Stanzbiegeteile, die als Federn eingesetzt werden, sind ein wesentlicher Bestandteil vieler technischer Anwendungen, bei denen eine elastische Rückstellkraft erforderlich ist. Diese Teile zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, nach einer Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren und dabei mechanische Energie zu speichern und freizusetzen. Insbesondere in der Automobilindustrie, Medizintechnik und Elektronik kommen solche Federn oft in Form von Stanzbiegeteilen vor, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Die Auswahl des richtigen Materials und der richtigen Materialstärke ist entscheidend für die erreichbare Federkraft und das Verhalten der Feder unter verschiedenen Belastungen.
Federnde Eigenschaften von Stanzbiegeteilen
Die federnde Eigenschaft eines Stanzbiegeteils basiert auf seiner Fähigkeit, eine elastische Verformung zu erfahren und danach wieder in die Ausgangsposition zurückzukehren, sobald die aufgebrachte Belastung entfernt wird. Diese Eigenschaft beruht auf der Elastizität des Materials und wird insbesondere durch die Formgebung und Materialwahl der Stanzbiegeteile beeinflusst. Der Federweg, der die maximale Verformung beschreibt, sowie die Materialdicke sind entscheidend für die aufgebrachte Federkraft.
Häufig verwendete Materialien
Stanzbiegeteile, die als Federn dienen, werden häufig aus Federbandstahl gefertigt, einem spezialisierten Stahl, der aufgrund seiner hohen Elastizität und Festigkeit besonders für Federanwendungen geeignet ist. Im Folgenden sind die am häufigsten verwendeten Materialien aufgeführt:
- Federbandstahl 1.4310 (AISI 301): Ein hochlegierter Edelstahl, der für seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bekannt ist und auch bei höheren Temperaturen eine gute mechanische Festigkeit bietet. Dieser Stahl wird oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Belastung bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.
- Federbandstahl 1.4301 (AISI 304): Ein weiterer Edelstahl, der für seine Korrosionsbeständigkeit und allgemeine Festigkeit bekannt ist. Im Vergleich zu 1.4310 ist 1.4301 etwas weniger fest, jedoch günstiger in der Herstellung und in vielen allgemeinen Anwendungen ausreichend.
- Federbandstahl C75S (unlegiert): Ein unlegierter Kohlenstoffstahl, der eine höhere Festigkeit als die Edelstähle bietet, jedoch weniger beständig gegen Korrosion ist. Dieser Stahl eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe mechanische Belastungen ohne spezielle Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit auftreten.
- Kupferlegierung CuSn6 (F90): Eine Kupferlegierung, die häufig in elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet wird. Sie bietet eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, allerdings mit einer etwas geringeren Festigkeit im Vergleich zu Federstahl. Die Bezeichnung F90 weist auf eine Zugfestigkeit von in der Regel 900 N/mm² hin.
Materialstärken und deren Einfluss auf die Federkraft
Materialstärken von 0,2 mm bis 1,0 mm sind typisch für Stanzbiegeteile, die als Federn eingesetzt werden. Diese Materialstärken ermöglichen es, eine Vielzahl von Federkräften zu erzielen, die auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. Dünnere Materialien (z. B. 0,2 mm) bieten eine geringere Federkraft, während dickere Materialien (z. B. 1,0 mm) eine höhere Federkraft ermöglichen.
Berechnung der Federkraft
Die Federkraft eines Stanzbiegeteils kann mithilfe der Federsteifigkeit (k) und dem Federweg (x) berechnet werden. Die allgemeine Formel (Hookesches Gesetz) zur Berechnung der Federkraft lautet:
F = k · x
wobei:
- F die Federkraft ist (in Newton),
- k die Federsteifigkeit ist (in N/mm), und
- x der Federweg ist (in mm).
Federsteifigkeit und Biegesteifigkeit
Die Federsteifigkeit k eines Stanzbiegeteils kann unter Verwendung der Biegesteifigkeit berechnet werden, die sich aus dem Flächenträgheitsmoment (I) des Querschnitts und dem E-Modul (E) des Materials ableitet. Für eine typische, einseitig eingespannte Blattfeder (Kragbalken) lautet die Formel zur Berechnung der Federsteifigkeit:
k = (3 · E · I) / L³
wobei:
- E das Elastizitätsmodul des Materials ist (in N/mm²),
- I das Flächenträgheitsmoment des Querschnitts ist (in mm⁴),
- L die freie Biegelänge des Teils ist (in mm).
Flächenträgheitsmoment
Das Flächenträgheitsmoment I für einen rechteckigen Querschnitt kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
I = (b · h³) / 12
wobei:
- b die Breite des Querschnitts ist (in mm),
- h die Höhe des Querschnitts bzw. die Materialstärke in Biegerichtung ist (in mm).
Materialvergleich bei definiertem Federweg
Bei einem definierten Federweg können wir die Federkraft für die verschiedenen Materialien anhand der oben genannten Berechnungen vergleichen. Angenommen, wir haben einen Federweg von 2 mm und betrachten ein Stanzbiegeteil mit einer Materialstärke von 0,5 mm und einer Länge von 50 mm:
- Federbandstahl 1.4310 hat ein E-Modul von etwa 200.000 N/mm².
- Federbandstahl C75S hat ein E-Modul von etwa 210.000 N/mm².
- Kupferlegierung CuSn6 (F90) hat ein E-Modul von etwa 110.000 N/mm².
Für die gleiche Geometrie und den gleichen Federweg ergibt sich bei Stahl eine höhere Federkraft aufgrund des höheren E-Moduls. Kupferlegierungen bieten bei der Berechnung der Federkraft einen etwa halb so großen Wert wie Stähle, punkten dafür aber als hervorragende Stromleiter und mit hoher Korrosionsbeständigkeit.
Fazit
Die Wahl des Materials und der Materialstärke für Stanzbiegeteile, die als Federn eingesetzt werden, ist entscheidend für die Erreichung der gewünschten Federkraft und -eigenschaften. Federbandstahl 1.4310 und 1.4301 sind für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit geeignet, während C75S eine höhere mechanische Festigkeit bietet, jedoch weniger beständig gegen Korrosion ist. Kupferlegierungen wie CuSn6 eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen elektrische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit wichtiger sind als maximale Federkräfte. Die Berechnung der Federkraft erfolgt unter Berücksichtigung des Materials, der Geometrie des Stanzbiegeteils und des Federwegs, wobei das E-Modul und das Flächenträgheitsmoment des Querschnitts die entscheidenden Faktoren für die Federsteifigkeit sind.