großen Gewinne in der Rohstoff- und Finanzbranche einerseits und die Verallgemeinerung der immensen Kosten für Schäden an Mensch und Umwelt andererseits sind nicht mehr zeitgemäß. Verantwortungsvolles wirtschaftliches Handeln wird zu Recht immer stärker eingefordert.
Viele verantwortungsvolle Unternehmen integrieren die Nachhaltigkeit bereits in ihre Zielesysteme. Was können Ingenieurinnen und Ingenieure in ihrem konkreten Ar-beitsumfeld tun, damit Nachhaltigkeit tatsächlich immer mehr zur Normalität wird? Hier sind ein paar Vorschläge.
1 1. Entwickeln Sie langlebige Produkte, die sich reparieren lassen. Dies senkt in der Regel den Ressourcenverbrauch.
2 2. Beziehen Sie den Gedanken des Recyclings bzw.einer Kreislaufwirtschaft in Ihre Produktentwicklungen ein. Sortenreine Werkstoffe (keine Verbundwerkstoffe) erleichtern das Recycling.
3 3. Achten Sie darauf, dass Ihre Produktions- und Logistikprozesse möglichst wenig Treibhausgase erzeugen. Moderne Produktionsstätten nutzen bereits einen hohen Anteil regenerativer Energien und die Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung.
4 4. Verschmutzen Sie die Umwelt nicht mit giftigen Abwässern, Abgasen, Plastikmüll oder Mikroplastik. Nutzen Sie die modernen Technologien der Abwasseraufbereitung, Luftfilterung oder zeitgemäße Verpackungskonzepte.
5 5. Achten Sie auf die Einhaltung ökologischer und sozialer Standards auch in den globalen Lieferketten Ihres Unternehmens.
6 6. Nehmen Sie ihre Verantwortung für ökologische und soziale Nachhaltigkeit auch als Konsumentin oder Konsument wahr. Das mit Abstand billigste Produkt ist in der Regel nicht das Nachhaltigste. Belohnen Sie nachhaltige Unternehmen mit Ihrem Kaufverhalten. In einer Marktwirtschaft überleben nur Unternehmen, deren Produkte und Dienstleistungen auch gekauft werden.
Werkstoffe werden aus Rohstoffen hergestellt. Und diese sind nicht unendlich verfügbar. Es ist ein Gebot der Vernunft, verantwortungsvoll und nachhaltig damit umzugehen. Nachhaltigkeit hat eine ökologische, aber auch eine ethische und soziale Komponente. Dafür tragen wir als Menschen, Konsumenten und Stimmbürger eine Verantwortung.
1.8 Aufgaben
Aufgabe 1.1 Ordnen Sie bitte die Begriffe der Gruppe 1 und der Gruppe 2 paarweise richtig zu.
Gruppe 1: Metallbindung, Atombindung, Ionenbindung, zwischenmolekulare Bindung.
Gruppe 2: Aluminiumoxid, Gold, Silizium, Polyethylen.
Aufgabe 1.2 Was ist der Unterschied zwischen Quarz und Quarzglas?
Aufgabe 1.3 Was ist eine Elementarzelle?
Aufgabe 1.4 In welchen drei Kristallstrukturen erstarren die meisten Metalle? Nennen Sie bitte je drei Beispiele für jede Kristallstruktur.
Aufgabe 1.5 Was sind typische Abstände von benachbarten Atomen oder Ionen in Kristallgittern? Was sind typische Korngrößen in polykristallinen Werkstoffen?
Aufgabe 1.6 Walzen und Ziehen von Blechen und Drähten können zu Texturen führen. Was ist ein Werkstoff mit einer Textur? Kreuzen Sie bitte die richtigen Antworten an.
Ein Werkstoff, der nur aus einem Kristall besteht.
Ein Werkstoff, der aus vielen Kristallen mit einer Vorzugsorientierung besteht.
Ein Werkstoff, dessen Eigenschaften richtungsabhängig sind (Anisotropie).
Ein Werkstoff, dessen Eigenschaften nicht richtungsabhängig sind (Isotropie).
Ein amorpher Werkstoff.
Aufgabe 1.7 Ordnen Sie bitte folgende Werkstoffe richtig in die Kategorien anisotrop, isotrop und quasiisotrop ein, entsprechend der Richtungsabhängigkeit ihrer Eigenschaften: Fensterglas, einkristalliner Galliumarsenid-Wafer, Eisenblech mit Textur, Aluminiumblech ohne Textur, Saphir (einkristallines Aluminiumoxid), polykristallines Zirkoniumoxid für Zahnimplantate, amorphe Eisenlamellen für Transformatoren.
Aufgabe 1.8 Werkstoffe wie Eisen, Siliziumoxid, Kohlenstoff, Formgedächtnislegierungen Nitinol oder Zirkoniumoxid können je nach Temperatur oder Vorgeschichte bei der Herstellung verschiedene Kristallstrukturen aufweisen. Welcher Fachbegriff beschreibt dieses Verhalten?
Enthalpie
Polymorphie
Isotropie
Kristallographie
Aufgabe 1.9 Es gibt einphasige und mehrphasige Werkstoffe. Ordnen Sie bitte diesen beiden Kategorien richtig zu: Gusseisen mit Kugelgraphit, Gold, Glasfaser-verstärkter Kunststoff, homogenes Gefüge, heterogenes Gefüge, Fensterglas, verschiedene Kristallsorten im selben Werkstoff.
Aufgabe 1.10 Nennen Sie drei Möglichkeiten, wie Sie als zukünftige Ingenieurin oder Ingenieur in einer Produktentwicklung dazu beitragen können, ökologisch nachhaltige Produkte zu entwickeln.
Zusammenfassung
Die Art der Bindung übt einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffklassen aus. Die Metallbindung mit ihrem „Elektronengas“ frei beweglicher Valenzelektronen führt zu einer guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Keramiken und anorganische Gläser basieren auf der Ionenbindung. Benachbarte Halbleiteratome bilden in der kovalenten Atombindung gemeinsame Elektronenpaare. Die primäre Bindung in den Makromolekülen von Kunststoffen ist ebenfalls kovalent. Festigkeitsbestimmend sind jedoch die schwächeren zwischenmolekularen Bindungen der Polymerketten.
Werkstoffe könne amorph oder kristallin sein. Amorphe Werkstoffe verhalten sich isotrop, d. h., es besteht keine Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften. Die Eigenschaften einkristalliner Werkstoffe und polykristalliner Materialien mit Textur sind anisotrop. Polykristalline Werkstoffe ohne Textur verhalten sich quasiisotrop.
Werkstoffe wie Eisen und Stahl, Siliziumoxid, Zirkoniumoxid oder Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen können verschiedene Kristallstrukturen annehmen. Diese Polymorphie führt zu ganz besonderen Eigenschaften und Anwendungen.
Werkstoffe können aus einer oder aus mehreren Phasen bzw. Kristallsorten bestehen. In einphasigen Werkstoffen liegen homogene Gefüge mit einer Kristallsorte vor, in mehrphasigen handelt es sich um heterogene Gefüge mit mehreren Kristallsorten. Werkstoffe werden aus Rohstoffen hergestellt. Die globalisierte Rohstoffbranche wird ihrer Verantwortung für nachhaltiges und faires Wirtschaften nicht immer gerecht. Verschiedene Industrienationen versuchen, international gültige ökologische und soziale Standards zum Schutz von Mensch und Umwelt einzuführen. Aber auch Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Konsumentinnen und Konsumenten verfügen über Mittel, um zur Einhaltung ökologischer und sozialer Standards in globalen Wertschöpfungsketten und damit zu mehr Nachhaltigkeit beizutragen.
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Struktur und Gitterfehler
Die Kristallstruktur und die darin enthaltenen Gitterdefekte beeinflussen die mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Funktionswerkstoffen maßgeblich. Die Dimensionen, die dabei eine Rolle spielen, sind unvorstellbar klein. Typische Atomabstände in Metallen liegen bei 0.1-0.3 nm. Die meisten metallischen Werkstoffe sind polykristallin, mit Korngrößen zwischen 1 und 100 μm. Um eines dieser winzigen Körner oder Kristallite als Bild darzustellen, müsste man wesentlich mehr Atome zeichnen, als Menschen auf unserem Planeten leben. Das ist nicht praktikabel. Daher bedient man sich des Modells der Elementarzelle.
Eine Elementarzelle ist die kleinste geometrische Einheit, die einen Kristall vollständig beschreibt. Angenommen, die mittlere Größe von würfelförmigen Kristallen läge bei 10 μm (mittlere Korngröße). Angenommen, Länge, Höhe und