexible Materialien reversibel gestreckt werden. Die Streckgrenze, also die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es bricht oder sich irreversibel verformt, beschreibt den elastischen Grenzwert.

Neben der Dicke kann der Flexibilitätsgrad von Materialien durch Vergleich ihrer Streckgrenz-zu-Elastizitätsmodul-Verhältnisse bewertet werden, die die Steifigkeit und Festigkeit eines Materials ausdrücken.

Vorteile flexibler Materialien

Die Fähigkeit, unter Druck nachzugeben oder auszuweichen, wenn etwas dagegen stößt, macht Flexibilität entscheidend. Dies ermöglicht Bauteilen oder Instrumenten, Operationen auszuführen, die einen leichten Touch erfordern.

Anwendungen flexibler Materialien

Flexible Materialien werden häufig im 3D-Druck für folgende Anwendungen eingesetzt:

• Dämpfer
• Dichtungsverbindungen
• Greifer

Dämpfer

„Puffer“ aus flexiblen Materialien können Glas oder andere zerbrechliche Objekte zur Seite schieben, ohne sie zu brechen. Heineken nutzt in seiner Abfüllanlage in Sevilla, Spanien, flexible Materialien zu diesem Zweck.

Dichtungsverbindungen

Alle Unternehmen, die Flüssigkeiten oder Öle in ihren Fabriken verwenden oder verarbeiten, können Dichtungsverbindungen aus flexiblen Materialien nutzen, da diese sich der richtigen Form anpassen und dicht abschließen.

Greifer

Einige Unternehmen verwenden flexible Materialien für Greifer, die eine schonende Produktbehandlung ermöglichen.

Arten der Flexibilität

Elastizität und Plastizität sind die zwei Hauptarten der Flexibilität im Alltag. Obwohl sie oberflächlich ähnlich erscheinen, funktionieren sie grundlegend unterschiedlich. Auf ihre Grundbestandteile reduziert, können Materialien in zwei Kategorien und Arten der Veränderung eingeteilt werden.

Elastizität

Elastizität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, unter Einwirkung einer Kraft die Form zu ändern und nach Entfernen der Kraft in die ursprüngliche Form zurückzukehren. Gummi ist ein hervorragendes Beispiel: Es kehrt nach dem Dehnen in seine vorherige Form zurück. Die innere Struktur kann in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, auch wenn die Kraft die Teilchen und ihre Verbindungen verformt.

Plastizität

Bei Einwirkung einer Kraft kann ein Material seine Form ändern. Nach Entfernen der Kraft kehrt es jedoch nicht in seine ursprüngliche Form zurück; stattdessen ist zusätzliche Kraft nötig, um es zurückzubiegen. Ein Beispiel sind Büroklammern, die sich biegen und verdrehen lassen und diese Formen behalten, bis sie erneut gebogen werden. Die innere Struktur hat sich dauerhaft verändert, innere Bindungen können gebrochen sein, und die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands ist nicht einfach.

Dies erklärt, warum auch flexible Materialien brechen können: Übermäßige Kraft kann die Bindungen zwischen den Teilchen so weit schwächen, dass sie vollständig trennen und das Material bricht. Die Bindungen im Metallgitter werden beim Biegen der Büroklammer gedehnt; unter zu großer Spannung reißen sie. Selbst extrem elastische Materialien haben eine maximale Dehnung vor dem Bruch.

Ein Gebäude benötigt Materialien mit gewisser Elastizität, um Stöße absorbieren zu können, ohne zu brechen, und Plastizität, um sich bei Überlastung zu verbiegen statt vollständig zu brechen. Moderne Autos sind ein gutes Beispiel für Plastizität: Sie haben Knautschzonen aus Materialien, die bei Aufprall sich verbiegen und knittern, die Energie absorbieren und so den steiferen Zentralbereich vor Bruch und die Insassen vor schweren Verletzungen schützen.

Unterschied zwischen Flexibilität und Elastizität

Elastizität und Flexibilität sind zwei unterschiedliche Konzepte und Eigenschaften. Im Gegensatz zu Glas, das ebenfalls elastisch, aber bei Raumtemperatur hart ist, sind Gummi hauptsächlich elastische und flexible (duktilere) Materialien (spröde). Die Flexibilität eines Materials hat mehr mit Zähigkeit als mit Elastizität zu tun, da Zähigkeit als Widerstand gegen Stoßbelastung definiert ist.

Daher kann ein elastisches Material extrem spröde oder extrem zäh (duktile) sein. Man könnte argumentieren, dass Duktilität (Flexibilität) mit der Energiemenge zusammenhängt, die ein Material während der Verformung absorbieren kann, während Elastizität der Widerstand eines Materials gegen dauerhafte Verformung (gegen plastische Verformung) ist. Glas bricht bei weit geringerer Kraft und ist viel elastischer und steifer als Gummi. Glas ist härter, Gummi weniger steif.

Vergleicht man Material A und B, verformt sich Material A weit weniger als Material B, das einen kleineren Elastizitätsmodul hat. B ist flexibler als A, da es sich mit viel weniger Kraft (Spannung) verformt. Anders ausgedrückt: Material B lässt sich leichter verformen, und diese Verformung kann elastisch und reversibel oder dauerhaft und irreversibel (plastisch) sein.

Zusammenfassung

Flexibilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich elastisch zu biegen und nach Belastung seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen. Bei elastischer Dehnung können flexible Materialien reversibel gestreckt werden. Flexibilität und Elastizität sind eng verwandt, aber Unterschiede sind dennoch wahrnehmbar.