Materialien sind wie Menschen – sie haben ihre Stärken und Schwächen. Manche sind härter, andere weicher, manche flexibler, andere geben keinen Zentimeter nach. Neben den klassischen Materialien gibt es immer mehr interessante Hightech-Werkstoffe. Das Thema ist zu komplex, als dass es hier ausführlich behandelt werden kann. Daher seien im folgenden Kapitel nur die Materialeigenschaften vorgestellt, die bei dem Design von Produkten eine ganz wesentliche Rolle spielen.
Belastbar sein.
Vereinfacht gesagt, beschreibt Festigkeit den mechanischen Widerstand, den ein Werkstoff einer plastischen Verformung entgegensetzt. Während zum Beispiel elastische Stoffe nach der Einwirkung einer Kraft ihre bisherige Form sofort wieder einnehmen, ist eine plastische Verformung dauerhaft. Der Festigkeitsgrad eines Materials zeigt sich unter anderem darin, welcher Kraft es standhält, bevor es sich irreversibel verformt. Je nach Richtung der angreifenden Belastung unterscheidet man zwischen Zug-, Druck- und Biegefestigkeit.
Man könnte meinen, dass die drei Festigkeitsarten bei einem Material identisch sind, dass es einwirkenden Zug-, Druck- und Biegekräften gleich viel Widerstand entgegensetzt. Doch weit gefehlt. Welche unterschiedlichen Wirkungen die Richtung der Kraft bei Materialien haben kann, zeigt folgendes Beispiel. Kreide besitzt eine äußerst geringe Biegefestigkeit. Ein leichtes
Biegen – und schon knackt es. Tritt so etwas auf, spricht man von Materialversagen. Das rührt daher, dass beim Biegen im oberen Bereich des Kreidestücks Zug und im unteren Bereich Druck entsteht. Und da Kreide der Zugkraft schlecht standhält, versagt sie ganz schnell im oberen Bereich. Das Kreidestück reißt ein und bricht auseinander. Da nützt es der Kreide auch nicht mehr viel, dass sie über eine sehr hohe Druckfestigkeit verfügt: Versuchen Sie bitte einmal, ein Stück Kreide durch einfaches Drücken zu verformen. Es ist äußerst stabil. Für eine hohe Biegefestigkeit ist es also wichtig, dass sowohl Zug- als auch Druckfestigkeit möglichst hoch dimensioniert sind. Sobald eine der zwei Eigenschaften geringer ausfällt, hat das zur Folge, dass ein Material leicht bricht. Denn einwirkende Biegekräfte sind stets eine Kombination von Druck und Zug.
Ganz ähnlich wie Kreide verhält sich auch Beton – allerdings in etwas größeren Dimensionen. Auch er kann dem Auftreten von Zugkräften nicht lange standhalten. Häuser aus Beton würde es nicht geben, wenn man nicht auf einen Trick verfallen wäre: die Kombination des Betons mit Stahl. An allen Stellen, an denen Beton durch Zugkräfte belastet wird, muss er mit Bewehrungsstahl gestützt werden. Das Ideale an dem Duo Beton und Stahl ist, dass sie sich gegenseitig perfekt ergänzen. Stahl verfügt – im Gegensatz zu Beton – über eine sehr hohe Zugfestigkeit. Das demonstriert: Mittels einer durchdachten Kombination unterschiedlicher Materialien lässt sich oft das optimale Ergebnis erreichen. Beide Werkstoffe gleichen ihre Schwächen aus und ergänzen sich mit ihren Stärken.
Natürlich ist bei derartigen Kombinationen zu berücksichtigen, dass sich die Materialien auch anderweitig gut vertragen. Wie bei einer Ehe reicht es nicht aus, Stärken und Schwächen zu vervollständigen, man muss auch den Alltag meistern. Im Fall von Beton und Stahl ist die glückliche Fügung nahezu perfekt. Stahl hat eine Schwäche: Er rostet über kurz oder lang. Kein Problem: Beton ist dermaßen alkalisch, dass er die Korrosion dauerhaft verhindert. Ein weiterer positiver Aspekt des Duos ist, dass Beton und Stahl nahezu die identische wärmespezifische Dehnung besitzen. Das bedeutet, dass sich beide Stoffe durch Hitze fast gleich dehnen und bei Kälte fast gleich schrumpfen. Wenn dem nicht so wäre, würden Betonteile bei schwankenden Temperaturen reißen, der Bewehrungsstahl im Betoninneren bräche heraus – Häuser aus Beton und Stahl wären keine gute Idee. Doch zum Glück verstehen sich die beiden ja prima und halten in guten und schlechten Zeiten ideal zusammen.
Den schönen Schein wahren.
Härte und Festigkeit klingen zunächst einmal ziemlich ähnlich. Was die zwei Materialeigenschaften verbindet, ist die Tatsache, dass sie sich einer äußeren Krafteinwirkung widersetzen. Aber auch wenn der Begriff Härte viel mit Festigkeit zu tun zu haben scheint, gibt es dennoch Unterschiede. Härte bezeichnet unter anderem auch das Verschleißverhalten von Materialien. Harte Brillen und Uhrengläser zum Beispiel zerkratzen weniger und bleiben so langfristig attraktiv. Es gibt mehrere Testverfahren, um die Härte von Materialien zu prüfen. Die beiden gängigsten sind Prüfungen nach Rockwell und Vickers.
Rockwell-Prüfverfahren
ermittelt die Rockwellhärte für metallische Werkstoffe. Dazu wird auf die Materialoberfläche ein Prüfkörper gesetzt und ein definierter Druck ausgeübt. Je geringer die Eindringtiefe des Prüfkörpers ist, desto härter ist das Material. Die Einheit der Rockwellhärte ist HR (Härte nach Rockwell). Abhängig von den getesteten Materialien kommen verschiedene Prüfaufsätze zum Einsatz. Dies lässt sich direkt in der Einheit der Rockwellhärte erkennen. Beim Einsatz einer kegelförmigen Prüfspitze aus Diamant zum Beispiel lautet die Einheit HRC. Die Härte einer Nirosta®-Edelstahlmesserklinge liegt bei rund 53 HRC, die einer Getriebewelle bei „nur“ 48 HRC. Ein Diamant ist mit 100 HRC das Maß aller Dinge.
Vickers-Prüfverfahren
bestimmt die Vickershärte für eine Vielzahl von Materialien: von Aluminium bis zu Hartstoffen wie Titancarbid. Ein pyramidenförmiger Prüfkörper aus Diamant übt mit einer definierten Kraft Druck auf den Werkstoff aus. Mithilfe eines Messmikroskops wird der bleibende Abdruck untersucht, durch die Länge der Abdruck-Diagonale (d1, d2) errechnet man den Härtegrad des Materials. Sowohl für harte als auch für weiche Materialien wird die identische diamantene Prüfspitze benutzt. HV ist die Einheit der Vickershärte. Dazu zwei Beispiele: Ein japanisches Katana-Schwert besitzt eine Vickershärte von rund 600 HV, Titancarbid bietet noch ein klein wenig mehr: knapp 3.200 HV. Daher eignet es sich unter anderem gut zur Beschichtung von Werkzeugen.
Shore-Härte
Elastomere und Kunststoffe sind im Durchschnitt etwas weicher als andere Materialien, wie Metalle oder Mineralien. Deshalb braucht man eine sanftere Methode, um ihre Härte zu messen. Daher entwickelte 1915 der US-Amerikaner Albert Shore ein spezielles Verfahren, das vorwiegend für Elastomere und gummielastische Polymere eingesetzt wird. Das Verfahren wurde entsprechend nach ihm benannt. Das Shore-Härteprüfgerät besteht aus einem federbelasteten Stift aus gehärtetem Stahl. Die Eindringtiefe des Stiftes (h) in das zu prüfende Material zeigt, wie hart das Material ist. Je nachdem, welche Form die Spitze des Stiftes besitzt und mit welcher Federkraft er auf die Materialprobe gedrückt wird, unterscheidet man zwischen den Verfahren Shore a, b, c und d. Die gängigsten Verfahren sind allerdings Shore a und Shore d.
Bei dem Verfahren Shore a wird der Prüfkörper mit einer Kraft von 12,5 Newton und bei Shore d mit 50 Newton belastet. Bei Shore a verwendet man eine Nadel mit abgestumpfter Spitze, bei Shore d wird eine Nadel mit kegelförmiger Spitze eingesetzt. Die Shore-Härte a ist für Weichgummi und die Shore-Härte d für etwas härtere Kunststoffe wie Elastomere geeignet. Da die Wärme die Eigenschaften von Kunststoffen radikal beeinträchtigt, spielt die Temperatur bei der Messung der Shore-Härte eine große Rolle, d. h., die Messungen werden bei einer Temperatur von 23° C 2 K durchgeführt. Die Messwerte liegen zwischen 0 bis 100 Shore. Je höher der Wert, desto härter das Material.
Neolog A24
Das Gehäuse wurde aus rostfreiem Stahl 316L gefertigt und zusätzlich mit Titancarbid beschichtet. Daraus ergibt sich eine Oberflächenhärte von ca. 3.200 HV.
Ein ständiges Hin und Her.
Eine metallische Sprungfeder symbolisiert Elastizität besonders deutlich. Unter Krafteinwirkung verändert sie ihre Form; sobald die wirkende Kraft wegfällt, kehrt die Feder zurück in ihre alte Form. Elastizität ist ein wichtiger Aspekt von Materialien. Daher sind viele elastische Werkstoffe – der Kunststoff ABS etwa – in fast allen Produkten enthalten, die uns täglich umgeben. Die Elastizität eines Werkstoffs, seine zuverlässige Fähigkeit, kleine Verformungen wieder auszugleichen, wird beim Design von Produkten für die Erfüllung von zahlreichen Funktionen eingesetzt. Teilweise kann sie mechanische Konstruktionen ersetzen, die sonst weitaus komplexer und kostenintensiver wären. Nehmen wir einen simplen Shampoodeckel mit seinem typischen Schnappverschluss: Der Deckel dient nicht nur dem zuverlässigen Schließen, er ersetzt auch das sonst benötigte Gelenk. Dank der Elastizität des Materials Plastik klickt der Deckel leicht zu und lässt sich leicht wieder öffnen. An dieser Stelle ist Plastik sinnvoll eingesetzt. Ein weiterer Vorteil der elastischen Werkstoffe ist die Deformation bei einem Stoß. Durch die Verformung erhöht sich einerseits die Zeit des Zusammenpralls und andererseits die Stoßfläche. Somit erhöht sich die Stoßzeit und reduzieren sich die Spannungsspitzen bei einem Stoß enorm, und es treten dadurch weniger Schäden auf. Dieser Effekt wird nicht nur bei Gummizellen eingesetzt, sondern auch bei vielen Produkten.
Stabilität leicht gemacht.
Material b wiegt bei gleichem Volumen mehr als Material a, also hat b eine höhere Dichte als a. Die Dichte ist ein wichtiges Effizienzmerkmal, sie definiert das Verhältnis zwischen Gewicht und Volumen. In vielen Bereichen zählt eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Das Monocoque eines Formel-1-Rennwagens ist ein extrem stabiles Chassis, das Spitzengeschwindigkeiten von weit über 300 km/h standhält. Es besteht aus einer Konstruktion aus kohlenstoffverstärktem Kunststoff und ist nicht nur leichter als das früher verwendete Aluminium, sondern weist auch in puncto Steifigkeit wesentlich bessere Werte auf.
Oft ist die Dichte eines Materials abhängig vom Einsatzgebiet eines Produktes. Sie bestimmt im Verhältnis zu den anderen Materialeigenschaften, wie effizient ein Werkstoff ist. Stellen Sie sich bitte ein Fahrrad vor: Der Rahmen sollte nicht nur robust sein und enorme Spannungen aushalten. Er sollte gleichzeitig auch noch möglichst leicht sein. Ein Fahrrad aus Stahl 316L wäre zwar außerordentlich stabil, es würde aber auch einiges wiegen. Der Spaß am Fahrradfahren dürfte einem schon nach kürzester Zeit vergehen. Auch hier sorgen moderne Hightech-Werkstoffe wie Carbon oder Kevlar für Abhilfe – sie bieten eine möglichst hohe Festigkeit bei minimalem Eigengewicht.
Auch Materialien haben einen Lebenszyklus. Sie verändern sich durch Umwelteinflüsse wie zum Beispiel UV-Strahlen, Hitze, Feuchtigkeit – ebenso durch Dauerbelastungen wie Vibrationen, Druck- oder Zugkräfte. Das kann die Funktion langfristig beeinträchtigen. Aus diesem Grund sollten bei der Auswahl von Materialien auch unbedingt deren chemische Eigenschaften berücksichtigt werden.
Die wichtigsten chemischen Eigenschaften sind:
• UV-Beständigkeit
• Feuchtigkeitsresistenz
• Wärmebeständigkeit
• Brennbarkeit
• Lichtdurchlässigkeit
• Korrosionsbeständigkeit
Nehmen wir nur einmal Holz. Es ist ein Wunderwerkstoff der Natur: fest verarbeitbar, natürlich abbaubar, ästhetisch, ungiftig. Aber leider ist es nicht perfekt, sondern verformt sich mit der Zeit. Grund ist seine hygroskopische Eigenschaft: Holz nimmt die Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, Formschwankungen in Form von Quellung und Schwindung sind die Folge. Das führt unter anderem dazu, dass der gute alte Holztisch nach ein paar Jahren nicht mehr gerade steht und das schöne Fenster aus Massivholz sich plötzlich nicht mehr schließen lässt. Viele Kunststoffe wie PP und ABS verändern sich ebenfalls mit der Zeit. Sie verlieren ihre gewünschten Eigenschaften wie Farbe oder Elastizität: Kunststoffgehäuse werden spröde oder nehmen einen unschönen gelblichen Farbton an. Das ist einer der Gründe, warum Plastik oft der Ruf des Billigen anhaftet. Um den Veränderungen der Materialien durch Umwelteinflüsse entgegenzuwirken, kann man sie entsprechend vorbehandeln. Bei Kunststoffen setzt man Additive ein, um die Eigenschaften des Materials genauer einzustellen. Weichmacher verhindern Sprödigkeit und Härte, Stabilisatoren erhöhen die Lebensdauer und schützen vor Einflüssen wie Oxidation oder UV-Licht. Auch die Eigenschaften von Holz lassen sich durch eine individuelle Vorbehandlung verbessern, etwa durch Holzmodifikation (TMT), durch besonders lange Lagerung oder durch UV-Behandlung.
Für ein Produkt sind nicht nur die Eigenschaften eines Materials wie Festigkeit oder Elastizität wichtig. Ebenso bedeutend ist die Möglichkeit, es in der gewünschten Form in Serie verarbeiten zu können. Erst wenn sich der gewünschte Werkstoff leicht und präzise verarbeiten lässt, ist ein Produkt in größerer Stückzahl und zu vertretbaren Kosten realisierbar.
Wichtige Verarbeitungskriterien sind vor allem:
Gießbarkeit
Kann ein Material dünnflüssig gemacht werden, gibt es nach dem Gießen Risse oder Blasen? Schrumpft es?
Umformbarkeit
Lässt sich ein Material bleibend umformen? Sind Walzen, Schmieden oder andere Verfahren möglich?
Zerspanbarkeit
Ist ein Material durch spanende Techniken wie Bohren, Drehen, Fräsen oder Schneiden zu bearbeiten?
Ein gutes (schlechtes) Beispiel, welch entscheidende Rolle die Verarbeitbarkeit bei der Auswahl eines Materials spielt, liefern Verbundwerkstoffe aus Kunststoffen wie Kevlar oder Carbon. Sie besitzen eine hohe Stabilität und Festigkeit, gleichzeitig sind sie besonders leicht. Daher werden sie vor allem in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Als zu Beginn der 1980er-Jahre die Verbundwerkstoffe auch im Formel-1-Bereich Einzug hielten, konnten die Autohersteller die Bauteile zunächst nicht selbst fertigen. Wegen des aufwendigen Herstellungsprozesses wurden sie noch jahrelang in der Luftfahrtindustrie produziert. Die Rennställe waren mit der Verarbeitbarkeit anfangs schlicht überfordert. Zu komplex und kostspielig war die Herstellung der Hightech-Materialien, die unter anderem hohe Temperaturen und extrem hohe Drücke in einem Spezialofen erfordern.
Jedes Produkt steht in Wechselwirkung mit seiner Umwelt. Um einen Holztisch zu bauen, müssen Bäume gefällt werden. Für ein Computergehäuse aus Plastik muss zunächst Erdöl in seine Bestandteile zerlegt werden, diese dienen als Ausgangsstoff für die weitere Verarbeitung. Landet der Computer – oft nur wenige Jahre später – auf dem Müll, wirkt auch das sich auf die Umwelt aus. Wird das Material recycelt, benötigt man dafür Energie, was wiederum Schadstoffemissionen verursacht. Besonders bizarr: der „Export“ von Zivilisationsmüll in andere Länder.
Die ökologischen Eigenschaften eines Materials können helfen, natürliche Ressourcen und unsere Umwelt zu schonen. Der Einsatz von erneuerbaren Rohstoffen ist eine gute Grundlage. Holzhäuser bestehen nicht nur aus einem nachwachsenden Rohstoff, sie bieten auch eine besonders hohe Wohnqualität. Kleidung aus natürlichen Stoffen macht zum einen eine gute Figur und obendrein ein gutes Gewissen. Wichtig ist, dass die Materialien nachhaltig produziert werden, und das möglichst in unmittelbarer Nähe. So spart man lange Transportwege und fördert gleichzeitig regionale Unternehmen. Klingt fast zu schön, um wahr zu sein? Okay, was also tun, wenn man auf bestimmte Materialien nicht verzichten kann, sei es aus technischen oder aus finanziellen Gründen oder gar auf Wunsch des Auftraggebers? Auch dann ist es ratsam, bei der Auswahl genauer hinzuschauen. Denn selbst bei einem Material gibt es oft alternative Varianten. Der Vermeidung von Schadstoffen kommt eine große Bedeutung zu. Viele IT-Hersteller haben sich beispielsweise verpflichtet, bromierte Flammenhemmer in ihren Produkten zu reduzieren. Der Einsatz von Blei ist mittlerweile in vielen Bereichen gesetzlich verboten. Das sind nur zwei winzige Bausteine in einem riesigen Mosaik. Als Designer betreibt man aktiven Umweltschutz, indem man hier weiterdenkt und sich nicht mit dem Status quo begnügt.
Diese Faktoren prägen ökologische Materialeigenschaften:
Ressourcen
Ist das Material in großer Menge vorhanden? Oder sollte man durch alternative Stoffe Reserven schonen?
Energieverbrauch
Wie viel Energie wird für die Herstellung benötigt? Gibt es energiesparendere Materialalternativen?
Giftigkeit
Enthält das Material giftige Stoffe oder entstehen welche bei der Produktion? Sind diese Substanzen ersetzbar?
Recycling
Lässt sich das Material gut wiederverwerten? Erfordert dieser Prozess möglichst geringen Aufwand?
Das Zauberwort heißt: Kombinieren.
Ein Produktdesigner hat eine ähnliche Aufgabe wie ein Trainer: Er muss die richtige Person mit den richtigen Fähigkeiten auf der richtigen Position einsetzen. Nur dann ist die Mannschaft erfolgreich. Genauso wie sich Spieler gegenseitig ergänzen, sollten auch Materialien so verwendet werden, dass sie ihre Stärken einbringen und die Schwächen anderer ausgleichen.
Ein Beispiel für eine erfolgreiche Mannschaft liefert der Mörser Milli. Keramische Werkstoffe verfügen über eine extrem hohe Oberflächenhärte, lassen sich deshalb aber schwer präzise verarbeiten. Zudem sind sie sehr spröde und zerbrechlich. Kunststoffe wie Plastik verhalten sich genau umgekehrt. Sie sind nicht sehr hart, lassen sich aber relativ einfach in Form bringen. Zudem zerbrechen sie nicht so leicht. Es bietet sich also durchaus an, bei einem Mörser die beiden Werkstoffe miteinander so zu kombinieren, dass jedes Material seine spezifischen Stärken voll ausspielen kann: Die Flächen, an denen Reibung entsteht, sind aus Keramik gefertigt, der Griff und die Unterseite der Schale sind aus weichem Silikon. So stellt auch versehentliches Herunterfallen kein Problem dar, der Gebrauchswert wird zusätzlich erhöht.
Milli intelligenter Küchenhelfer
Milli erzeugt die notwendige Reibung und gleichzeitig den größtmöglichen Kontakt zwischen Schüssel und Mörser, sodass keine Materialreste haften bleiben. Deshalb sind die Unebenheiten (Dimples) konkav geformt. Sie sind großflächig und nicht sehr tief angelegt. Die Ränder der Dimples sind scharf geschliffen, was den Reibeprozess zusätzlich erleichtert. Da Keramik zerbrechlich ist, wird es nur am Kopf des Mörsers und im Kernbereich der Schüssel verwendet und in den anderen Bereichen durch Silikon ersetzt.
