Werkstofftechnik 1 Vorlesung PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 1. Einleitung in die Werkstofftechnik Das Lästige: griechische Buchstaben und die sog. Vorsätze von Einheiten Prof. Dr. Chr. Barth 23 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik SI Einheiten SI Einheiten Art der Basisgröße Name der Basiseinheit Formelzeichen für Symbol für die Größe Name Übliches Einheiten- Beziehung zu die Basisgröße Basiseinheit Symbol bzw. zeichen anderen Länge Meter l m Formel- SI-Einheiten Zeit Sekunde t s zeichen Frequenz Hertz f Hz = 1/s Masse Kilogramm m kg Kraft Newton F N = kg · m/s² Elektrische Stromstärke Ampere I A Druck Pascal p Pa = N/m² Temperatur Kelvin T K Energie, Arbeit Joule E, W J =N·m Lichtstärke Candela IV cd =W·s Stoffmenge Mol n mol Leistung Watt P W = J/s Basisgrößen und Basiseinheiten des SI Elektrische Ladung Coulomb Q C =A·s Falls Sie in der Tabelle so wichtige Größen wie „Kraft“ oder „elektrische Spannung“ vermissen: Diese Elektrische Spannung Volt U V = W/A sind nicht elementar und können mit ihren Einheiten aus den Basis größen abgeleitet werden. Elektrische Kapazität Farad C F = C/V Elektrischer Widerstand Ohm R Ω = V/A Elektrischer Leitwert Siemens G S = A/V Magnetischer Fluss Weber Φ Wb =V·s Magnetische Fluss Tesla B T = Wb/m² dichte Induktivität Henry L H = Wb/A (Radio) Aktivität Becquerel A Bq = 1/s Energiedosis Gray D Gy = J/kg Äquivalentdosis Sievert H Sv = J/kg Abgeleitete SIEinheiten mit selbständigen Namen https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/broschueren/zum-internationalen-einheitensystem.html Dr. Lutwin Spix 24 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Faktoren und Vielfache Bildung von Vielfachen und Faktoren von Einheiten auf 10er-Basis Quelle: DIN IEC/TS 62720 (DIN SPEC 42720):2018-04 Vorsatz Faktor Name Zeichen –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 = 10 Yocto y –21 0,000 000 000 000 000 000 001 = 10 Zepto z 0,000 000 000 000 000 001 = 10–18 Atto a 0,000 000 000 000 001 = 10–15 Femto f –12 0,000 000 000 001 = 10 Piko p –9 0,000 000 001 = 10 Nano n –6 0,000 001 = 10 Mikro  –3 0,001 = 10 Milli m –2 0,01 = 10 Zenti c –1 0,1 = 10 Dezi d 0 1= 10 – – 1 10 = 10 Deka da 2 100 = 10 Hekto h 3 1 000 = 10 Kilo k 1 000 000 = 106 Mega M 1 000 000 000 = 109 Giga G 12 1 000 000 000 000 = 10 Tera T 15 1 000 000 000 000 000 = 10 Peta P 18 1 000 000 000 000 000 000 = 10 Exa E 21 1 000 000 000 000 000 000 000 = 10 Zetta Z 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10 Yotta Y Dr. Lutwin Spix 25 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 26 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einführung Klassifizierung Werkstoffe nach Bindungsart Quelle Wolfgang Weißbach Michael Dahms Christoph Jaroschek Werkstoffkunde Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Dr. Lutwin Spix 27 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Werkstoffe zum Anfassen Dr. Lutwin Spix 28 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung in die Werkstofftechnik Beispiele für Werkstoffe 2024 Werkstoff Eigenschaften Anwendung Holz Thermoplast Elastomer Glas /Keramik Metall Dr. Lutwin Spix 31 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Einleitung in die Werkstofftechnik Definitionen zur Werkstofftechnik „Werkstofftechnik ist derjenige Zweig der technischen Wissenschaften, der sich mit der Gewinnung, den Eigenschaften und der Verwendung der Werkstoffe befasst.“ Konstruktionswerkstoffe sind für die Konstruktion von Bauteilen nützliche, feste Stoffe; mechanische Eigenschaften stehen im Vordergrund Dagegen Funktionswerkstoffe: physikalische Eigenschaften im Vordergrund Die Werkstofftechnik ist „ur“-alt. Ganze Epochen wurden nach Werkstoffen benannt, z.B.: Steinzeit (2,6 Mio. v.Chr. bis 2200 v. Chr.) Bronzezeit (2200 v.Chr. bis 800 v Chr.) Eisenzeit (800 v. Chr. bis 500 n. Chr.) Prof. Dr. Chr. Barth 32 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Einleitung in die Werkstofftechnik Werkstofftechnik im Produktentstehungsprozess Werkstofftechnik Dr. Lutwin Spix 33 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 34 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Historie von Kunststoffen Die Entwicklung der Werkstoffe Kunststoff Speziallegierungen Stahlbeton Mörtel Eisen Bronze, Glas Seide, Baumwolle Edelmetall Steinzeit -5000 e -4000 Wolle Bronzezeit -2000 Leder Eisenzeit -1000 0 Holz Mittelalter 1000 Steine Neuzeit 2000 Prof. Dr. Chr. Barth 35 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Historie von Kunststoffen 1531: Bartholomäus Schobinger schreibt ein Rezept für ein Material aus Milchkasein als Ersatz für Rinderhorn auf 1905: Leo Baekeland entwickelt den ersten vollsynthetischen Kunststoff, das „Bakelit“ aus Phenol und Formaldehyd Prof. Dr. Chr. Barth 36 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Historie von Kunststoffen Dr. Lutwin Spix Bakelit - Kunststoff einfach Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 37 erklärt - YouTube Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 38 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Weltverbrauch der wichtigsten Werkstoffe (4.650 Mto/a) Kunststoff Holz 400 Mto/a 2.500 Mto/a (geschätzt aus 4.300 mio m³ (2022) 2023) Stahl Zement 1.900 Mto/a 4.100 Mto/a (2023) (2023) Quelle: Statista Prof. Dr. Chr. Barth 39 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  Wirtschaftliche Bedeutung Produktionszahlen in [m³] Produktionsvolumen [Mio. m3] Kunststoff 300 250 Produktion Kunststoff > Produktion Stahl 200 150 Stahl 100 50 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Jahr Prof. Dr. Chr. Barth 40 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Erdölverbrauch in der EU in den Jahren 1970 bis 2023 (in Millionen Tonnen) 800 700 Erdölverbrauch in Millionen Tonnen 600 500 400 300 200 100 0 Quelle: Statista Dr. Lutwin Spix 41 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Verwendung von Erdöl Frage: Wie hoch ist der Anteil des Erdölverbrauchs für Kunststoffe? Quelle: APME Dr. Lutwin Spix 42 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Kunststoffeinsatz in Europa Quelle: PlasticEurope Facts 2020 Market Research Group (PEMRG) and Conversio Market & Strategy GmbH Dr. Lutwin Spix 43 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wirtschaftliche Bedeutung Anwendungen, Kunststoffe, Mengen in Europa Quelle: PlasticEurope Facts 2020 Market Research Group (PEMRG) and Conversio Market & Strategy GmbH Dr. Lutwin Spix 44 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Wirtschaftliche Bedeutung Magisches Dreieck der Kunststoffe PVC Polyvinylchlorid PS Polystyrol PMMA Polymethylmethacrylat amorph SAN Styrol-Acrylnitril ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol PC Polycarbonat PSU Polysulfon Hochleistungsthermoplaste PEI PEI Polyetherimid (> 6 €/kg) PEEK PSU PPS PE Polyethylen PP Polypropylen PC POM teilkristallin PA Polyamid Technische Thermoplaste, PET Polyethylenterephthalat Konstruktionswerkstoffe ABS PBT PBT Polybutylenterephthalat (≈ 2 – 6 €/kg) PET POM Polyoxymethylen PMMA SAN PA PPS Polyphenylensulfid PEEK Polyetheretherketon PS PP Standard Thermoplaste (< 2 €/kg) PVC PE amorph teilkristallin Menge Prof. Dr. Chr. Barth 45 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Weltverbrauch und Durchschnittspreise von Kunststoffen PEEK PEI PSU PC POM PPS ABS PS PP PBT SAN PVC PE PMMA PA PET Hochleistungs- Technische Standard- thermoplaste Thermoplaste thermoplaste Prof. Dr. Chr. Barth 46 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Wärmedämmwirkung verschiedener Baustoffe 1,6 cm PU-Hartschaum 2,2 cm PS-Extruderschaum 2,6 cm Mineralfaser 1,6 cm PU-Schaum besitzt die 2,6 cm Styropor gleiche Dämmwirkung wie Gleicher Wärmeverlust 3,4 cm Zellulose 134,4 cm Beton 3,4 cm Kork 3,4 cm Blähperlit 3,4 cm Holzfaserplatte 3,8 cm Schaumglas 6,8 cm Holzwolle 9,0 cm Beton (porös) 9,0 cm Holz 15,8 cm hochporöser Ziegel 37,1 cm Lochziegel 39,8 cm Strohlehm 52,5 cm Kalksandstein 134,4 cm Beton cm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Prof. Dr. Chr. Barth 47 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wirtschaftliche Bedeutung Energiebilanz PUR-Hartschaum 1m³ PUR-Hartschaum braucht zur Herstellung 70 Liter Erdöl...... und spart innerhalb von 50 Jahren 5.474 Liter Heizöl Prof. Dr. Chr. Barth 48 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik