Was ist ein Ashby-Diagramm?

Ashby-Diagramme, auch bekannt als Ashby-Charts, werden häufig im Maschinenbau, im Ingenieurwesen, in der Werkstoffwissenschaft, in der Chemie und in anderen materialintensiven Fachgebieten eingesetzt. Sie sind nach Professor Michael Ashby von der Universität Cambridge benannt, der sie entwickelt hat.

Auf der einfachsten Ebene sind Ashby-Diagramme zweidimensionale Streudiagramme, die eine Werkstoffeigenschaft auf der x-Achse und eine andere Werkstoffeigenschaft auf der y-Achse darstellen. Dadurch lassen sich Zielkonflikte zwischen verschiedenen Werkstoffeigenschaften und weiteren Entwicklungsparametern wie Kosten bei der Auswahl eines Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung bewerten. Im Kern dienen sie dazu, verschiedene Faktoren und Eigenschaften beim Vergleich von Werkstoffen für einen bestimmten Einsatzzweck gegenüberzustellen. Ashby-Diagramme können für alle Arten von Werkstoffen verwendet werden. Auch wenn dreidimensionale Darstellungen schwer zu visualisieren sind, kann in zweidimensionalen Ashby-Diagrammen Farbe dazu genutzt werden, um zusätzliche Eigenschaften darzustellen.

Ashby-Diagramme können in jeder Branche eingesetzt werden, in der Werkstoffwissenschaft und spezifische Eigenschaften (mechanische, thermische, physikalische, elektrische, umweltbezogene usw.) für ein Produkt zentral sind. Da Ashby-Diagramme ein breit einsetzbares Werkzeug sind, das nicht auf eine bestimmte Branche ausgerichtet ist, sind sie für Ingenieur*innen äußerst vielseitig. Häufige Anwendungsbeispiele für Ashby-Diagramme finden sich in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Konsumgüterindustrie, der Energieerzeugung und der Bauindustrie sowie in der Wissenschaft. 

Alle Ashby-Diagramme dienen als visuelle Werkzeuge zur Werkstoffauswahl und zum Screening, mit denen Ingenieur*innen die unterschiedlichen Eigenschaftskombinationen verschiedener Werkstoffe vergleichen können. In vielen Fällen wird der am weitesten verbreitete oder technisch fortschrittlichste Werkstoff nicht ausgewählt, da andere Faktoren und Kosten sein Potenzial für eine bestimmte Anwendung einschränken können. In Ashby-Diagrammen wird ein Kompromiss zwischen den erforderlichen Eigenschaften und weiteren Faktoren wie Geometrie des Werkstoffs, Verfügbarkeit, Nachhaltigkeit und Kosten hergestellt. Der geeignetste Werkstoff, der den besten Kompromiss über alle Faktoren hinweg bietet, wird im Auswahlprozess ausgewählt.

Ashby-Diagramme verwenden häufig Farben zur Kennzeichnung von Werkstoffklassen wie Verbundwerkstoffen, Polymeren, Metallen, Legierungen, Hochentropielegierungen, natürlichen Werkstoffen, nichttechnischer Keramik oder technischer Keramik.

Ashby-Diagramme können im Konstruktionsprozess eingesetzt werden, um die Leistung einer bestehenden Komponente durch die Auswahl eines geeigneteren Werkstoffs zu verbessern, oder um den passenden Werkstoff für eine neue Anwendung zu bestimmen.

Während Ashby-Diagramme beliebige zwei Werkstoffeigenschaften vergleichen können – häufig Festigkeit, Kosten, Umweltauswirkungen oder Leichtbauaspekte – umfassen typische Beispiele, die Ingenieur*innen betrachten, unter anderem:

• Dichte vs. Elastizitätsmodul
• Elastizitätsmodul vs. Kosten
• Streckgrenze vs. Bruchzähigkeit
• Umweltauswirkungen vs. jede relevante Werkstoffeigenschaft
• Dichte vs. maximale Betriebstemperatur

Ashby-Diagramme sind Teil der Ashby-Auswahlmethodik, die sich auf die Werkstoffauswahl konzentriert. Diese Methodik beginnt damit, alle verfügbaren Werkstoffe über alle Werkstoffklassen hinweg zu berücksichtigen und sie anschließend durch spezifischere Anforderungen und Randbedingungen auf einen engeren Bereich einzugrenzen.

Um die Auswahl weiter einzugrenzen, müssen Ingenieur*innen die Konstruktionsanforderungen der Anwendung analysieren und dabei Fragen wie die folgenden berücksichtigen:

• Was wird gebaut?
• Welche Funktion hat das Produkt?
• Welche Belastungsanforderungen müssen erfüllt werden?
• Welche Toleranzen sind einzuhalten?
• Sind Eigenschaften bei hohen Temperaturen erforderlich?
• Muss das Produkt gegen korrosive Einflüsse beständig sein?
• Welche geometrischen Randbedingungen bestehen?
• Ist der CO2-Fußabdruck relevant?

All diese Konstruktionsfragen helfen dabei zu bestimmen, welche Werkstoffeigenschaften wichtig sind, welche Anforderungen zwingend erfüllt sein müssen und welche Eigenschaften als Kompromissspielraum betrachtet werden können.

Sobald die Werkstoffziele definiert sind, werden Werkstoffe anhand von Randbedingungen und "Must-have"-Eigenschaften gefiltert, um die Auswahl geeigneter Werkstoffe einzugrenzen. Alles, was außerhalb dieser Randbedingungen liegt, wird ausgeschlossen, während die verbleibenden Werkstoffe weiter bewertet und nach ihrer Eignung (unter Berücksichtigung von Faktoren wie Kosten usw.) eingeordnet werden. Das resultierende Ashby-Diagramm zeigt nur jene Werkstoffe, die durch die Randbedingungen nicht bereits ausgeschlossen wurden. Die Eigenschaften eines Werkstoffs im Diagramm werden häufig als Bereich dargestellt (unter Berücksichtigung typischer Streuungen der Eigenschaften) und nicht als Einzelwert. Daher erscheint ein Werkstoff oft als "Blase", die den möglichen Eigenschaftsbereich dieses Werkstoffs darstellt.

Für einfache Zielsetzungen reichen in der Regel ein oder zwei Ashby-Diagramme in Kombination mit weiteren Randbedingungen aus, um eine Entscheidung zu treffen. Für fortgeschrittene Anwendungen sind hingegen häufig mehrere Zielgrößen erforderlich, etwa beim Vergleich einer bestimmten Geometrie unter definierten Lastbedingungen. Diese erfordern mehrere Ashby-Diagramme oder komplexere Darstellungen, die Leistungsindizes verwenden, um den geeigneten Werkstoff für die jeweilige Anwendung zu bestimmen.

Für komplexere oder spezifischere Anwendungen reichen einfache Ashby-Diagramme in der Regel nicht aus. In diesen Fällen ist die Verwendung eines Leistungsindex erforderlich. Ein Leistungsindex ist kein einzelner Attributwert auf einer Achse eines Ashby-Diagramms, sondern eine mathematische Kombination mehrerer Werkstoffeigenschaften, die es ermöglicht, mehrere Leistungsfaktoren über eine einzige Diagrammachse zu analysieren. Dadurch wird die Darstellung bei mehreren Zielgrößen vereinfacht, da mehrere Einflussfaktoren in einem einzigen Diagramm berücksichtigt werden, um den geeigneten Werkstoff zu identifizieren.

Einige einfache Beispiele für Leistungsindizes sind Platten unter Biegebelastung, Stäbe in Druckbelastung oder Wellen in Torsion. Am Beispiel einer Platte unter Biegebelastung gibt es freie Variablen, die sich im Designprozess ändern können, etwa die Dicke der Platte abhängig von der geforderten Leistung. Feste Variablen, also solche, die im Design nicht verändert werden können, müssen ebenfalls identifiziert werden. Dies kann beispielsweise die Länge und Breite der Platte sein, da sie in einen bestimmten Bauraum passen muss.

Sobald diese festgelegt sind, können die Randbedingungen bestimmt werden. Diese beziehen sich auf das Verhalten des Werkstoffs, etwa ein steifigkeitsbegrenztes Design, das sich nicht über einen bestimmten Wert hinaus verformen darf, oder ein festigkeitsbegrenztes Design, bei dem ein Versagen unter einer bestimmten Last vermieden werden muss. Die Randbedingungen beschreiben somit, ob ein Werkstoff unter bestimmten Bedingungen versagt, und dienen der Identifikation von Werkstoffen, die nicht versagen.

Alle diese Faktoren werden im Leistungsindex berücksichtigt und ermöglichen es Ingenieur*innen, verschiedene Werkstoffe und Werkstoffklassen für die Designoptimierung in spezifischen Szenarien zu bewerten. Der Leistungsindex berücksichtigt dabei Geometrie und Belastung in gewissem Umfang. Das bedeutet, dass nicht einfach nur der "kostengünstigste Werkstoff" bestimmt wird, sondern die "kostengünstigste Lösung für eine Platte unter Biegebelastung in einem steifigkeitsbegrenzten Design" unter den jeweiligen Randbedingungen. Beispiel: Ein Metall kann ein dünneres Bauteil ermöglichen, aber ein dickerer Kunststoff kann insgesamt dennoch leichter und daher in bestimmten Szenarien vorteilhafter sein. Während Leistungsindizes manuell hergeleitet oder für jedes Szenario einzeln berechnet werden können, ist die schnellste und einfachste Methode zur Nutzung von Leistungsindizes heute der Einsatz von Software, die vordefinierte Leistungsindizes in einem einfach auswählbaren Format für eine Vielzahl technischer Szenarien bereitstellt.

Je nach Anwendung gibt es viele unterschiedliche Situationen und Werkstoffe, die analysiert werden können. Im Folgenden wird beispielhaft beschrieben, wie ein Ingenieur von Ansys, Teil von Synopsys, bestimmt hat, welche neuen Werkstoffe einen bestehenden Werkstoff ersetzen könnten, um die Leistung zu verbessern. In diesem Beispiel wurde ein neuer Werkstoff für eine Automobil-Quertraverse gesucht, um die bestehende Sandguss-Aluminiumlegierung 357 zu ersetzen. Obwohl die Aluminium-Quertraverse ausreichend war, untersuchten die Ingenieur*innen, wie ein leichterer Werkstoff gefunden werden kann, um das Gewicht des Bauteils und damit die Umweltwirkung des Fahrzeugs insgesamt zu reduzieren.

Zu Beginn des Auswahlprozesses wurde die Quertraverse näherungsweise als Balken in Biegung modelliert. Feste und freie Variablen wurden wie folgt definiert: Länge und Form des Balkens konnten nicht verändert werden, jedoch konnte die Querschnittsfläche angepasst werden.

Die Randbedingung einer Automobil-Quertraverse ist die Festigkeit, daher muss der Werkstoff ausreichend tragfähig sein, um Lasten ohne Versagen standzuhalten. Auch die Masse ist hierbei ein wesentliches Ziel. Das erste Ashby-Diagramm verwendete zwei Leistungsindizes: auf der y-Achse die Masse pro Einheit Festigkeit für einen Balken in Biegung, auf der x-Achse die Kosten pro Einheit Festigkeit für einen Balken in Biegung. Dies führte dazu, dass viele Werkstoffklassen – von technischer Keramik über Metalle und Metalllegierungen bis hin zu nichttechnischer Keramik – in dieser ersten Analyse potenziell geeignet erschienen. Einige Werkstoffe wären dabei dicker, aber leichter, während andere aufgrund ihrer Dichte dünner, aber schwerer wären.

Zu diesem Zeitpunkt waren noch keine Werkstoffe ausgeschlossen, was zu einer zunächst nicht anwendungsfähigen Werkstoffliste für die Automobilanwendung führte. Obwohl diese aus Sicht von Masse und/oder Kosten pro Festigkeitseinheit rechnerisch geeignet erscheinen, sind Werkstoffe wie Holz oder Beton für Automobilanwendungen nicht geeignet. Nach Anwendung realistischer Randbedingungen wurden ungeeignete Werkstoffe ausgeschlossen, sodass nur noch geeignete Werkstoffe übrig blieben. Für die Automobil-Quertraverse waren beispielsweise ausreichende mechanische Eigenschaften, der Betrieb in einem großen Temperaturbereich (-40 bis 100 °C) sowie mindestens eine akzeptable Beständigkeit gegenüber Süß- und Salzwasser erforderlich.

Nach Anwendung dieser Randbedingungen blieben im Ashby-Diagramm auf der unteren Seite die leichtesten, jedoch tendenziell auch die teureren Werkstoffe, wie etwa kohlefaserbasierte Verbundwerkstoffe. Die Optionen auf der linken Seite des Ashby-Diagramms waren die kostengünstigsten, jedoch auch meist die schwereren. Für einen Kompromiss aus geringer Masse und niedrigen Kosten wurde festgestellt, dass glasfaserverstärkte PA66-Werkstoffe (Nylon 66) potenziell eine geeignete Alternative darstellen, die alle Anforderungen erfüllen. Dieser Kandidat wurde anschließend für weitere Analysen, Simulationen und physikalische Tests weiterverfolgt.

Die Datenquelle für das Diagramm war die Ansys MaterialUniverse-Datenbank, eine proprietäre Ansys-Datenbank mit mehreren tausend allgemeinen technischen Werkstoffen, die vollständige und vergleichbare Informationen enthält und sich daher besonders für die Werkstoffauswahl sowie für Leistungsindizes in Ashby-Diagrammen eignet.

Auch wenn Ashby-Diagramme viele Vorteile bieten, handelt es sich nicht um eine fehlerfreie Methode. Wie bei jeder Analysemethode bestehen bestimmte Einschränkungen. Zu den Einschränkungen von Ashby-Diagrammen zählen:

• Es ist nicht möglich, mehr als zwei bis drei Faktoren gleichzeitig in einem einzelnen Diagramm zu vergleichen. Dafür müssen mehrere Ashby-Diagramme erstellt und die Ergebnisse nebeneinander betrachtet werden.
• Es handelt sich um eine visuelle Methode, die keine eindeutige Lösung oder den einen besten Werkstoff liefert, sondern Werkstofffamilien oder einen Bereich potenzieller Kandidaten, die detaillierter untersucht werden müssen. Das Ingenieururteil spielt hierbei eine zentrale Rolle, da jedes Unternehmen festlegen muss, wie stark einzelne Zielkonflikte gewichtet werden, beispielsweise welche Kostensteigerung für eine Leistungsverbesserung akzeptabel ist.
• Ashby-Diagramme müssen in Kombination mit weiteren Such- und Auswahlmethoden verwendet werden, um die Eignung eines Werkstoffs für eine Anwendung vollständig zu bewerten.
• Ashby-Diagramme setzen vollständige und vergleichbare Daten voraus, da ein Werkstoff nicht dargestellt werden kann, wenn Daten für eine Eigenschaft fehlen. Dadurch ist die Ansys MaterialUniverse-Datenbank besonders geeignet für diese Anwendung.

Ashby-Diagramme können mit der Produktsammlung für Werkstoffinformation, -auswahl und -datenmanagement von Ansys Granta erstellt werden, einschließlich der Werkstoffauswahlsoftware Ansys Granta Selector sowie der Werkstoffdatenmanagement-Software Ansys Granta MI Enterprise. In Ansys Granta können Daten visualisiert und beschriftet werden, und es können beliebige Randbedingungen und Anforderungen definiert werden, um die Werkstoffauswahl auf wenige Optionen einzugrenzen – beispielsweise von zehntausenden Werkstoffen auf fünf bis zehn potenzielle Kandidaten.

Ansys Granta Selector ist ein eigenständiges Programm zur Werkstoffauswahl. Es handelt sich um eine Windows-basierte Desktop-Lösung für Designer*innen, Simulationsexpert*innen und Werkstoffexpert*innen. Ansys Granta MI Enterprise ist eine Anwendung auf Enterprise-Niveau, die von Unternehmen zur Verwaltung und Speicherung eigener Werkstoffdaten sowie zur Durchführung von Werkstoffsuche und -auswahl verwendet wird. Beide Softwarelösungen ermöglichen die Erstellung von Ashby-Diagrammen auf Basis von Werkstoffdaten.

Nach der Auswahl der Werkstoffe mit einem der Granta-Tools können diese Werkstoffe sowie ihre Anwendungsszenarien mit weiteren Ansys-Tools simuliert werden, etwa mit Ansys Mechanical Strukturanalyse-Software auf Basis der Finite-Elemente-Methode, Ansys Discovery 3D-Produktsimulationssoftware, Ansys Maxwell Advanced Solver für elektromagnetische Felder oder Ansys HFSS Hochfrequenz-Elektromagnetik-Simulationssoftware. Die relevanten Daten können direkt aus Granta in diese Tools exportiert werden, um potenzielle Kandidaten detaillierter zu simulieren und den optimalen Werkstoff für die jeweilige Anwendung zu bestimmen.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Ashby-Diagramme zur Auswahl des geeigneten Werkstoffs oder einer Werkstoffkombination eingesetzt werden können, wenden Sie sich gerne an unsere Expert*innen.

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