Leitfaden für Produktdesigner: Die Funktionsweise von Magnesium und seinen Legierungen kennenlernen

Als das leichteste Konstruktionsmetall hat Magnesium attraktive physikalische und mechanische Eigenschaften. Noch wichtiger ist es für Konstrukteure, deren Hauptaufgabe darin besteht, etwas Leichtes und Starkes zu schaffen. Seine Gießbarkeit, seine hohe spezifische Festigkeit und seine günstigen elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften machen seine Legierungen noch wichtiger. Die Legierungen werden vor allem in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik und der Medizintechnik eingesetzt.

Darüber hinaus machen seine natürliche Verfügbarkeit und seine Wiederverwertbarkeit Magnesium zu einem nachhaltigen Produktdesignziel. Somit ist es eine wünschenswerte Wahl für umweltbewusste Hersteller. Die Fähigkeit von Magnesiumlegierungen, Vibrationen und Geräusche zu dämpfen, verstärkt noch die besten Einsatzmöglichkeiten solcher Legierungen. Ihre Anwendbarkeit und Anwendungen sind bei Gehäusen für elektronische und mechanische Geräte weit verbreitet. Diese Eigenschaft verbessert die allgemeine Leistung für die Benutzer. Außerdem schützt es die inneren Elemente vor äußeren Vibrationen.

Vor allem kann Magnesium mit weniger Energieaufwand geformt werden. Dies kann die Produktion effizienter machen, da der Werkzeugverschleiß bei einigen Bearbeitungsvorgängen möglicherweise geringer ist. Zwar sind die anfänglichen Materialkosten für Magnesium in der Regel höher als für Aluminium, doch Faktoren wie höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, längere Werkzeugstandzeiten bei Druckguss, und das Potenzial für eine Teilekonsolidierung können bei bestimmten hochvolumigen Anwendungen einen Teil dieser Kosten ausgleichen, was in bestimmten Szenarien zu wettbewerbsfähigen oder sogar niedrigeren Gesamtfertigungskosten führen kann.

Darüber hinaus ermöglichen die optische Flexibilität und die Zähigkeit von Magnesium den Konstrukteuren, die bisher unbekannten Grenzen des Leichtbaus zu erreichen. Die Fähigkeit der Legierung, detaillierte Formen zu beschichten, und ihre Empfänglichkeit für verschiedene Oberflächenbehandlungen bestimmen ihre Flexibilität. Dadurch kann sie sowohl funktionelle als auch dekorative Eigenschaften erfüllen.

Da die Nachfrage nach leichten und effektiven Gütern steigt, nimmt die Vorliebe für neue leichte Materialien zu. Darüber hinaus ist Magnesium ein zunehmend relevanter und strategischer Werkstoff für Produktdesigner, die auf Leichtigkeit und Leistung Wert legen.

Wichtige Magnesiumlegierungen für Konstrukteure

Die seltene Anwendung von reinen Magnesium in der Industrie erfordert die Entwicklung von Legierungen für praktische Zwecke. Magnesium verbindet sich mit Aluminium, Zink, Mangan, Silizium und Seltenerdmetallen. Es verbessert die mechanischen Eigenschaften und erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Obwohl Konstrukteure verschiedene Legierungen wie AZ91D, AM60 und ZK60 bevorzugen, haben alle drei unterschiedliche Vorteile, die ihren Zweck erfüllen können.

AZ91D ist eine beeindruckende Magnesiumlegierung, die sich besser als jede andere für den Druckguss eignet. Sie enthält etwa 9% Aluminium und etwa 1% Zink. Sie zeichnet sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Sie hat ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das in der Regel für Automobilteile verwendet wird. Andere Bereiche sind Gehäuse und allgemeine Gussprodukte. Aufgrund seiner stabilen Eigenschaften wählen Konstrukteure AZ91D häufig für leichte, zuverlässige Strukturanwendungen.

AM60 ist eine Magnesium-Aluminium-Legierung mit Energieabsorptions- und Duktilitätseigenschaften und eignet sich daher für den Einsatz in Automobil-Crashkomponenten, Sitzrahmen und Lenkrädern. Die hohe Duktilität von AM60 im Vergleich zu AZ91D bedeutet, dass AM60 mehr Verformungen aushalten kann, bevor es bricht, und damit mehr Sicherheit bei einem Aufprall bietet.

Die Hauptlegierungselemente von ZK60 sind Zink und Zirkonium, die der Legierung eine ausgezeichnete Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verleihen. Eine solche Legierung wird in der Regel in der Luft- und Raumfahrt, bei Sportgeräten und Hochleistungskomponenten in der Automobilindustrie eingesetzt, um Gewicht zu sparen, ohne an Struktur zu verlieren. Bei anspruchsvollen mechanischen Anwendungen mit hoher Beanspruchung bietet die Legierung ZK60 eine stabile und effektive Lösung.

Szenarien für den Einsatz alternativer Materialien zu Magnesium

Obwohl Magnesium mehrere Vorteile hat, eignet es sich möglicherweise nicht für alle Hersteller. Die Konstrukteure müssen auch die Grenzen von Magnesium abschätzen.

Kosten und Verfügbarkeit

Werkstoffe auf Magnesiumbasis können bei kleinen Stückzahlen sehr viel teurer sein als Kunststoffe oder Standard-Aluminiumlegierungen. Zusätzliche Schutzschichten oder Korrosionsschutzeigenschaften können die Gesamtproduktionskosten erheblich erhöhen. Für Anwendungen, bei denen Kosten gespart werden müssen, können Aluminium- oder Polymerwerkstoffe verwendet werden.

Korrosionsanfälligkeit

Magnesium ist anfälliger für galvanische Korrosion. Wenn es mit Feuchtigkeit oder Salz in Berührung kommt, ist eine Planung erforderlich. Oberflächenbehandlungen sind unerlässlich, um einen unkontrollierten Abbau von Magnesiumkomponenten zu vermeiden. Ansonsten sind Edelstahl oder beschichtetes Aluminium in der Regel ein zuverlässigeres Material, wenn Feuchtigkeit oder ungünstige Bedingungen auftreten.

Entflammbarkeit und Verarbeitungskomplexität

Die brennbaren Eigenschaften von Magnesium in seinem partikelförmigen und geschmolzenen Zustand erhöhen das Risiko für die Arbeiter beim Bearbeiten, Schweißen oder Gießen. Dieses Sicherheitsniveau erfordert besondere Normen und beschränkt die Verwendung von Magnesium auf kontrollierte Fertigungsumgebungen. Unternehmen entscheiden sich in der Regel für stabilere Materialien wie Aluminium oder Titan, wenn die Fabriken nicht auf die Risiken der Magnesiumverarbeitung vorbereitet sind.

Magnesium & Herstellungsprozesse

Es gibt zahlreiche Herstellungsverfahren für Magnesiumlegierungen. Die Wahl des Herstellungsverfahrens hängt von Faktoren wie der spezifischen Legierung, der Komplexität der Teile, den erforderlichen mechanischen Eigenschaften, dem Produktionsvolumen und den Kosten ab. Jedes Verfahren verfügt über verschiedene Stufen zur Optimierung dieser einzigartigen Eigenschaften und Leistungen. Druckguss, Schmieden (eine Art der Warmumformung), Strangpressen (eine andere Art der Warmumformung), maschinelle Bearbeitung und additive Fertigung sind die wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen. Das Druckgießen ist das bei weitem gängigste Verfahren zur Herstellung von Magnesiumteilen. Es ermöglicht die Massenproduktion solcher Bauteile mit genauen Spezifikationen und einer sauberen Oberfläche. Es eignet sich für die Herstellung von Automobil- und Elektronikteilen. Solche Teile erfordern eine sehr hohe Präzision und Konsistenz. Die mechanische Leistungsfähigkeit von Magnesiumlegierungen wird durch die Verfeinerung der Kornstruktur erreicht. Ihre Wirksamkeit ist auch auf eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit durch Schmieden zurückzuführen.

Geschmiedete Magnesiumteile sind in aktiven Anwendungen weit verbreitet. Dazu gehören Bereiche wie Luft- und Raumfahrt und Rennwagen, aber auch exklusive Fahrräder. Das Schmieden ist eine wirksame Strategie, wenn sich die Teile als außergewöhnlich stark und zuverlässig erweisen sollen. Aufgrund seines geringen Zerspanungswiderstandes und seiner weichen Beschaffenheit lässt sich Magnesium im Allgemeinen gut bearbeiten und ermöglicht hohe Schnittgeschwindigkeiten und eine gute Oberflächengüte. Ein kritischer Aspekt ist jedoch, dass Magnesiumspäne leicht brennbar sind, was strenge Brandschutzmaßnahmen erfordert. Die Bearbeitung von Magnesium erfordert besondere Belüftungs- und Brandschutzmaßnahmen in der Fertigungsumgebung. Unter Verwendung geeigneter Sicherheitsprotokolle bietet die spanabhebende Bearbeitung die Möglichkeit, hochdetaillierte, individuell bearbeitete Magnesiumkomponenten herzustellen. Die additive Fertigung stellt eine vielversprechende Lösung für die Herstellung komplexer Teile oder komplizierter Geometrien dar. Die additive Fertigung von Magnesium nimmt bei der Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt zu. Auch bei biomedizinischen Teilen trägt sie zur Gewichtsreduzierung bei und ermöglicht die individuelle Gestaltung von Objektformen.

Oberflächenveredelungsoptionen für Magnesium

Magnesium ist hochreaktiv und eignet sich für Oberflächenbehandlungen. Ziel ist es, seine Korrosions- und Erscheinungseigenschaften zu verbessern.

Eloxieren

Eloxieren bezieht sich auf elektrochemische Prozesse, die eine dicke Oxidschicht auf Magnesium erzeugen. Dadurch wird die Korrosions- und Abriebbeständigkeit von Magnesium erheblich verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die Behandlung eine flexible Endbearbeitung sowohl für funktionelle als auch für dekorative Zwecke. Unterschiedliche Magnesiumlegierungen verursachen in der Regel Schwierigkeiten bei der Anwendung von Standardanodisierungslösungen, da diese Legierungen unterschiedliche Oberflächeneigenschaften und Reaktivität aufweisen. Wenn Standardverfahren unzureichend sind, ist die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) oder die Mikrobogenoxidation der Schlüssel zu einer optimalen Schutzleistung und einer gleichmäßigen Beschichtung. 

Konversionsbeschichtungen

Bei der Konversionsbeschichtung werden Magnesiumteile chemisch behandelt, um korrosionsbeständige Oberflächen zu schaffen. Dabei werden Beschichtungen wie Chromat und Phosphat verwendet. Die Beschichtungen sind eine zuverlässige Grundierung für die Oberflächenbefestigung bei allen weiteren Bearbeitungsvorgängen. Ihre Verwendung wird in der Militär-, Luft- und Raumfahrt- sowie in der Fertigungsindustrie sehr geschätzt. In diesen Branchen zählen vor allem Leistung und Zuverlässigkeit.

Pulverbeschichtung

Bei der Pulverbeschichtung von Magnesiumteilen wird der Lack trocken aufgetragen. Anschließend wird es erhitzt und es entsteht eine robuste, gleichmäßige Oberfläche. Dieses Verfahren bietet den Designern eine breite Palette von Farben und Strukturen. Außerdem macht es das Material widerstandsfähiger gegen Abplatzungen, Kratzer und Umwelteinflüsse. Es gibt spürbare und fühlbare Anwendungen, darunter elektronische Geräte, Fahrräder und Innenmöbel. Die Teile eignen sich wegen ihres zuverlässigen Aussehens und ihrer Haltbarkeit für die Pulverbeschichtung. Die Pulverbeschichtung, bei der keine Lösungsmittel verwendet werden, gilt als umweltbewusste Beschichtungsart.

Galvanik

Die galvanische Beschichtung von Magnesium beginnt mit der Abscheidung einer metallischen Schicht, z. B. Nickel, Chrom oder Gold. Die Befestigung erfolgt auf dem Bauteil, in der Regel nachdem der Haftvermittler aufgetragen wurde. Diese Beschichtung bietet nicht nur eine optisch ansprechende Oberfläche, sondern verbessert auch die Haltbarkeit und den Korrosionsschutz des Produkts erheblich. Sie wird regelmäßig sowohl für die Innenausstattung von Kraftfahrzeugen als auch für medizinische Instrumente verwendet. Sie ist auch dort von Bedeutung, wo Aussehen und Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung sind. Aufgrund der hohen Reaktivität von Magnesium müssen die erforderlichen Vorbehandlungsschritte sorgfältig durchgeführt werden. Sie muss zusammen mit der Einbringung von Zwischenschichten erfolgen, um effektive Galvanisierungsergebnisse und eine effektive Lebensdauer der Bauteile zu erzielen.

Fallstudie

Leichte Elektronikgehäuse: Magnesiumlegierungen werden häufig für die Herstellung von leichten Elektronikgehäusen verwendet. Dies gilt auch für starke Geräte wie Laptop-Gehäuse und Kameragehäuse. Die Konstrukteure wählten die Magnesiumlegierung AZ91D wegen ihrer hervorragenden Gießbarkeit und Festigkeit bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit. Das Ziel war es, ein leichteres Objekt zu schaffen. Es ist jedoch auch solide und hat eine hervorragende Metalloberfläche. In Druckgussanlagen werden komplexe Formen mit zerbrechlichen Wänden hergestellt, die nicht weiter behandelt werden müssen. Dies beschleunigt den Herstellungsprozess und spart Kosten. Nachdem die Teile mit zwei Schutzschritten behandelt wurden, erhielten sie eine Konversionsbeschichtung. Außerdem wurden sie mit einer schwarzen Pulverbeschichtung versehen, um Schweiß, Öl und leichten Abrieb am Magnesium zu verhindern. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Teams der Designer und der Hersteller führte zur Herstellung der funktionalen Teile. Das Produkt erfüllte die funktionalen Ziele und ästhetischen Anforderungen. Außerdem unterstützten sie die Bemühungen der Marke in Bezug auf Nachhaltigkeit und Tragbarkeit.

Wie Produktdesigner reibungslos mit ihren Fertigungspartnern zusammenarbeiten

Die erfolgreiche Leistung von Werkstoffen in Produkten hängt in hohem Maße von den Konstrukteuren und Herstellern ab, insbesondere bei komplizierten Werkstoffen wie Magnesiumlegierungen.

Technisches Zeichnen und CAD

Die Konstrukteure sollten vollständige CAD-Modelle mit den wichtigsten Abmessungen, Oberflächenanforderungen und Toleranzwerten sowie der Spezifikation der Magnesiumlegierung bereitstellen. Das Hinzufügen solcher Anmerkungen hilft den Herstellern, die Darstellungen richtig zu verstehen, und verringert die Wahrscheinlichkeit von Problemen beim Gießen oder Bearbeiten. Magnesium unterscheidet sich von Aluminium (und Stahl) in Bezug auf Schrumpfung, Entformungswinkel und Wanddicke und ist daher sehr wichtig.

Material-Spezifikationen

Die Materialien werden in Form von Materialspezifikationen geliefert, bei denen man die Übereinstimmung mit den Materialspezifikationen überprüfen kann. Sie müssen mit den Normen ASTM B93/B93M oder ISO 16220 übereinstimmen. Ingenieure können bei der Auswahl von Magnesiumlegierungen stets konsequent und eindeutig vorgehen. Die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und die Erwartungen an die Verarbeitung beseitigen Unsicherheiten bei der Materialauswahl während der Fertigung. Konstrukteure ermöglichen es Lieferanten und Herstellern somit, die Materialspezifikationen genau einzuhalten. Die Einhaltung einer Standardreferenz vereinfacht die Materialauswahl und verbessert die internationale Zusammenarbeit.

Prototypische Rückkopplungsschleifen

Eine schnelle Beurteilung von Form, Passform und Funktion ist mit 3D-gedrucktem Kunststoff möglich. Dies kann auch durch einen CNC-gefrästen Magnesium-Musterprototyp geschehen. Physische Modelle in dieser Phase ermöglichen es beiden Parteien, die anstehenden Probleme zu erkennen. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Produktion perfekt auf Qualität und Effizienz abstimmen. Durch die Einbeziehung der Hersteller in dieser Phase wird sichergestellt, dass die praktischen Aspekte der Herstellung Teil der auf die Designverbesserungen folgenden Schritte sind. So können die Entwickler die hohen Kosten einer späteren Überarbeitung vermeiden.

Diskussion über Toleranz

Konstrukteure müssen bei der Festlegung von Maßangaben die Wärmeausdehnung und Weichheit berücksichtigen. Die Auferlegung unrealistischer oder zu enger Toleranzen kann zu Verformungen führen. Andere Faktoren sind Produktausfälle oder erhöhte Herstellungskosten. Konstrukteure können garantieren, dass ihre Leistungsanforderungen während der Produktion erfüllt werden können. Hersteller und Konstrukteure sind bestrebt, die Effizienz der Fertigung und die Zuverlässigkeit der Produkte zu verbessern.

Prozess-Integration

Durch die Zusammenarbeit mit den Fertigungsingenieuren in der frühen Entwurfsphase können entstehende Probleme frühzeitig erkannt und gelöst werden. Die Konstrukteure können komplexe oder kombinierte Merkmale vorschlagen, die zwar ansprechend erscheinen, aber in Magnesium schwer und teuer zu produzieren sind. Zu den Hinweisen des Fertigungsteams kann die Segmentierung gehören. Sie können auch Teile umgestalten, um sie leichter gießen oder bearbeiten zu können. Die Herstellbarkeit wird verbessert, ohne die beabsichtigte Bedeutung des Entwurfs zu beeinträchtigen.

Abgleich der Terminologie

Ein richtig definiertes Glossar oder Referenzdokument ist sowohl für die Konstruktions- als auch für die Fertigungsgruppe hilfreich. Es stellt sicher, dass alle Beteiligten wissen, was "Eloxieren", "Konversionsbeschichtung" oder "Härtegrad" bedeutet. Probleme bei der Endbearbeitung, Verarbeitung oder Materialauswahl können durch terminologische Unklarheiten entstehen. Eine einheitliche Nomenklatur zu Beginn erleichtert das gegenseitige Verständnis der Anforderungen und der einzelnen Schritte. Eine solche Abstimmung sorgt dafür, dass Teams besser kommunizieren.

Schlussfolgerung

Magnesiumwerkstoffe bieten den Produktdesignern einzigartige Vorteile. Es ist in Bezug auf Gewicht, Festigkeit und Formbarkeit am besten geeignet für Bereiche, in denen Leistung und Effizienz gefragt sind. Die Auswahl der Legierungsmethoden und der Oberflächenbearbeitung hilft den Designern, leichte, robuste und optisch ansprechende Ergebnisse zu erzielen. Allerdings sollten die Konstrukteure auch die Schwächen von Magnesium berücksichtigen. Zu diesen Schwächen gehören die Korrosionsanfälligkeit, die Brennbarkeit und die im Vergleich zu einigen Alternativen höheren Rohstoffpreise. Eine enge Zusammenarbeit mit den Herstellern kann jedoch dazu beitragen, Entwürfe und Prozesse zu optimieren, um diese Herausforderungen zu mildern und die Gesamtkosten effektiv zu verwalten. Eine gründliche Kenntnis des Lebenszyklus von Magnesiumprodukten gibt den Konstrukteuren das nötige Wissen an die Hand. Wissen ist der Schlüssel zu Logik und Kreativität: Die fortschrittlichen Technologien und die zunehmende Bedeutung der Nachhaltigkeit versetzen Magnesium in die Lage, seine Präsenz im Produktdesign auszubauen.

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