Einfuhrung in die Fertigungstechnik 8. Auflage (Studium)

Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen Warnecke Einführung in die Fertigungstechnik Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen...

Author: Engelbert Westkamper | Hans-Jurgen Warnecke

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Engelbert Westkämper

I Hans-Jürgen Warnecke

Einführung in die Fertigungstechnik

Engelbert Westkämper

I Hans-Jürgen Warnecke

Einführung in die Fertigungstechnik 8., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 248 Abbildungen Unter Mitarbeit von Max Dinkelmann und Holger Haag STUDIUM

VIEWEG+ TEliBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. mult. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. E.h. Hans-Jürgen Warnecke Geb. 1934 in Braunschweig. Maschinenbaustudium an TH Braunschweig und 1963 Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Ab 1965 Industrietätigkeit bei den Rollei-Werken Franke & Heidecke, Braunschweig. Von 1971-1993 ordentlicher Professor an der Universität Stuttgart als Leiter des Lehrstuhls für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Von 1993-2002 Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, München. Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper Geb. 1946 in Schloss Neuhaus. Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen, 1977 Promotion zum Dr.-Ing. am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL). Von 1988-1995 o. Prof. an der TU Braunschweig als Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Seit 1995 Institutsleiter des IFF der Universität Stuttgart und Institutsleiter des Fraunhofer IPA. Er ist Sprecher der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart. Im Jahr 2006 erhielt Prof. Westkämper das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse. Dipl.-Ing. Max Dinkelmann Geb. 1981 in Filderstadt. Technologiemanagementstudium an der Universität Stuttgart. Seit 2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb. Arbeitsgebiet: Fertigungstechnik. Dipl.-Ing. Holger Haag Geb. 1979 in Bad Dürkheim, Maschinenbaustudium in der Vertiefungsrichtung Produktionstechnik an der Universität Karlsruhe. Seit 2007 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb. Arbeitsgebiet: Lebenszyklusorientierte ökonomische und ökologische Optimierung der Produktion. 1.

Auflage 1990

8., aktualisierte und erweiterte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner Verlag Lektorat: Thomas Zipsner

I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

I Ellen Klabunde

Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0835-6

v

Vorwort

Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung materieller Produkte, deren Eigenschaften durch die Konstruktion definiert werden. In einer Zeit, in der die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen maßgeblich durch die Herstellkosten der Produkte, ihre Qualität und Zuverlässigkeit beeinflusst wird, kommt es darauf an, die wirtschaftliche Herstellung bereits in frühen Phasen der Produktentstehung durch eine Berücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten und Alternativen zu sichern. Dies trifft für alle Arten von Produkten und alle Anforderungen der Märkte und Kunden gleichermaßen zu. Die Fertigungstechnik umfasst ein breites Feld an Verfahrenstechniken, von denen viele auch alternativ eingesetzt werden können. Ihre Auswahl orientiert sich daher im konkreten Fall an den Anforderungen an die Qualität, die Zeit und die Kosten der Herstellung. Die Kenntnis der Wirkzusammenhänge der technischen Verfahren ist die Grundlage zur Entwicklung und Optimierung von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Produkten in kleinen wie in großen Stückzahlen. Deutschland ist auf diesem Gebiet international führend und hat den Ruf hoher Qualität und Innovationsfähigkeit. Mit den Veränderungen der Produkttechnologie zu komplexen und intelligenten Systemen verändern sich auch die Produktionstechnologien und die Strukturen der industriellen Produktion. In der Zukunft können die Potentiale der Technologien besser genutzt, die natürlichen Ressourcen geschont und Harmonie mit der Umwelt durch innovative Verfahren erreicht werden. Die Fertigungstechnik kann im Produktlebenszyklus durch Verfolgung der Gedanken des Lebenszyklusmanagements und der sauberen Technologien entscheidende Beiträge liefern. In den vernetzten und zum Teil globalen Produktionsstrukturen der heutigen Zeit mit ihren kurzen Wegen und Übergangszeiten kommt es auch darauf an, die Prozesssicherheit, d. h. die Einhaltung der Toleranzen, zu gewährleisten. Toleranzen leiten sich aus den funktionalen Anforderungen der Produkte, den fertigungstechnischen Möglichkeiten, aber auch aus den Qualitätsanforderungen der jeweiligen Kunden und Märkte ab. Es ist deshalb notwendig, Toleranzsysteme in die Fertigungslehre zu integrieren.

Das vorliegende Buch wendet sich an die Studierenden der ingenieurwissenschaftlichen Fachrichtungen und der technisch orientierten Betriebswirtschaften von Universitäten und Fachhochschulen, insbesondere aber an die Studierenden des Maschinenwesens, der Verfahrensund Elektrotechnik sowie der Betriebswirtschaftslehre. Es ist als einführendes Buch angelegt, um einen knappen Überblick über das Gebiet der Fertigungstechnik zu vermitteln. Es orientiert sich deshalb an den wichtigsten in der industriellen Produktion eingesetzten Verfahren der Fertigungstechnik. Denjenigen, die eine Vertiefung im Hinblick auf Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoff- und Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschinen und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen Fachgebiete der Fertigungstechnik empfohlen.

VI

Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser aktualisierten 8. Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und leicht verständliche Darstellungsweise mit zahlreichen Abbildungen und grundsätzlichen Wirkprinzipien führt die Studierenden schnell in die Fertigungslehre ein. Am Beispiel der metallischen Werkstoffe werden die Fertigungsverfahren erläutert. Zusätzlich behandelt das Buch Verfahren zur Bearbeitung von Kunststoffen, Keramiken, nachwachsender Rohstoffe sowie die Besonderheiten der Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente. Um den Kreis der ganzheitlichen Betrachtung des Produktlebenszyklus aus fertigungstechnischer Sicht zu schließen, sind auch das Rapid Prototyping und das Themengebiet Recycling integriert. Mein besonderer Dank gilt den Herren Dipl.-Ing. Holger Haag und Dipl.-Ing. Max Dinkelmann, die an der Überarbeitung dieses Buches maßgeblich beteiligt waren, und mich bei der Vorlesung "Einführung in die Fertigungslehre" an der Universität Stuttgart unterstützen. Dem Vieweg+Teubner Verlag, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner, danke ich für die gute Zusammenarbeit und die zügige Veröffentlichung dieses Buches.

Stuttgart, im Juni 2010

Engelbert Westkämper

Inhaltsverzeichnis

VII

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen zur Fertigungstechnik 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Produktion als Wertschöpfungsprozess Strategien der Produktion Elemente des Produktionsprozesses Produktlebenszyklusmanagement Einteilung der Fertigungsverfahren Grundlagen zur Lasertechnik

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile 2.1 2.2

2.3

2.4

2.5

Grundlagen und Normen 2.1.1 Geometrische Produktspezifikation Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße 2.2.1 Maße und Abmaße 2.2.2 Toleranzsysteme 2.2.3 Passungsarten und Passsysteme 2.2.4 Passungsauswahl Technische Oberflächen 2.3.1 Ordnungssystem für Gestaltabweichungen 2.3.2 Form- und Lagetoleranzen 2.3.3 Rauheit und Welligkeit von Oberflächen Prüfungen und Prüfinittel 2.4.1 Nachweis der Übereinstimmung 2.4.2 Lehren, Messzeuge und Messgeräte 2.4.3 Koordinatenmessgeräte 2.4.4 Sichtprüfungen 2.4.5 Prüfplanung 2.4.6 Prüfinittelüberwachung Qualitätsmanagement 2.5.1 Qualitätsmanagementsysteme 2.5.2 Qualitätsregelkreise

1

1 2 2 4 6 9 12 13 13 15 15 16 19 20 22 22 22 25 28 28 29 30 31 32 33 36 36 37

VIII

Inhaltsverzeichnis

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren 3.1 3.2

Technologischer Variantenvergleich Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich 3.2.1 Kostenrechnung und Kalkulation 3.2.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung

4 Werkstoffe 4.1

4.2

Metallische Werkstoffe 4.1.1 Eisenwerkstoffe 4.1.2 Nichteisenmetalle Nichtmetallische Werkstoffe 4.2.1 Kunststoffe 4.2.2 Keramische Werkstoffe 4.2.3 Verbundwerkstoffe 4.2.4 Nachwachsende Rohstoffe

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe 5.1

5.2

5.3

5.4

Urformen 5.1.1 Urformen aus dem flüssigen Zustand 5.1.2 Urformen aus dem ionisierten Zustand 5.1.3 Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand Umformen 5.2.1 Druckumformen 5.2.2 Zugdruckumformen 5.2.3 Zugumformen Trennen 5.3.1 Zerteilen 5.3.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden 5.3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden 5.3.4 Abtragen Fügen 5.4.1 Schweißen 5.4.2 Löten 5.4.3 Umformtechnisches Fügen

40 41 42 42 45 49 49 51 52 57 57 63 66 69 78 78 78 92 93 97 98 109 114 115 116 120 133 141 147 148 161 163

Inhaltsverzeichnis

5.5

5.6

5.4.4 Kleben 5.4.5 Schrauben und Schraubenverbindungen Beschichten 5.5.1 Beanspruchungsarten und Eigenschaften technischer Oberflächen 5.5.2 Lage der Beschichtung in der Wertschöpfungskette 5.5.3 Vorbehandlung 5.5.4 Einteilung Stoffeigenschaft ändern 5.6.1 Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahlwerkstoffen 5.6.2 Thermische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen 5.6.3 Thermochemische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen 5.6.4 Wärmebehandlung von Eisen-Gusswerkstoffen 5.6.5 Wärmebehandlung von NE-Metallen

6 Bearbeitung von Kunststoffen 6.1

6.2 6.3 6.4

6.5

Urformen 6.1.1 Extrudieren 6.1.2 Blasformen 6.1.3 Spritzgießen 6.1.4 Pressen 6.1.5 Schäumen 6.1.6 Stereolithographie 6.1.7 Urformen faserverstärkter Formteile Umformen Trennen Fügen 6.4.1 Schweißen 6.4.2 Kleben Beschichten

7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung 7.1 7.2

Urformen Trennen 7.2.1 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden 7.2.2 Thermisches Abtragen

IX

168 169 172 173 174 177 180 202 203 204 209 210 211

212 213 213 217 218 219 219 220 221 223 224 225 225 227 228

229 229 235 236 237

x

Inhaltsverzeichnis

8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe 8.1

8.2

Herstellung von Spanplatten 8.1.1 Rohstoffe 8.1.2 Fertigungsprozess Holzbearbeitung 8.2.1 Grundlagen der Zerspanung von Holz 8.2.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente 9.1 9.2

9.3

9.4

Produktion unter reinen Bedingungen Reinraumtechnik 9.2.1 Grundlagen 9.2.2 Reinraumklassen 9.2.3 Verschiedene Reinraumkonzepte 9.2.4 Kontaminationsarten Grundlagen der Halbleitertechnologie 9.3.1 Halbleiter-Diode 9.3.2 Feldeffekt-Transistor Herstellung eines Halbleiterchips 9.4.1 Notwendige Prozessschritte 9.4.2 3D-Chip-Technologie

10 Rapid Prototyping 10.1 Prinzip und Prozesskette des Rapid Prototyping 10.2 Industriell eingesetzte Verfahren des Rapid Prototyping 10.3 Folgetechnologien Rapid Tooling und Rapid Manufacturing

11 Recycling 11.1 Recycling in den Ingenieurwissenschaften 11.1.1 Motivation für Recycling 11.2 Begriffe und Gliederungen 11.2.1 Recycling-Kreislaufarten im Produktlebenszyklus 11.2.2 Recycling-Behandlungsprozesse 11.2.3 Recyclingformen

238 238 238 239 242 242 244

248 248 248 248 249 250 251 252 252 253 254 254 261 262 262 265 265 267 267 267 268 268 272 272

Inhaltsverzeichnis

11.2.4 Gemeinsamkeiten von Produktion und .Deproduktion" 11.3 Produktgestaltung für Stoffkreisläufe

XI

272 275

11.3.1 Ökobilanzierung

275

11.3.2 Produktionsabfallvermindemde Produktgestaltung

276

11.4 Recyc1ingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen

280

Literaturverzeichnis

284

Normen und Richtlinien

288

Stichwortverzeichnis

290

1

Grundlagen zur Fertigungstechnik

1.1

Produktion als Wertschöpfungsprozess

Produktion ist ein Wertschöpfungsprozess. Wertschöpfung entsteht an jedem einzelnen Produktion ssystem, wenn aus einfachen oder komplexen Teilen wertgesteigerte Teile erzeugt werden (Bild 1.1) [GUE09] . An der Wertschöpfungskette sind verschiedene Betriebe, Abteilungen und Personen beteiligt. Nicht alle Teilprozesse der Wertschöpfung werden an demselben Ort ausgeführt. In vielen industriellen Bereichen ist vielmehr eine internationale Arbeitsteilung zu beobachten, bei der einzelne Glieder der Wertschöpfungskette auf verschiedene Länder und Industriebetriebe verteilt sind.

Wert Erzeugnisse und Rohstoffe von Lieferanten

Produkte an Kunden

- - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - ---

------------- -

Zeit Ourchlaufzeit (OLZ)

Bild 1.1: Produktion als Wertschöpfungsprozess

Unternehmen folgen langfristig dem Unternehmensziel, Gewinne zu erwirtschaften. Das Streben nach Wertschöpfung ist dabei eine Interpretation dieses langfristigen Unternehmensziels. Wertschöpfung kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Zielgrößen bezüglich der Zeit, Kosten und Qualität erfüllt werden . Die Vielzahl von Einzelschritten in der Produktion benötigen jeweils eine bestimmte Zeit zu ihrer Ausführung. Je schneller diese zeitliche Wegstrecke (Durchlaufzeit) überwunden wird, desto mehr Wertschöpfung kann mit den verfügbaren Produktionsressourcen erzielt werden. Durch geeignete Maßnahmen (z. B. höhere Automatisierung) kann der Wertschöpfungsprozess beschleunigt werden. Die allgemeine Forderung nach einer Minimierung der Produktionskosten lässt sich durch eine alternative Formulierung des Wirtschaftlichkeitsprinzips erfassen: Mit dem gegebenen Wert der in das Produktionssystem eingehenden Güter ist ein maximales wertm äßiges Produktionsergebnis zu erzielen [GUE09]. Die Produktqualität und die daraus resultierende Kundenzufriedenheit sind entscheidende Wettbewerbsfaktoren. Sie äußert sich in geringen Ausschussraten und vor allem in Funktionalität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der erzeugten Produkte. E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_1, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

2

1.2

1 Grundlagen zur Fertigungstechnik

Strategien der Produktion

Ein wesentliches Unternehmensziel ist die Sicherung des Unternehmensfortbestandes und damit die langfristige Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit am Markt. Die Unternehmenszielsetzungen werden mit Hilfe der strategischen Unternehmensplanung verfolgt. Diese ist vorwiegend auf die zukünftigen Märkte, die Anforderungen an zukünftige Produkte und die Strategien zur Absicherung des Unternehmenserfolges ausgerichtet [BUR96]. Die Unternehmensstrategie muss in den einzelnen strategischen Geschäftseinheiten durch die geeigneten Funktionalstrategien, die Markt-, Produkt-, Produktentwicklungs- und die Produktionsstrategie konsequent umgesetzt werden [WES06]. Damit einher geht die Überzeugung, dass die unternehmerischen Stärken nach wie vor im Aufbau erfolgreicher Produktpositionierung auf den Märkten bestehen, diese jedoch vorab durch das Potential an verfügbaren Technologien bestimmt werden [BUR96]. Durch den zukünftig noch weiter zunehmenden Innovationswettbewerb kommt der Einführung neuer Produkt- und Produktionstechnologien ein strategischer Stellenwert zu. Die Produktionstechnologien haben dabei nicht nur die Aufgabe die Produkttechnologien zu ermöglichen, sondern besitzen ein eigenes Potential zur Wettbewerbsbeeinflussung. Eine Vernachlässigung der Entwicklung von Produktionsstrategien kann sogar dazu führen, dass die Möglichkeiten und Potentiale der Produktion in der Produktentwicklung nicht ausreichend genutzt werden und technologische Synergien zu spät erkannt werden [BERT94].

1.3

Elemente des Produktionsprozesses

Unter dem Blickwinkel der Leistungserstellung bzw. Produktherstellung lassen sich innerhalb des Produktionssystems die Einzelsysteme Beschaffung, Produktion und Vertrieb bzw. Absatz, die planende, durchführende und kontrollierende Teilbereiche beinhalten, eindeutig gegeneinander abgrenzen. Die Aufgabe des Produktionsprozesses ist die Umwandlung von Rohmaterial und Halbzeugen in Fertigteile oder Produkte unter Einsatz vorhandener Produktionsressourcen (Bild 1.2). Der Produktionsprozess (Bild 1.2) beginnt bereits mit der Entwicklung. Diese erfolgt nach einer Marktstudie, die die Marktsituation analysiert sowie den Bedarf und die Kundenwünsche erfasst. Die gleichzeitige Ermittlung des Standes der Wissenschaft und Technik klärt, ob Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich sind. Die Produktdefmition legt die Funktionen, die Anforderungen, die Qualität, den Preis und sonstige Randbedingungen in einem technisch-wirtschaftlichen Pflichtenheft fest. Die Umsetzung der einzelnen Punkte des Pflichtenheftes zu einer für die Fertigung geeigneten Information (z. B. technische Zeichnung) ist die Aufgabe der Konstruktion. Die Konstruktion umfasst den Entwurf, die Werkstoffauswahl sowie die funktions- und fertigungsgerechte Gestaltung der Werkstücke und hat damit einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Produktionsprozesses.

1.3 Elemente des Produktionsprozesses

3

&&& nnn • Rohrmaterialien • Halbzeuge • Bauteile

>

PRODUKTIONSPROZESS

Abfälle Hilfsstoffe Ferti un smittel Meßmittel La er- u. Trans ortmittel Material

Bild 1.2: Elemente eines Produktionssystems

Die Planung der Produktion ist für die rechtzeitige Bereitstellung aller für die Produktion erforderlichen Einrichtungen verantwortlich. Die Beschaffung sorgt für die Bereitstellung von Zukaufteilen, Werkstoffen, Betriebsmitteln und -stoffen sowie von Energie . In der Arbeitsvorbereitung werden die Fertigungsverfahren für ein Bauteil ausgewählt und fertigungstechnische Unterlagen erstellt (Arbeitspläne). Die Arbeitssteuerung (Produktionsplanung und -steuerung, PPS) bindet die verschiedenen Fertigungsaufträge in die Produktion ein und gewährleistet den störungsfreien Informations- und Materialfluss.

•

I

Unternehmensergebnisse

Untemehmensmanagement

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Planung der Beschaffung

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Unternehmensziele Untemehmen

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Produktionssvstem

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Planung der Produktion

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Vertriebssvstem

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II

Produktion

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Vertrieb

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Rechnungswesen I Controlling

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Produktion

I Roh· material

Entwicklung und Konstruktion

Arbeitsplanung

I

I Arbettssteuerung (Produktlonsplanung-und steuerung)

I

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1

I I

Fertigung

rG~~d~;~~·~~;~ ;~ I

I Produktionsnahe Dienstleistungen I -+ Information

I

Tellofertlgung

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I

MontagoIPrüfung

Infonnations· und Kommunikationssysteme

Material

Bild 1.3: Schematische Darstellung des Produktionsprozesses [WESOO]

I I I

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Produkte

4

1 Grundlagen zur Fertigungstechnik

Die Grundstoffverarbeitung umfasst alle verfahrenstechnischen Prozesse zur chemischen und physikalischen Veränderung von formlosen Stoffen und stellt damit die Werkstoffe für die Fertigung zur Verfügung. Die Fertigung im engeren Sinne umfasst die Teilefertigung, die Montage und die Prüfung von Teilen. In der Fertigung erhalten die Einzelteile ihre geometrisch bestimmte Gestalt und weitere vorgegebene Eigenschaften wie z. B. bestimmte Festigkeitskennwerte und Oberflächenbeschaffenheiten. Die so gefertigten Teile werden in der Montage zu komplexen Teilen (Baugruppen, Produkten) zusammengefügt. Die einzelnen Fertigungsund Montageschritte bis hin zum fertigen Produkt werden als Produktionsstufen bezeichnet. Die produktionsnahen Dienstleistungen umfassen alle Dienstleistungen um den Produktionsprozess zu ermöglichen, wie z. B. die innerbetriebliche Logistik und die Instandhaltung. Der Vertrieb schließlich übernimmt die Auslieferung der Produkte an die Kunden und den Kundenservice. Durch die Kundennähe liefert das Marketing wichtige Informationen für die Produktentwicklung. Für diesen Prozess müssen Arbeitsräume, Energie und Informationen bereitgestellt werden. Die Rohmaterialien und Halbzeuge gehen zusammen mit den Faktoren Informationen und Energie direkt in das Produkt über. Die unmittelbar am Produktionsprozess beteiligten Produktionsfaktoren sind Fertigungsmittel sowie Mess-, Lager- und Transporteinrichtungen. Um diese effizient nutzen zu können, wird das entsprechende Personal eingesetzt.

1.4

Produktlebenszyklusmanagement

Unternehmen können sich heute nicht mehr nur auf den ökonomischen Erfolg beschränken, sondern müssen ebenso die ökologischen und sozialen Folgen ihres unternehmerischen Handelns in Entscheidungen mit einbeziehen. Seit Beginn der 1990er Jahre gewinnt eine an den Erfordernissen von Ökologie, Ökonomie und sozialen Standards ausgerichtete Unternehmenspolitik zunehmend an Bedeutung. Ziel ist das "nachhaltige Unternehmen". Mit Blick auf Teilprozesse bei der Entwicklung, der Herstellung, der Nutzung und der Entsorgung von Produkten werden im Allgemeinen lediglich Suboptima bei Wertschöpfungsprozessen erreicht. Ziel muss es aber sein, das Gesamtoptimum für das Unternehmen zu erreichen. Dazu müssen künftig alle Akteure im Zusammenhang mit der Entwicklung, der Herstellung, dem Gebrauch und der Entsorgung eines Produktes - also alle Lebenslaufpartner - zusammenarbeiten. Life Cyc1e Management (LCM) soll es den Unternehmen ermöglichen, technische Produkte und Anlagen zukünftig über deren gesamten Lebenslauf zu managen, um sowohl negative Umweltwirkungen von Produkten zu minimieren als auch die Wirtschaftlichkeit zu optimieren (Bild 1.4).

5

1.4 Produktlebenszyklusmanagement

höhere Wiaderverwendung hllhere Nutzung umweltverträglIche Produktaund Verfahren

Kosten

'\.,' ,

, ,, Herstell-

,,

kosten,

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,,

,,

Produktion

Nutzung und Service

Deproduktlon

Zeit

Bild 1.4: Erlöse und Aufwendungen im Produktlebenslauf einer Werkzeugmaschine

Um diesem Ziel gerecht zu werden, betrachtet das Life Cycle Management den Produktlebenslauf in einer durchgängigen Philosophie. Technische Produkte, Maschinen und Anlagen werden künftig über ihren gesamten Lebenslauf verfolgt. Dadurch bleiben die Hersteller und Entwickler "in der Verantwortung" für ihre Produkte. Sie werden diese auch während der Nutzungsphase betreuen und haben für einen fehlerfreien Betrieb zu sorgen. Der fehlerfreie Betrieb von komplexen Hochleistungssystemen wird entscheidend durch die Beherrschung der Systeme und Teilsysteme bestimmt, d. h. die Hersteller müssen ein tiefgreifendes Verständnis für ihre Produkt bekommen und permanent weiterentwickeln. Das Ziel dieser komplexen technischen Systeme besteht darin, die Erhöhung der Gesamtrentabilität auch in den Grenzbereichen von Leistung und Präzision zu erreichen. Deshalb ist schon in der Konzeptions- und Entwurfsphase die Einsatzleistung sowohl hohe Präzision als auch hohe Prozesssicherheit zu berücksichtigen. Ein wichtiger Aspekt ist insbesondere die Ergänzung des traditionellen Rechnungswesens um Methoden der Kostenverrechnung, bei denen Anlagenkonzepte bezüglich der lebenslaufübergreifenden Wirtschaftlichkeit bewertet werden. Die Qualität und Lebensdauer technischer Anlagen wird zunehmend nicht so sehr durch Verschleiß als vielmehr durch technische Überalterung begrenzt. Zur Erfiillung der Anforderungen vor allem in der Gebrauchsphase ist eine modeme Anlage ständig aktuell zu halten, um eventuell entstehende Opportunitätskosten durch die fortschreitende technische und technologische Entwicklung sowie den mit der Gebrauchsphase verbundenen Verschleiß nicht zu groß werden zu lassen (Bild 1.5) [NIE09] .

1 Grundlagen zur Fertigungstechnik

6

Verfügbarke~

leistungsfähigerer Produktionssysteme

Systemleistung

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Systemlebensdauer in Jahren

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Verluste aufgrund nicht genutzter Technologien (Opporlunilätskosten)

Verluste durch Alterung & schwankende Systemauslastung

Bild 1.5: Einfluss des technologischen Fortschritts auf die Systemlebensdauer [NIE09]

Um diese ganzheitliche Sicht auf die Produkte und Produktionsanlagen sicherzustellen, bietet das Life Cycle Management sowohl Methoden zur Bewertung von Produkten in ökologischer (Ökobilanzen) und ökonomischer Hinsicht (Life Cycle Costing / Life Cycle Controlling) als auch Ansätze zur Verbesserung der Produkteigenschaften (Design for Life Cycle).

1.5

Einteilung der Fertigungsverfahren

Innerhalb des aus zahlreichen Schritten bestehenden Produktionsprozesses besitzt die Fertigungstechnik eine zentrale Bedeutung. Ihre Aufgabe ist es, Werkstücke mit definierter geometrischer Gestalt und vorgegebenen Eigenschaften herzustellen. Alle Fertigungsverfahren haben entweder das Ziel eine Ausgangsform zu schaffen, diese zu ändern oder die die Stoffeigenschaften zu ändern. Das Kriterium zur weiteren Einteilung der großen Zahl der Fertigungsverfahren nach DIN 8508 ist der Zusammenhalt einzelner benachbarter Materialteilchen oder auch der Bestandteile eines zusammengesetzten Körpers (Bild 1.6). Dieser Zusammenhalt muss erst einmal geschaffen werden (Urformen), er kann beibehalten oder leicht verändert werden (Umformen, Stoffeigenschafländern) und er kann vermindert (Trennen) oder vermehrt werden (Fügen, Beschichten). Diese Systematik ermöglicht die Aufnahme von neuen Fertigungsverfahren und dient als Basis für eine internationale Normung. Danach werden alle Fertigungsverfahren in sechs Hauptgruppen eingeteilt, die weiter in Gruppen und Untergruppen untergliedert sind.

1.5 Einteilung der Fertigungsverfahren

Schaffender Form

7

Ändernder Stoffeigenschaflen

Ändern der Form

Zusammenhalt schaffen

Zusammenhalt beibehalten

Zusammenhalt

Hauptgruppe 1

Hauptgruppe 2

Hauptgruppe 3

Hauptgruppe 4

Hauptgruppe 5

Hauptgruppe 6

Urformen

Umformen

Trennen

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaften ändern

Zusammenhalt vermehren

vermindern

Gruppe:

Gruppe:

Gruppe:

Gruppe:

Gruppe:

1.1 Urformen aus dem flüssigen Zustand

2.1 Druck-

3.1 Zerteilen

4.1 Zusammensetzen

5.1 Beschichten aus 6.1 Verfestigen dem flüssigen durch Zustand Umformen

1.2 Urformen aus 2.2 Zugdruckdem plastischen umformen Zustand

3.2 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden

4.2 Füllen DIN 8593-2

5.2 Beschichten aus 6.2 Wärmedem plastischen behandeln Zustand

1.3 Urformen aus dem breiigen Zustand

2.3 Zugumformen

3.3 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden

4.3 An- und Einpressen

5.3 Beschichten aus 6.3 Thermodem breiigen mechanisches Zustand Behandeln

1.4 Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand

2.4 Biegeumformen 3.4 Abtragen

4.4 Fügen durch Urformen

5.4 Beschichten aus 6.4 Sintern, dem körnigen Brennen oder pulverförmigen Zustand

umformen

1.5 Urformen aus 2.5 Schubdem span- oder umformen faserförmigen Zustand

Gruppe:

3.5 Zerlegen

4.5 Fügen durch Umformen

6.5 Magnetisieren

3.6 Reinigen

4.6 Fügen durch Schweißen

5.6 Beschichten durch Schweißen

6.6 Bestrahlen

4.7 Fügen durch Löten

5.7 Beschichten durch Löten

6.7 Photo-

chemische Verfahren

1.8 Urformen aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand

4.8 Kleben

5.8 Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand (Vakuumbeschichten)

1.9 Urformen aus dem ionisierten Zustand

4.9 Textiles Fügen

5.9 Beschichten aus dem ionisieren Zustand

Bild 1.6: Einteilung der Fertigungsverfahren [DIN 8580]

Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers durch Schaffen des Zusammenhaltes [DIN 8580]. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes bestimmbar in Erscheinung. Die Hauptgruppe Urformen umfasst neun Untergruppen. Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers. Dabei werden sowohl die Masse als auch der Zusammenhalt beibehalten [DIN 8582]. Zur Einordnung der mehr als 200 verschiedenen Urnformverfahren mit unzähligen Verfahrensvarianten wird die beim Umformprozess hauptsächlich wirksame Beanspruchungsart (Spannungsart und -richtung) herangezogen. Die weitere Einteilung in Untergruppen geschieht nach Kriterien des Bewegungsablaufs und der Werkzeug- oder Werkstückgeometrie.

8

1 Grundlagen zur Fertigungstechnik

Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, d. h. im Ganzen vermindert wird. Dabei ist die Endform des Werkstücks in der Ausgangsform enthalten. Dem Trennen ist auch das Zerlegen zusammengesetzter Körper und das Reinigen zugeordnet. Fügen ist das auf Dauer angelegte Verbinden oder sonstige Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird jeweils der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt [DIN 8593]. Eine durch Fügen hergestellte Verbindung kann lösbar oder unlösbar sein. Lösbare Verbindungen lassen sich ohne Beschädigung der gefügten Teile wieder lösen, bei unlösbaren Verbindungen muss eine Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile in Kauf genommen werden. Die Unterteilung der Fertigungsverfahren der Hauptgruppe Fügen erfolgt nach Art des Zusammenhalts unter Berücksichtigung der Art der Erzeugung [DIN 8593]. Fügen ist nicht mit Montieren gleichzusetzen. Montieren wird zwar stets unter Anwendung von Fügeverfahren durchgeführt, es schließt jedoch zusätzlich auch alle Handhabungs- und Hilfsvorgänge einschließlich des Messens und Prüfens mit ein. Spannen (Einspannen) zum Zwecke des Bearbeitens oder Vermessens eines Werkstückes ist nicht Fügen im Sinne eines Fertigungsverfahrens. Beschichten ist das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück. Maßgebend ist der unmittelbar vor dem Beschichten herrschende Zustand des Beschichtungsstoffes. Die Gliederung der Hauptgruppe Beschichten erfolgt nach verfahrenstechnischen Gesichtspunkten bzw. nach dem Aggregatzustand des Beschichtungsstoffes. Als Beschichtungsstoffe kommen metallische, anorganisch-nichtmetallische (z. B. Email, Keramik) und organische (Lacke) Werkstoffe in Betracht. Stoffeigenschaftändern ist Fertigen durch Verändern der Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem ein Werkstück besteht. Dies geschieht im Allgemeinen durch Veränderungen im submikroskopischen bzw. im atomaren Bereich, z. B. durch Diffusion von Atomen, Erzeugung und Bewegung von Versetzungen im Atomgitter und durch chemische Reaktionen. Unvermeidbar auftretende Formänderungen (z. B. Härteverzug) gehören nicht zum Wesen dieser Verfahren [DIN 8580]. Die Einteilung der Hauptgruppe Stoffeigenschaftändern ist im Bild 1.6 dargestellt. Die Wahl des für die Herstellung eines Werkstückes anzuwendenden Fertigungsverfahrens richtet sich nach den verlangten Maßtoleranzen, Oberflächengüten, den vorhandenen Produktionsmitteln und den geforderten Stückzahlen. Je höher die Losgrößen sind, umso weitgehender kann ein Fertigungsverfahren automatisiert werden. Die Grenzen der Automatisierbarkeit werden also nicht durch die technischen Möglichkeiten bestimmt, sondern durch wirtschaftliche Überlegungen,

1.6 Grundlagen zur Lasertechnik

1.6

9

Grundlagen zur Lasertechnik

Der Laserstrahl (Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) gewinnt in der Fertigungstechnik eine zunehmende Bedeutung. Er kann als Werkzeug zum Trennen, Fügen, Beschichten und UrformeniStoffeigenschaftsändern (Sintern) eingesetzt werden. Da der Laserstrahl in allen Hauptgruppen vertreten ist, wird hier auf die Grundlagen der Lasertechnik eingegangen. In den folgenden Kapiteln werden dannjeweils die Besonderheiten für die jeweilige Hauptgruppe erläutert.

Lasertechnik Die verschiedenen Lasertypen können nach Art der Lasersubstanz in Gaslaser, Festkörperlaser, Diodenlaser (bzw. Halbleiterlaser), Faserlaser, Excimerlaser und Farbstoffiaser unterteilt werden. Zwar ist diese Einteilung inkonsistent, da z: B. sowohl Faserlaser als auch Diodenlaser physikalisch betrachtet Festkörperlaser sind (siehe Tab. 1.1), jedoch hebt sie die Merkmale der Konzepte hervor [HUE09]. Die für den industriellen Einsatz geeigneten Lasertypen sind in Tabelle 1.1 zusammengestellt. Tabelle 1.1: Lasertypen [HUE09]

~

~

Gaslaser

Gas

Elektronenstoß

10,6 und weitere

Feslkörperlaser

Festkörper. Stab, Quaderusw.

Optisch: Diodenlaser oder Blitzlampen

Neodym:YAG: 1,064 und weitere

DIodenlaser

Halbleiterschicht

Gleichstrom

Je nach aktivem Atom: 0,37 bis 1,55

Fasertaser

Festkörper: Faser

Optisch: Diodenlaser

Neodym:YAG: 1,064 und weitere

Excimer·Laser

Gas

Elektronenstoß

Je nach aktivem Atom: 0,193 bis 0,351

Scheibenisser

Festkörper: Scheibe

:

Optisch: Diodenlaser

co,

Ytterbium:YAG: 1,03 1

YAG

Dauerstrichi Impuls 1

Dauerstrichi Impuls Impuls

1

Dauerstrichi Impuls

1

Dauerstrichi Impuls

Impuls

= Yttrium-Aluminium-Granat

Nach dem atomaren Aufbau der Lasersubstanz, der bei der Entstehung der Laserstrahlen eine wichtige Rolle spielt, werden Drei- und Vier-Niveau-Laser (Niveau: Energieniveau) unterschieden. Die Erzeugung von Laserstrahlen erfolgt durch Anregung der aktiven Substanz des Lasermediums mit Hilfe von Blitzlampen oder Elektronenstoß (Gasentladung). Wie in Bild 1.7 dargestellt, werden dadurch die Atome der aktiven Lasersubstanz (z. B. Chromionen beim Rubinkristall) in den angeregten Energiezustand ~ überführt (optisches Pumpen). Die Verweilzeit auf'E, ist sehr kurz (10-9 s); von dort gehen die Atome ohne Ausstrahlung von Licht in den metastabilen Zustand E 3 über. Die Verweilzeit dort ist wesentlich länger, sodass eine Besetzungsumkehr (Inversion) zwischen dem Grundzustand EI und E 3 erfolgen kann. Der Laserübergang, bei dem ein Lichtstrahl entsteht, erfolgt zwischen E3 und EI (Dauer: 3· 10-3 s), bzw. zwischen ~ und E4 bei den Vier-Niveau-Lasern in einer Kettenreaktion, die durch einen Quant ausgelöst wird. Die Energieabgabe erfolgt ohne Phasenverzug (induzierte Emission).

10

1 Grundlagen zur Fertigungstechnik

Dreiniveaulaser

Viemiveaulaser

"=E2 "=E2 1=:I=====:::3I1;:::=E3

h·v 1--+------o--E4 '--o--------;:r---E 1

'--D------{}---E1

Bild 1.7: Entstehung von Laserstrahlen bei einem Drei- und Vier-Niveau-Laser [SPU98b]

Das periodisch entstehende Licht muss noch verstärkt werden. Dies geschieht durch eine Verspiegelung der Enden des Laserstabs mit einem voll reflektierenden und einem teildurchlässigen Spiegel (optisch stabiler Resonator, Bild 1.8). In diesem Resonanzraum bilden sich durch Interferenzen stehende Wellen, die bei jedem Durchgang verstärkt werden. Beim Überschreiten eines Schwellenwertes, der die im teildurchlässigen Spiegel auftretenden Verluste übersteigt, wird ein räumlich und zeitlich hochkohärenter Lichtstrahl ausgekoppelt. optisch stabiler Resonator

f

\

_.

~

optisch instabiler Resonator

i\ Ro R'J L

konfokal (R,

=R2 =L)

voll reflektierender Spiegel

konfokal (R1 + R2

0

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teildurchlässiger Spiegel

Bild 1.8: Schematischer Strahlverlaufin stabilem und in instabilem Resonator [EIC06]

Bei Hochleistungslasern (Vier-Niveau-Laser, z. B. COz-Laser) wird der Laserstrahl wegen der thermischen Belastung nicht durch einen teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt, sondern um einen voll reflektierenden Auskoppelspiegel herum (optisch instabiler Resonator, Bild 1.8). Vier-Niveau-Laser zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus, da sie weniger Pumpleistung zur Inversion benötigen. Die Wirkung der Laserstrahlen beruht auf der hohen Leistungsdichte (LeistungIFläche), die sich bei der Fokussierung der Strahlen auf einen sehr kleinen Durchmesser ergibt. Laserstrahlen lassen sich auf einen Durchmesser von 3 bis 20 J.1m fokussieren. Die Leistungsdichte be-

1.6 Grundlagen zur Lasertechnik

11

trägt dann 109 W/cm 2 (zum Vergleich: kleinster Fokusdurchmesser beim Lichtbogen beträgt 100 11m und die Leistungsdichte 5.10 5 W/cm 2) . Die Energieabgabe bewirkt ein Schmelzen und Verdampfen des Werkstoffes an der Wirkstelle [SPU98b]. Da es sich beim Laserstrahl jedoch um eine Lichtwelle handelt, ist die Energieabgabe von der Absorption des Lichtes und somit von der Wellenlänge des Laserlichtes und den Eigenschaften des Werkstückwerkstoffes, wie Absorptionskoeffizient, elektrische Leitfähigkeit usw. abhängig. Bei Werkstoffen wie Glas (Absorptionskoeffizient k = 0) erfolgt keine Absorption, die Laserstrahlen zeigen keine Wirkung. Bei Werkstoffen mit einem Absorptionskoeffizienten k>1, wie bei Metallen, wird der eindringende Teil der Welle auf kürzester Wegstrecke absorbiert. Der größte Teil der Lichtwelle wird allerdings reflektiert. Damit kann der Laser als eine flächenhafte Wärmequelle behandelt werden. Die Tiefenwirkung beim Bearbeiten beruht auf Wärmeleitungsvorgängen im Werkstückwerkstoff. Eine noch junge Entwicklung auf dem Gebiet der Lasertechnik ist der Scheibenlaser. Sein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig guter Fokussierbarkeit der Laserstrahlung und seine nahezu frei skalierbare Laserleistung sorgen aber für eine immer größere Verbreitung in der industriellen Anwendung. Diese Vorteile machen den Scheibenlaser auch für Anwendungen im Bereich des Lasersinterns sehr interessant. Als laseraktives Medium wird eine 100 bis 200 11m dünne Kristallscheibe verwendet. Diese wird von einer Seite flächig gekühlt und von der anderen mit Diodenlasern gepumpt. Ein kompaktes Spiegelsystem bildet die Pump strahlung mehrfach auf den Kristall ab. Auf diese Weise wird trotz der dünnen Scheibe eine hohe Absorption im Kristall und somit ein großer Gesamtwirkungsgrad erreicht. Die Rückseite der Kristallscheibe dient als End- und Umlenkspiegel im Laserresonator. Bild 1.9 zeigt das Funktionsschema eines Scheibenlasers. Kristallscheibe

Pumpstrahlung (z. B. Diodenlaser)

Laserstrahl

Kühlung

Auskoppelspiegel Pumpstrahlung (z. B. Diodenlaser)

Bild 1.9: Funktionsschema eines Scheibenlasers [IllJE09]

12

2

Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Alle Merkmale, die ein Kunde (Anwender, Verbraucher) von einem Erzeugnis erwartet, sind Qualitätsmerkmale. Entscheidend sind die Ausprägungen dieser Merkmale. Es geht darum, dass diese Ausprägungen gewisse Mindestanforderungen erfüllen, die gewöhnlich durch Toleranzen beschrieben werden. Die Toleranz oder die Toleranzgrenzen geben Mindest- und/oder Höchstwerte der Merkmale vor. In DIN 55350, Teil 11 wird Qualität definiert als die "Beschaffenheit einer Einheit bezüglich ihrer Eignung, festgelegte und vorausgesetzte Erfordernisse zu erfüllen." In diesem Zusammenhang sei betont, dass für die Beurteilung, ob die Ausprägungen der Qualitätsmerkmale den vorgegebenen Erfordernissen entsprechen, nicht das Urteil der Ingenieure (Entwickler, Konstrukteur, Fertigungsplaner, Fertigungs-, Qualitäts- und Verkaufsingenieur) maßgebend ist, sondern dass es auf die Meinung des Kunden ankommt. Der Kunde stellt fest, ob seine Erwartungen an das Erzeugnis erfüllt oder gar übertroffen werden. Dabei bewertet er neben Funktion und Leistung des Erzeugnisses auch Kriterien wie einfache Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit oder Sicherheit für ihn und für die Umwelt. Er hat an das Produkt auch ästhetische Ansprüche (Form, Farbe, Finish) und erwartet vielleicht auch einen gewissen Geltungsnutzen. Bei der Konzeption eines Produktes wird der Ingenieur in Zusammenarbeit mit dem Designer auch an solche nicht messbaren Qualitätsmerkmale denken. Die für den Kunden entscheidenden Qualitätsmerkmale ergeben sich häufig erst aus dem Zusammenwirken sämtlicher Komponenten eines Erzeugnisses, aus mechanischen Bauteilen wie Wellen, Zahnräder, Gehäuse, aus optischen und elektronischen Baugruppen und zunehmend auch aus Rechnerkomponenten und Software. Dabei nimmt der Kunde ein komplexes Produkt gewöhnlich nur von seiner Oberfläche her wahr. Er befasst sich mit der Bedienung und erwartet Hilfe bei Störungen, Einblicke in Teile des Gesamtsystems sind ihm verwehrt. Der Kunde wird nicht auf den Gedanken kommen, die Passung zwischen den Kolben und den Zylindern seines Kraftfahrzeugs nachzumessen, wenn er einen zu hohen Brennstoffverbrauch feststellt oder die Abgaswerte nicht stimmen. Aufgabe des Ingenieurs ist es dagegen, den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften aller Komponenten und der Funktion des Gesamtsystems zu ergründen und die Qualitätsanforderungen des Kunden auf die Qualitätsmerkmale sämtlicher Komponenten, Baugruppen und Einzelteile herunter zu brechen. Wollte man dem Thema "Qualitätsmerkmale von Fertigteilen" angesichts der breiten Produktpalette gerecht werden, dann müsste man sich mit Qualitätsmerkmalen aus allen Bereichen der Ingenieurwissenschaften, des Maschinenbaus und der Elektrotechnik aber darüber hinaus auch mit denen aus anderen Bereichen der Naturwissenschaften wie Physik, Chemie, Biologie oder Medizin beschäftigen. Ein Produktspektrum, das von einer Videokamera, einer Stereoanlage, einem Personenwagen, einem Hubschrauber bis hin zu einem Kraftwerk oder einer Satellitenstation reicht, ist viel komplexer als das vorgegebene Thema. Eine Beschränkung auf Fertigteile, insbesondere auf mechanisch gefertigte Teile, ist angesichts des vorgegebenen Umfangs dieses Kapitels notwendig und hat beispielhaften Charakter. Im E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_2, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

2.1 Grundlagen und Normen

13

Vordergrund der folgenden Abschnitte stehen daher die Fertigteile, deren Qualitätsmerkmale sich auf die physikalische Größe "Länge" zurückführen lassen und deren Ausprägungen durch Maße, Toleranzen und Passungen gekennzeichnet sind. Das trifft auf den größten Teil der mechanisch gefertigten Werkstücke zu [DUT07]. Konstrukteure und Designer sind dafiir verantwortlich die Voraussetzungen fiir qualitativ hochwertige Produkte zu schaffen. Diese Qualitätsanforderungen in der Fertigung umzusetzen und dauerhaft zu realisieren ist Aufgabe der Qualitätssicherung. Qualität zu schaffen und zu erhalten ist nicht nur Aufgabe einzelner Abteilungen, sondern erfordert ein umfassendes Qualitätsmanagement, in das alle Bereiche eines Unternehmens einbezogen sind.

2.1

Grundlagen und Normen

Die Anforderungen an die Funktion geometrisch defmierter Körper und der Austauschbau verlangen vielfach, Abweichungen der Maße, der Form, der Lage und der Oberflächenrauheit innerhalb festgelegter Grenzen zu halten [DUT02]. Der Konstrukteur gibt in der Zeichnung zwar die geometrisch ideale Gestalt des Werkstücks an, durch Ungenauigkeiten in der Fertigung und Unsicherheiten beim Messen streuen die realen Istwerte aber immer um den idealen Sollwert. Die maximal zulässigen Abweichungen der Istwerte vom Sollwert legt der Konstrukteur durch die Angabe von Toleranzen fest. Austauschbau ist ein Grundprinzip der modemen Fertigung. Dies bedeutet, dass unabhängig voneinander gefertigte Werkstücke ohne Auslesen und Nacharbeit gepaart werden können und vorgegebene Funktionen innerhalb defmierter Grenzen erfüllen. Geometrische Grundfunktion ist dabei die Passung, d. h. die Beziehung zwischen den Passflächen der zu paarenden oder gepaarten Passteile. Die Grundlagen des Austauschbaus wurden im 19. Jahrhundert mit dem Übergang von der handwerklichen Einzelfertigung zur industriellen Massenfertigung gelegt. Der Austauschbau ist heute die Grundlage jeder Mengenfertigung nicht nur im Maschinenbau, sondern auch in der Elektrotechnik, in der Möbelindustrie und in der Bauwirtschaft [LOT02]. Durch die Erfordernisse des Austauschbaus wurden die nationale und internationale Normung begründet. Ziel der Normung ist es, reproduzierbare Produktionsergebnisse und vergleichbare Qualitätsstandards durch die Anwendung der fiir den jeweiligen Vorgang vorgesehenen Normen zu erreichen. Für die Normung in Deutschland ist das Deutsche Institut für Normung (DIN) verantwortlich. International gültige Normen werden von der International Organization for Standardization (ISO) in technischen Komitees (TC) ausgearbeitet und verabschiedet. Für europaweit gültige Normen ist das Europäische Komitee für Normung (CEN) zuständig. Das DIN übernimmt die internationalen Normen als DIN ISO bzw. DIN EN Normen fiir den deutschen Geltungsbereich.

2.1.1

Geometrische Produktspezifikation

Um die zum Teil verwirrende Vielzahl der bestehenden Normen fiir geometrische Qualitätsmerkmale übersichtlich zu strukturieren, wurde von der ISO ein Masterplan erarbeitet, der als ISO TR 14638 bzw. als Vornorm DIN V 32950 - Geometrische Produktspeziftkation (GPS)

14

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

veröffentlicht wurde. Dieser Masterplan umfasst die Normen, die in den verschiedenen Stufen der Produktentwicklung, wie Konstruktion, Fertigung, Prüfung und Qualitätssicherung Anwendung finden. Ziel der GPS ist es, eine widerspruchsfreie und vollständige Normierung der Form, Maße und Oberflächencharakteristik eines Werkstücks zu erreichen. r---

I

I

Globale GPS-Normen Matrix allgemeiner GPS-Normen Kettengliednummer

Geometrische Eigen-

schaften des Elements 1

Maß

2

Abstand

3

Radius

4

Winkel

5 6 I: Q)

E ,,-g

7

I

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2

"

8 9

Form einer Linie (bezugsunabhängig)

Formeiner Linie (bezugsebhängig) Form einer Oberfläche (bezugsunebhängig)

Formeiner Oberfläche (bezugsabhängig) Richtung

10

Lege

11

Rundleuf

12

GesarnUauf

13

Bezüge

1

Cl

I:

2

'---

Oberflächenrauigkeit

15

Oberflächenwelligkeit

16

GNndprofil

17

Oberflächenfehler

18

Kanten

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6

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Bild 2.1: GPS-Matrix-Modell (nach DIN V 32950)

Das Konzept der GPS ist im GPS-Matrix-Modell in Bild 2.1 graphisch dargestellt. Die Grundregeln für die Bemaßung und Tolerierung von Werkstücken werden in den GPS-Grundnormen zusammengefasst (z. B. DIN ISO 8015 - Technische Zeichnungen - Tolerierungsgrundsatz). Grundbegriffe und Definitionen, die für alle Merkmale gleichermaßen gelten, sind in den globalen GPS-Normen enthalten (z. B. DIN V ENV 13005 GUM - Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen). Die allgemeinen GPS-Normen befassen sich mit den verschiedenen Arten der geometrischen Eigenschaften, wie z. B. Maß, Abstand, Winkel. Werkstückeigenschaften, die aus verschiedenen Fertigungsverfahren resultieren (z. B. Spanen, Gießen, Schweißen) und Geometrienormen für bestimmte Maschinenelemente (z. B. Gewinde, Zahnräder) sind in den ergänzenden GPS-Normen spezifiziert. Die allgemeinen und ergänzenden GPS-Normen sind in Normenketten gegliedert, die aus allen zusammenhängenden Normen, die die gleichen geometrischen Eigenschaften betreffen, gebildet werden. Die sechs Glieder jeder Kette haben definierte Aufgaben, die von der Zeichnungseintragung einer Werkstückeigenschaft, über die theoretische Definition der Toleranzen bis hin

2.2 Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße

15

zur Vermessung des Merkmals und den Kalibrierabforderungen an die dazu zu verwendenden

Messgeräte reichen. Mit dem GPS-Matrix-Modelllassen sich die für jede Stufe der Produktentwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung relevanten Normen einfach ermitteln. Da sich die einzelnen Normen in einer Kette gegenseitig beeinflussen, erfordert das volle Verständnis und die Anwendung einer einzelnen Norm die Kenntnis der anderen Normen in der jeweiligen Kette.

2.2

Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße

2.2.1

Maße und Abmaße

Die Gestalt eines geometrischen Körpers ist durch Formelernente, durch deren Lage zueinander und durch Maße in einem Koordinatensystem gekennzeichnet. Die Maße können sich auf ein einzelnes oder auf mehrere Formelemente beziehen. Es werden Außen- und Innenmaße unterschieden. Als Außenmaß gilt ein Maß zwischen zwei parallelen Flächen oder Tangentialebenen, die eine bestimmte Geometrie eines Werkstückes von außen her begrenzt. Dagegen ist das Maß zwischen zwei parallelen Flächen oder Tangentialebenen, die eine bestimmte Geometrie eines Werkstückes von innen her begrenzt, ein Innenmaß. So ist der Außendurchmesser eines Rohres ein Außenmaß, das durch das Formelement Zylinder definiert ist. Dagegen ist der Durchmesser einer Bohrung für das gleiche Formelement ein Innenmaß. Kantenlängen kubischer Werkstücke oder Abstände von Bohrungsachsen sind durch zwei Formelemente bestimmt. In der Regel ist als Maß der zu ebenen Flächen, geraden Kanten oder Bohrungsachsen senkrechte und somit kürzeste Abstand gemeint. Bei den Maßen sollen Normzahlen als Werte bevorzugt werden, um willkürliche Abstufungen bei Bauteilen und Systemen zu vermeiden. Die Normzahlen werden in verschiedenen Reihen mit verschieden großen Abständen berechnet und sind in der DIN 323-1 bzw. in den Normen ISO 3, ISO 17 und ISO 497 tabellarisch aufgeführt. Maße und Toleranzen beziehen sich auf ein zwei- oder dreidimensionales Koordinatensystem (Bild 2.2). Am häufigsten wird das kartesische Koordinatensystem nach DIN 406-12 angewandt, das ein orthogonales System mit geraden Koordinatenlinien ist. Jeder Punkt des Raumes kann durch Angabe von drei Koordinatenwerten, den Abständen in den Koordinatenrichtungen zum Ursprung, festgelegt werden.

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Kartesische Koordinaten

Bild 2.2: Koordinatensysteme

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Polarkoordinaten

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Zylinderkoordinaten

0 Kugelkoordinaten

16

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Beim ebenen Polarkoordinatensystem, das ein orthogonales System mit gekrümmten Koordinatenlinien ist, kann jeder Punkt der Ebene durch Angabe der Länge des Leitstrahis R und des Polarwinkels (X beschrieben werden. Erweitert man das Polarkoordinatensystem um eine senkrecht auf dessen Ebene stehende Achse, so erhält man das räumliche Zylinderkoordinatensystem. Im Kugelkoordinatensystem kann jeder Punkt des Raumes durch Angabe des Abstandes R vom Ursprung, des Polarwinkels (X und des Elevationswinkels ß beschrieben werden. Angaben von Koordinatenwerten lassen sich von einem Koordinatensystem in ein anderes Koordinatensystem umrechnen [WEC02]. Diese in Bild 2.2 dargestellten Koordinatensysteme gelten für das Werkstück. Wird das Werkstück auf einer CNC-Bearbeitungsmaschine gefertigt oder auf einem CNC-Koordinatenmessgerät gemessen, dann sind Werkstück- und Maschinenkoordinatensysteme durch eine Koordinatentransformation ineinander überzuführen. Dies ist eine Aufgabe der Prozessrechner an der Maschine und am Koordinatenmessgerät.

2.2.2

Toleranzsysteme

Die in der Konstruktionszeichnung eingetragenen funktionsbestimmenden Maße werden mit Toleranzangaben versehen. Weniger wichtige Maße (früher ,,Freimaße" genannt) werden unter Hinweis aufDIN ISO 2768-1 mit verhältnismäßig großen .Allgemeintoleranzen'' versehen. Es sollte beachtet werden, dass zulässige Abweichungen nicht nur abhängig vom Nennmaß, sondern auch vom Genauigkeitsgrad "fein (t), mittel (m), grob (c) und sehr grob (v)" vorgegeben sind. Tabelle 2.1 ist ein Auszug aus dieser Norm. Tabelle 2.1: Allgemeintoleranzen, Längen- und Winkelmaße [DIN ISO 2768-1] ;

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0,5 bis 3

über 3 bis 6

über 6 bis 30

über 30 bis 120

über 120 bis 400

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±0,05

±0,05

±0,1

±0,15

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+0,1

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+1

+1,5

+2,5

;

.

•••

Es ist weniger bekannt, dass auch bestimmte Form- und Lageelemente durch Allgemeintoleranzen eingeschränkt werden können [DIN ISO 2768-2] (Tabelle 2.2).

2.2 Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße

17

Tabelle 2.2: Allgemeintoleranzen, Toleranzen für Form und Lage [DIN ISO 2768-2]

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~

GI 13

n.

Für Geradheit und Ebenheit

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bis 10

über 10 bis 30

über 30 bis 100

bis 100

Über 100 bis 300

Lauftoleranz

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0,05

0,1

0,5

0,5

0,1

0,05

0,1

0,2

0,6

0,6

0,2

0,1

0,2

0,4

0,6

1

0,5

Der Hinweis auf die Bedeutung von Form, Lage und Oberflächenbeschaffenheit für die Funktion eines Flächenelementes sollte nicht vergessen werden, wenn nachfolgend ausschließlich von Maß und Abmaß die Rede ist. Die Grundbegriffe der Längenmaße und deren Toleranzen sowie die Passungen für ebene und zylindrische Werkstücke sind in DIN ISO 286-1 und DIN ISO 286-2 zusammengefasst. Sie gelten sinngemäß auch für Passungen an Kegeln, Prismen und Gewinden [STE09]. Jedes Werkstück kann nur mit gewissen Maßabweichungen gefertigt werden. Die fertigen Maße, die so genannten Istmaße, weichen stets von den Sollmaßen ab. Das Istmaß gilt zudem nur für eine ganz bestimmte Stelle des Flächenelementes. Infolgedessen hat ein Werkstück unendlich viele Istmaße. Durch Toleranzangaben in der Zeichnung wird festgelegt, in welchem Bereich um das Sollmaß sich alle Istmaße befinden müssen, wenn das betrachtete Maß als toleranzhaltig gelten soll. Die Spanne zwischen dem gerade noch geduldeten Höchstmaß Go und dem mindestens erforderlichen Mindestmaß Gu einer Abmessung ist die Maßtoleranz T. Sie kann einer festgelegten Grundtoleranz IT entsprechen. Toleranzen werden ohne Vorzeichen angegeben, sie gelten in ihrer absoluten Größe. Aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung werden für ein Maß nicht die erwähnten Grenzmaße Gu und Go, sondern die Abmaße gegenüber dem Nennmaß als Toleranzgrenzen angegeben. Das obere Abmaß ist die Differenz zwischen dem Höchstmaß Go und dem Nennmaß N und das untere Abmaß ist der Unterschied des Nennmaßes gegenüber dem Mindestmaß Gu • Die Maßtoleranz IT (Toleranz) ist somit auch die Differenz aus oberem und unterem Abmaß (Bild 2.3). Für die Bohrung wird das obere Abmaß mit "ES" und das untere mit "EI" bezeichnet. Die entsprechenden Abmaße für Wellen heißen "es" und "ei" [DIN ISO 286-1]. Für das Eintragen der Grenzabmaße gelten folgende Regeln: das obere Abmaß wird ohne Rücksicht auf das Vorzeichen hinter die Maßzahl hoch gesetzt, das untere Abmaß ist hinter der Maßzahl tief gesetzt. Das Grenzabmaß 0 (Null) kann, muss aber nicht eingetragen werden. Sind oberes und unteres Abmaß gleich groß, dannwird das Grenzabmaß in Klammem in mittlere Höhe hinter der Maßzahl gesetzt. Das Toleranzfeld ist in einer graphischen Darstellung von Maßtoleranzen das Intervall zwischen Mindest- und Höchstmaß. Es kennzeichnet nicht nur die Maßtoleranz, sondern gibt auch

18

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

die Lage zum Nennmaß an. Im ISO-System für Grenzmaße und Passungen wird die Lage der Toleranz durch Buchstaben angegeben [DIN ISO 286-1]. Große Buchstaben A, B, C, H ... X, Y, Z, ZA, ZB, ZC gelten für Innenmaße (Bohrungen), kleine Buchstaben a, b, c, ... h x, y, z, za, zb, zc für Außenmaße (Wellen). Die Toleranzfelder H und h zeichnen sich dadurch aus, dass ein Grenzabmaß 0 (Null) ist, das heißt diese Toleranzfelder grenzen an das Nennmaß.

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Cl

Bild 2.3: Maße und Abmaße an einer Bohrung und einer Welle

Die Größe des Toleranzfeldes wird durch Zahlen 01,0, 1,2,3 ...7 ... 16, 17, 18 beschrieben. Diese Zahlen beziehen sich auf Grundtoleranzgrade IT. Die Größe der Grundtoleranzen wird in IJ.m (=1O- 6m) angegeben. Das Toleranzfeld ITOI ist extrem klein, das von IT 18 ist sehr groß. Die Grundtoleranzen IT2, 3 und 4 werden für Lehren und Messzeuge verwendet. Der Bereich IT5 ... ITll überdeckt Bereiche von Feinwerktechnik, Werkzeugbau und Maschinenbau. Grundtoleranzen IT12 und gröber sind im Landmaschinen-, Großmaschinen- und Schiffsbau zu finden. Die Größe des Toleranzfeldes richtet sich zudem nach dem Nennmaß. Für die Grundtoleranz IT7 findet man für den Nennmaßbereich von 1 ... 3 mm die Toleranz 10 1J.m, für 30 ... 50 mm T = 25 IJ.m und für 400 ... 500 mm T = 63 IJ.m. Die Abhängigkeit vom Nennmaß ist gerechtfertigt, weil Produktionsstreuung und Messunsicherheit mit dem Nennmaß zunehmen. Zudem erhöhen sich die Bearbeitungskosten mit kleiner werdender Toleranz. Dieser Zusammenhang ist in Bild 2.4 angedeutet, das auch darauf aufmerksam macht, dass die Innenbearbeitung gewöhnlich teurer ist als die Außenbearbeitung.

2.2 Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße

4 l::

Q)

l::

3.5

0

15 a; ~

3

.~ l::

~ ~

2.5 2 1.5

I

~

I

I

Kurve a : Bohrung

\ Va

b~

19

Kurve b : Welle

~

~

.~

"\ ~

..........

K f:::::::

-

IT4 IT5 IT6 ITl IT8 IT9 IT10 IT11 ISO - Toleranzen Bild 2.4: Relative Herstellkosten für Innen- (a) und Außenbearbeitung (b) abhängig von der Toleranzgröße [MEIN89]

2.2.3

Passungsarten und Passsysteme

Jedes System, jedes Gerät und jede Maschine besteht aus Baugruppen, Komponenten und Einzelteilen, die in der Montage zusammengefügt werden und miteinander passen müssen. Der Passungscharakter hat großen Einfluss auf die Funktion. Sehr häufig sind Rundpassungen. Wellen und Bohrungen werden gefügt und sollen einen bestimmten Passungscharakter haben: Räder, Riemenscheiben und Hebel werden auf Achsen aufgeschrumpft (Übermaßpassung), Kupplungen und Lagerbüchsen mit geringer Presskraft montiert, Gleitlager oder Steuerkolben leicht, aber spielfrei verschoben. Lager an Baumaschinen erfordern reichlich Spiel, damit sie auch bei starker Verschmutzung noch bewegt werden können (Spie/passung). Unter Passung ist die maßliehe Zuordnung zwischen den zu fügenden und zu paarenden Teilen zu verstehen, die sich aus dem Maßunterschied der Teile vor dem Fügen ergibt. Sie ergibt sich aus der Beziehung zwischen den Toleranzfeldern der zu paarenden Teile. Nach DIN ISO 286-1 ist eine Passung durch das gemeinsame Nennmaß der zu paarenden Formelemente, durch das Kurzzeichen der Toleranzklasse für die Bohrung, z. B. H7 und durch das Kurzzeichen für die Welle, z. B. f6, gekennzeichnet. Die Bezeichnung 030H7/f6 lässt darauf schließen, dass es sich um eine Spielpassung handelt, denn das Mindestmaß der Bohrung liegt beim Nennmaß 30,000 mm und das Höchstmaß der Welle ist kleiner als das Nennmaß. Das Spiel kann zwischen zwei Extremen liegen, dem Höchstspiel und dem Mindestspiel. Das Höchstspiel ist zu erwarten, wenn eine an der oberen Toleranzgrenze liegende Bohrung mit einer an der unteren Toleranzgrenze liegenden Welle gepaart wird. Das Mindestspiel ergibt sich aus der Kombination der kleinstmöglichen Bohrung mit der größtmöglichen Welle. Der Konstrukteur bemisst die Passung so, dass auch dann die Funktion sichergestellt ist, wenn sich Höchst- oder Mindestspiel einstellen.

20

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Bei der Passung 030H7/h6 grenzen die Toleranzfelder von Welle und von Bohrung an das Nennmaß. In diesem Fall wäre das Mindestspiel 0 (Null). Bei einer anderen Passung 030H7/p6 könnte das Spiel negativ sein, d. h. es könnte eine Übermaßpassung entstehen. Da sich die Toleranzfelder der zu paarenden Elemente nur teilweise überdecken, wäre auch eine Spielpassung denkbar. Deshalb werden diese Passungen mit sich teilweise überdeckenden Toleranzfeldern als Übergangspassungen bezeichnet. Für die Übermaßpassung ergibt jedes zulässige Maß der zu paarenden Teile ein Übermaß.

2.2.4

Passungsauswahl

Innerhalb des ISO-Passungssystems hat der Konstrukteur in DIN ISO 286-2 aus der Kombination aller Toleranzfeldgrößen und Toleranzfeldlagen sehr viele Wahlmöglichkeiten. Sie lassen sich zunächst dadurch einschränken, dass für Bohrung und Welle vergleichbare Toleranzfeldgrößen gewählt werden. Mit Rücksicht auf die kostengünstigere Außenbearbeitung wird man für die Bohrung möglicherweise ein größeres Toleranzfeld vorgeben als für die Welle, z. B. 030H7/f6 anstelle 030H6/f6 oder gar 030H61f7. Eine weitere Möglichkeit der Einschränkung besteht darin, dass man für die Bohrung stets nur eine Toleranzfeldlage wählt, und den Passungscharakter nur durch die Wahl der Toleranzfeldlage für die Welle erzeugt. Diese Möglichkeit :führt zu dem Passungssystem Einheitsbohrung. Für alle Bohrungen wird die Toleranzfeldlage H gewählt, der Passungscharakter ergibt sich durch die Toleranzfeldlage der Welle. Das System Einheitsbohrung hat den Vorteil, dass die Anzahl der Werkzeuge zur Herstellung und zum Prüfen der Bohrungen minimiert wird. Es wird häufig im Werkzeugmaschinenbau angewendet. Neben dem System Einheitsbohrung gibt es das der Einheitswelle. Es beruht auf einer Toleranzfeldlage für alle Wellen, der je nach dem gewünschten Passungscharakter unterschiedliche Toleranzfeldlagen für die Bohrungen zugeordnet werden. Dieses seltener angewandte System hat Vorteile bei der Fertigung von Maschinen mit vielen glatten Wellen, auf denen Hebel und Räder befestigt werden. Die aus Rundmaterial gefertigten Wellen werden in einer Toleranzfeldgröße und -lage eingekauft und mit Lagern und Bohrungen unterschiedlicher Toleranzfeldlage und -größe kombiniert. Bild 2.6 zeigt, wie in den Systemen Spiel-, Übergangs- und Übermaßpassungen zustande kommen. Für die Funktion der Paarung, also für den Passungscharakter ist es gleichgültig, ob nach dem System von Einheitsbohrung oder Einheitswelle gearbeitet wird. Für die Toleranzen der Wälzlager gibt es besondere nationale und internationale Normen. Sie werden in der Standardausführung in Toleranzklassen wie PO, SP, UP angeboten, die nicht dem ISO-Passungssystem entnommen sind [MEIN89]. Auch die Tolerierung von Kegeln fällt aus dem ISO-Passungssystem heraus. Nach DIN ISO 3040 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten zur Tolerierung von Maß und Form.

2.2 Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße

21

~m=~~~~~~~~~~~~

+

+300 +250

+200 -

Einheitsbohrung H

+50

~J 11I

E

Wellen

Übergangs-

r:::: r::::

I

Q)

Z

Preßpassungen

Bild 2.5: Darstellung der Systeme Einheitsbohrung und der möglichen Passungsarten [FRI05]

fToleranzfeldera

-

::::~ UUIUU'.• I~·. ~'.'• ·.1·• .·• ". i~ ; •.•.~.:.• .•!.; ~; i.. ~ ·. T ~ ~ t~.·• ·~.: .•~·' ":~.'0:"~. · '~i.~ ~~... . .r'.-,. t{~.·. .i· { {}} l.,.~ ~.·. i:','"

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«

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r

.

.•

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..

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• •.•.• •.

·.•. •··.•

11I

00

:+:1:0

=_

E • .·•·•.•. •.·•·•.••.E·.O·.• •'.••.!'•••..•·.•' ••.•

lr•• "i .•••·.••.•·• ·••·•• .

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~ ~ ~K':; ~ • • .•

+50 -

I

•

.•.• • • .• • • • .• •

.••

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~

•...•...•.• •••••••••••••••••••••• •••••

ii ~ . . . .. : T &

,u " . p

-150 -

I

Einheitswelle h

:-~

'.:--:-'. '.:-'.>

I

-200 -250 -300 -

Splel-

Obergangs

o

Preßpassungen

Bild 2.6: Darstellung der Systeme Einheitswelle und der möglichen Passungsarten [FRI05]

22

2 Qua]itätsmerkmale gefertigter Teile

2.3

Technische Oberflächen

2.3.1

Ordnungssystem für GestaItabweichungen

Unter einer Oberfläche versteht man in weiterem Sinn die einen Körper begrenzenden Flächen. Die "Technische Oberfläche" (Werkstückoberfläche) ist durch ihre Gestalt charakterisiert. Sie besitzt unterschiedliche Eigenschaften, die zwei Gruppen zugeordnet werden können: Grobgestalt und Feingestalt (Bild 2.7). Die Grobgestalt umfasst die Parameter Maß, Form und Lage, während zur Feingestalt Welligkeit und Rauheit gehören. Im engeren Sinne wird unter der Oberfläche deren Feingestalt verstanden. Der Konstrukteur entwirft die Gestalt des Werkstückes aus mehreren idealen Flächen, z. B. aus den Formelementen Ebene, Kugel, Zylinder, Kegel und Torus .

o

: o o o

~

:

Bild 2.7: Gestaitparametervon Werkstücken [WEC98, DUT07]

2.3.2

Form- und Lagetoleranzen

Jedes Werkstück, und sei es noch so genau hergestellt, weist Abweichungen von der geometrisch idealen Gestalt auf, die durch Toleranzen eingeschränkt werden [DIN 4760]. Maße und Teleranzen für Längenmaße wurden schon behandelt. Entscheidenden Einfluss auf die Funktion eines mechanisch gefertigten Werkstückes haben aber auch die Gestaltparameter Form und Lage. Es gibt Fertigteile, bei denen das Maß gegenüber der Form oder der Oberflächenrauheit von untergeordneter Bedeutung ist: Teleskopspiegel. Walzen von Blechwalz- oder Papiermaschinen, lackierte Karosserieteile. An anderen Werkstücken sind sämtliche Gestaltparameter funktionsrelevant.

In DIN ISO 8015 ist das "Unabhängigkeitsprinzip" festgeschrieben, nach dem jede Maß-, Winkel-, Form- und Lagetoleranz unabhängig von den anderen erfüllt sein muss, sofem nicht durch einen besonderen Hinweis Beziehungen zwischen den Einzeltoleranzen festgelegt sind

2.3 Technische Oberflächen

23

In der Konstruktionszeichnung kann durch das in einem Kreis stehende Symbol "E" auf "Hüllbedingungen" hingewiesen werden, nach denen die Maßtoleranz eine geometrisch ideale Hülle defmiert, die durch Form- und Parallelitätsabweichungen nicht durchbrochen werden darf. Ein weiterer Hinweis kann die mit dem Symbol "M" im Kreis markierte Maximum-MaterialBedingung nach ISO 2692 sein. Bei den mit M gekennzeichneten Form- und Lagetoleranzen erweitert sich die Toleranzzone um den Betrag, um den das Istmaß das Maximum-MaterialMaß unterschreitet. Bild 2.8 enthält eine Zusammenstellung der in DIN ISO 1101 genannten Form- und Lageelemente und die Symbole, mit denen sie in der Konstruktionszeichnung gekennzeichnet werden. .

EJ

Geradheit

[g @]

Ebenheit

.;; Ir"

[22]

Richtung : Parallelität

QJ

Richtung: Rechtwinkligkeit

[Z]

Richtung : Neigung

~

Ort : Position

~

Ort : Konzentrizität, Koaxialität

~

Ort: Symmetrie

Kreisfonn (Rundheit)

[Q] [] §]

Zylindrizität beliebige Linie beliebige Fläche .:.

[2]

Lauf

~

Gesamtlauf

OIN ISO 1101

Bild 2.8: Symbole zur Kennzeichnung von Form- und Lagetoleranzen nach DIN ISO 1101

Formabweichungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie an der betrachteten Fläche in ihrer gesamten Ausdehnung feststellbar sind. Ihre seitliche Ausdehnung überschreitet ihre Tiefe um den Faktor 1000:1. Dagegen ist bei der Welligkeit das Verhältnis von Wellenlänge zu Wellentiefe etwa 100:1 und bei der Rauheit etwa 10:1. Eine Form- oder Lagetoleranz eines Elementes definiert die Toleranzzone, innerhalb der das Element liegen soll. Die Art der Toleranzzone richtet sich nach der zu tolerierenden Eigenschaft. Die Toleranzzone fiir Geradheit ist durch zwei Parallelen mit minimalem Abstand gegeben. Für Ebenheit wird die Toleranzzone durch zwei einander parallele Ebenen und für Rundheit (Kreisform) durch zwei konzentrische Kreise beschrieben, zwischen denen das Formprofil liegt. Entsprechend ist die Toleranzzone eines Zylinders durch zwei konzentrische Zylinder definiert, zwischen denen jeder Punkt der tolerierten Zylinderfläche liegen muss. Das tolerierte Element darf innerhalb der Toleranzzone jede beliebige Form und jede beliebige Lage haben. Bei der Ermittlung von Form- und Lageabweichungen ist die MinimumBedingung einzuhalten, nach der das Element gegenüber den Begrenzungslinien oder Begren-

24

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

zungsflächen der Toleranzzone so auszurichten ist, dass die Abweichungen minimal werden. Diese Forderung entspricht der Ausgleichsrechnung nach Tschebyscheff. Zueinander bezogene Elemente beschreiben die Lage. Dazu zählen Richtung, Ort und Lauf. Lagetoleranzen sind somit zulässige Richtungsabweichungen wie Parallelität, Rechtwinkligkeit und Neigung, sowie zulässige Ortsabweichungen wie Position, Konzentrizität, Symmetrie und Laufabweichungen. Bei der Beurteilung der Lage sollten mögliche Formabweichungen und Welligkeiten eliminiert werden. Das geschieht dadurch, dass man durch die Flächen, die in einer Lagebeziehung zueinander stehen, mit Hilfe einer Ausgleichsrechnung Referenzflächen legt. Die Kennzeichnung von Form- und Lageabweichungen in der Zeichnung ist in Bild 2.9 angedeutet. In den Toleranzrahmen werden das Symbol für die Art des Gestaltelements, die Toleranz in mm und gegebenenfalls ein Buchstabe für das Bezugselement eingetragen. Mit diesen Angaben in der Zeichnung wird das Messverfahren nicht vorgeschrieben. Form- und Lageprüfungen können sehr aufwendig sein.

d=E05l

Kreisform (Rundheit)

Geradheit

~ ~

Ebenheit

~ Parallelität

o

~:"r----'-----+-----'-----'

r '-----------+---------, Toleriertes Element

Bezug

Toleriertes Element

Bild 2.9: Kennzeichnung von Form- und Lagetoleranzen in der Konstruktionszeichnung

In vielen Fällen führt man das räumliche Problem auf ein ebenes zurück, indem man definierte Linien an der Fläche prüft, zum Beispiel Geradheit und Kreisform (Rundheit) anstelle der Zylinderform. Die Zylinderformabweichung lässt sich aber nicht exakt aus gemessenen Geradheits- und Rundheitsabweichungen bestimmen. Eine vollständige und lückenlose Prüfung der Gestalt eines Werkstückes ist nicht möglich.

Bei der Beurteilung der Lage einer Fläche dient das Bezugselement als Ausgangsbasis. Nach DIN ISO 5459 ist der Bezug theoretisch ein genaues Element (Achse, Ebene, Gerade), auf die das tolerierte Element bezogen wird. Tatsächlich ist auch das Bezugselement mit Formabweichungen behaftet. Aufzeichnungen von Formabweichungen sollen nach der Minimum-Bedingung ausgewertet werden [DIN ISO 1101]. Dabei sind die Begrenzungslinien oder -flächen so an die Istform anzulegen, dass deren Abstand minimal wird. Tabelle 2.3 enthält Erfahrungswerte für Form- und Lagetoleranzen, die beim Läppen, Schleifen, Drehen und Fräsen ohne Schwierigkeiten eingehalten werden können.

2.3 Technische Oberflächen

25

Tabelle 2.3: Richtwerte für Form- und Lagetoleranzen Richtwerte für Bearbeitungsverfahren Lmax mm

2.3.3

10

Läppen J.1rn

2 6 12

Schleifen J.1rn

Drehen J.1rn

Fräsen J.1rn

5 30 60

20 80 140

15 45 70 50 100 200

@]

50 200

[22]

10 50 200

10 50 100

30 100 150

@]

10

50 200

2-3 2-5 5-10

3-5 5-15 10-50

[2]

10 50 200

10-50 15-100 25-200

50-80 80-100 150-200

Rauheit und Welligkeit von Oberflächen

Rauheit und WeIligkeit gehören zur Feingestalt eines Werkstückes. Unter Rauheit ist eine regelmäßig oder unregelmäßig wiederkehrende "kurzweIlige" Gestaltabweichung zu verstehen. WeIligkeit ergibt sich aus überwiegend periodisch auftretenden .Jangwelligen" Gestaltabweichungen. Bei zerspanenden Bearbeitungsprozessen entsteht Rauheit durch unmittelbare Einwirkung der Werkzeugschneide, durch Geometrie und Kinematik des Werkzeuges und auch durch die Art der Spanbildung. Bei der spanlosen Bearbeitung haben Kristallstruktur, Kombildung, Textur, physikalische und chemische Einwirkungen Einfluss auf die Rauheit einer Oberfläche. WeIligkeit ist die Folge von Schwingungen der am Fertigungsprozess beteiligten Elemente: Werkstück, Werkzeug, Maschine, Aufnahmenfür Werkstück und Werkzeug. In der Konstruktionszeichnung werden Oberflächenparameter gemäß DIN EN ISO 1302 durch ein Symbol gekennzeichnet, das einem Wurzelzeichen ähnelt. Bild 2.10 zeigt, welchefür die Fertigung wichtigen Hinweise das Oberflächenzeichen enthalten karm. Einige Angaben beziehen sich auf spanende Bearbeitungsverfahren, kennzeichnen Rillenart und -richtung, andere legen Höchstwerte :für Rauheitsmaße fest. Gebräuchliche Rauheitsmaße sind die gemittelte Rautiefe Rz, die maximale Rautiefe Rmax, der Mittenrauwert Ra (CLA, AA), der quadratische Mittenrauwert Rq (RMS) und die Glättungstiefe Rp •

Darüber hinaus gibt es noch eine Anzahl weiterer Rauheitsmessgrößen, zum Beispiel: Profiltiefe Pb Materialanteil Mn Kenngrößen aus der Abbott-Kurve wie Kernrautiefe Rk , reduzierte Spitzenhöhe Rpk' reduzierte Riefentiefe Rvk und mittlere Profilneigung Da, Dq • Diese Rauheitsparameter sind am Istprofil definiert. Nach DIN EN ISO 4287 und ISO 4287-1 versteht man unter Istprofil das messtechnisch erfasste Profil, das man sich als einen Vertikalschnitt durch die Oberfläche vorstellen karm.

26

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Fertigungsverfahren Kurzzeichen und Zahlenwert,

R,.. Ra. R",ax···. Bezugstrecke oder

x,

Bei mehreren Anforderungen werden diese untereinander angeordnet.

Symbole für Rillenrichtung wie:

B =parallel zum Symbol

~

[1J = rechtwinklig zum Symbol

~ = kreisförmig zur

[8] = gekreuzt in zwei schrägen Richtungen

0

=in vielen Richtungen Mitte der Oberfläche

= radial zur Mitte der Oberfläche

zum Symbol

Bild 2.10: Oberflächenzeichen [DIN EN ISO 1302]

Nach Bild 2.11 soll durch das Rauheitsprofil ein mittleres Profil, ferner äquidistante Profile durch den tiefsten Punkt (Grundprofil) und durch den höchsten Punkt (Bezugsprofil) gelegt werden. Der Abstand zwischen mittlerem und Bezugsprofil heißt Glättungstiefe Rp, der zwischen Grund- und Bezugsprofil ist die Einzelrautiefe Z. Sie dient als Hilfsgröße zur Beschreibung von R, und Rmax und wird nicht als Messgröße verwendet. Auslenkung der Tastnadel

. ._. _._._ ._._._._. _. _._._._ ._._.~!.~~_dp~o~~._. _. _. _._._ ._._._. __._._._ ._._. __._._ Einzeimessstrecke I

Tastweg

Bild 2.11: Istprofil einer Oberfläche

Die gemittelte Rautiefe R, beruht auf fünf Einzelmessstrecken Mittel aus den fünf Einzelrautiefen Z (Bild 2.12):

lc und ist das arithmetische

2.3 Technische Oberflächen

27

Taststrecke I Auslenkung der Tastnadel

Tastweg

Bild 2.12: Gemittelte Rautiefe

n, [DUT07]

Als maximale Rautiefe Rmax gilt der größte der innerhalb der Messstrecke gemessenen ZWerte. Der (arithmetische) Mittenrauwert Ra ist in DIN 4768-1 als arithmetisches Mittel der absoluten Beträge der Abstände des Istprofils vom mittleren Profil definiert [DIN 4768-1]. Ra (CLA= center line average height oder AA = arithmetical average) wird in GB und USA bevorzugt und ist weltweit verbreitet. Ra streut innerhalb einer Oberfläche nur wenig, ist aber nicht besonders anschaulich und lässt sich aus einem Oberflächendiagramm manuell nicht auswerten. Gleiches gilt auch :für den quadratischen Mittenrauwert Rq oder R" (RMS = root mean square), der Standardabweichung aus den Ordinatenwerten. Die Wellentiefe Wt bezieht sich auf das Welligkeitsprofil. Wt ist als vertikaler Abstand vom höchsten zum tiefsten Punkt innerhalb der Welligkeitsmessstrecke lmw definiert, die wesentlich länger ist als die Rauheitsmessstrecke. Die Profiltiefe Pt wird am ungefilterten (aber ausgerichteten) Istprofil gemessen. Sie ergibt sich ebenfalls als vertikaler Abstand der Äquidistanten zum geometrisch idealen Profil. Die bisher genannten Oberflächenmaße bewerten kaum die Profilform des Istprofils, die :für die Funktion von großer Bedeutung sein kann. Im Profildiagramm sind die Trageigenschaften der Oberfläche erkennbar, wenn man durch horizontale Schnitte Äquidistante zum Bezugsprofil zieht und dadurch die oberen Teile des Profils abschneidet. Das Verhältnis aus den durch das Material verlaufenden Schnittlängen zur Gesamtmessstrecke 1m wird als Materialanteil M, bezeichnet. Je nach dem Abstand der Schnittlinien zum Bezugsprofil beträgt der Materialanteil o%...100 %. Die tragenden Längen Li werden in einer Schnittlinie bestimmt, deren Abstand c vom Bezugsprofil in um oder in % als Anteil des Rz- Wertes als Zusatz von M, genannt werden soll: M r2 heißt also Materialanteil in 2 um Schnitttiefe. Die Oberfläche ist ein stochastisches Gebilde. Daher besteht zwischen zwei verschiedenen Rauheitsmaßen kein exakter mathematischer Zusammenhang.

28

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Es hat den Anschein, dass der Zusammenhang zwischen der Funktion einer Oberfläche und den erforderlichen Toleranzen für die Oberflächenmaße noch zu wenig bekannt ist und dass die Beschaffenheit technisch erzeugter Oberflächen mehr von den Gegebenheiten des Fertigungsprozesses DIN EN ISO 1302 als von Funktionsanforderungen DIN 4764 gekennzeichnet ist.

2.4

Prüfungen und Prüfmittel

Unter Prüfung versteht DIN 1319-1 die Feststellung, inwieweit ein Prüfobjekt eine festgelegte oder vereinbarte Forderung erfüllt. Dafür steht dem Prüfplaner eine große Anzahl verschiedener Mess- und Prüfmittel zur Auswahl. Der Prüfplaner hat die Aufgabe, das möglichst optimale prüfmittel für die jeweilige Prüfaufgabe einzusetzen. Hier sind unter anderem die zur Verfügung stehende Prüfzeit, die Prütkosten, der Prüfort, der Ausbildungsstand der damit arbeitenden Prüfer (Werkerselbstprüfung oder ausgebildete Messtechniker) und natürlich die geforderte Genauigkeit des Prüfmittels als Auswahlkriterien zu beachten.

2.4.1

Nachweis der Übereinstimmung

Das Ergebnis einer Prüfung ist die Entscheidung, ob das geprüfte Merkmal mit der Spezifikation übereinstimmt oder nicht. Da aber jede Messung mit einer Messunsicherheit behaftet ist, ergeben sich an den Spezifikationsgrenzen Unsicherheitsbereiche, in denen nicht sicher nachgewiesen werden kann, ob das Merkmal innerhalb der Spezifikation liegt oder nicht (Bild 2.13). Die Unsicherheitsbereiche wachsen mit zunehmender Messunsicherheit. Daher muss ein Merkmal innerhalb des um die Messunsicherheit verminderten Spezifikationsbereichs liegen (Übereinstimmungsbereich), damit die Übereinstimmung mit der Spezifikation nachgewiesen werden kann. Die Regeln für den Nachweis der Übereinstimmung bzw. Nichtübereinstimmung sind in DIN EN 14253-1 festgelegt. Spezifikalionsbereich

..

]! '0" GI

s .!

Nichtüberein-

SpezifikatIonsphase (Konstruktion) Nichtübereinstimmung

I. ,

stimmung

~.~ ! §

iil

il

VerIfikatIonsphase (produktion)

::E

Werkstücktoleranz ausserhalb der Toleranz

innerhalb der Toleranz

ausserhalb der Toleranz

Bild 2.13: Unsicherheitsbereiche und Bereiche der Übereinstimmung bzw. Nichtübereinstimmung von Messergebnissen mit der Spezifikation [VDA 5]

Mit zunehmender Messunsicherheit wächst die Anzahl an Werkstücken, die aus NichtEindeutigkeitsgründen zurückgewiesen werden müssen. Bei der Planung eines Prüfprozesses

29

2.4 Prüfungen und Prüfmittel

muss der Prü:fplaner daher abwägen, ob eine Verringerung der Messunsicherheit einen erhöhten Prüfaufwand rechtfertigt.

2.4.2

Lehren, Messzeuge und Messgeräte

Unter den Begriff prüfmittel fallen sämtliche Messgeräte, Messzeuge, Lehren, Normale und Hilfsmittel, die zur Ausführung einer Prüfaufgabe benötigt werden. Einige Beispiele sind in Bild 2.14 dargestellt.

~~~~o • Messplatlen • Prismen • Lineale

• Spannhilfen • Halterungen

___

• Maßlehren • Formlehren • Funktionslehren

./""

r~~;;==@ ~ • Koordinatenmessgeräte • Fonnprüfgeräte • Profilprojektoren • Verzahnungsmessgeräte • Höhenmessgeräte

__0

~-----:;--..

1

~ ..

(::::~:::::::::~:::::,;O (~rrrml"t:t{t3:1~ • Komparatoren • Vielstellen messgeräte • Inlerferometer • Oberflächenprüfgeräte • optische Meßgerät

• Endmaße • Strichmaßstäbe • Kreisleilungen • LIchtwellenlänge (Laser) • Verzahnungsnonnale • Meister • Rauheltsnonnale • Gewlndenonnale

0

• • • • •

Messschieber Messuhren Messtaster Messschrauben Fühlhebelmessgeräte • Meßbänder

Bild 2.14: Prüfinittel in der Fertigung

Handmesszeuge werden in der Fertigung zumeist für Messaufgaben ohne allzu hohe Anforderungen eingesetzt. Sie gehören zu den anzeigenden Messgeräten, von denen der Messwert auf einer Skala oder Messuhr abgelesen wird. Handmesszeuge mit elektrischen Aufnehmem und digitalen Anzeigen fmden immer weitere Verbreitung. Bedingt durch den manuellen Messvorgang hat die Qualifikation des Prüfers einen Einfluss auf die Messunsicherheit der Handmesszeuge. Messgeräte umfassen den gesamten Bereich von einfachen Höhenmessgeräten bis hin zu komplexen Formprüfgeräten und Vielstellenmessgeräten. Eine detaillierte Darstellung der verschiedenen Arten von Messgeräten würde den hier gesetzten Rahmen sprengen. Auf eines der wichtigsten Messgeräte in der Fertigungsmesstechnik, das Koordinatenmessgerät, soll im folgenden Abschnitt näher eingegangen werden. Messgeräte können in der Fertigung für spezifische Messaufgaben oder als universelle Messgeräte, dann zumeist in Messräumen, eingesetzt werden. Die Auswahl des optimalen Messprinzips und Messgeräts für eine Prüfaufgabe stellt hohe Anforderungen an den erfahrenen Prüfplaner (Bild 2.15). Lehren verkörpern das zu prüfende Maß oder die Form eines Merkmals. Sie bestehen aus einer Gutseite und einer Ausschussseite, die die untere und obere Toleranzgrenze verkörpern. Bei der Prüfung muss sich die Gutseite der Lehre ohne Zwang mit dem Maß paaren lassen, die Ausschussseite darf sich nicht paaren lassen. Mit Lehren lassen sich schnell und einfach Gut-/Schlecht Entscheidungen treffen, eine Aussage über das Maß des Merkmals, mit dem

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

30

Z. B. der Verlauf eines Fertigungsprozesses verfolgt werden kann, ist jedoch nicht möglich. Für kleine Toleranzen sind anzeigende Messgeräte vorzuziehen.

[~~~O ~ - - - - -~r ~ 0 .. • • • • • •

universell aufgabespezifisch Genauigkeit Geschwindigkeit Prüfort Bediener

• • • •

analog digital Bildschirm Ausdruck

~.~blndUngan CAQ

/

r'Im:~'~ O r~~LO ( ~' : • taktil • optisch • pneumatisch • elektrisch (kapazitilv, induktiv, ... ) • Anzahl der Aufnehmer

• Form (Rundheit, Ebenheit, ... ) • Lage • Maß • Oberfläche (Rauheit, ... )

• manuell • automatisch • programmierbar

Bild 2.15: Auswahlkriterien für Messgeräte

Normale werden zum Einstellen und Überwachen von Prüfmitteln verwendet. Die Genauigkeit des Normals sollte daher um etwa eine Größenordnung höher sein, als die Genauigkeit des Prüfmittels, das mit dem Normal justiert oder kalibriert wird. Hilfsmittel dienen dazu, das Werkstück für die Messung zu positionieren und zu fixieren, so dass die Messung unter defmierten und wiederholbaren Bedingungen ausgeführt werden kann. Messwertaufnehmer können mit Hilfsmitteln zu komplexen Messvorrichtungen zusammengesetzt werden.

2.4.3

Koordinatenmessgeräte

Koordinatenmessgeräte (KMG) sind flexibel und universell einsetzbare Messgeräte, mit denen auch komplexe Werkstücke und Geometrien vermessen werden können. Die Flexibilität des KMG rührt daher, dass das Werkstück punktweise angetastet wird und die einzelnen Oberflächenpunkte mit numerischen Verfahren zu geometrischen Ersatzelementen verknüpft werden. Die Form der Ersatzelemente und die Lage verschiedener Elemente zueinander können dann mit den Sollelementen des Werkstücks verglichen werden. Das Koordinatenmessgerät besteht aus einem Gestell mit meist luftgelagerten Verfahrachsen, die je nach Bauart unterschiedlich angeordnet sind (Bild 2.16). Durch die Achsen wird das Maschinenkoordinatensystem des KMG festgelegt. In die Verfahrachsen sind Wegmesssysteme integriert, mit denen die Position der Achsen bestimmt wird. Das Antasten der Messpunkte erfolgt durch das Tastsystem, das als taktiles System entweder schaltend oder messend ausgeführt sein kann. In das Tastsystem werden Taststifte mit Tastelementen eingesetzt, die je nach Anwendungsgebiet und Zugänglichkeit der Messpunkte unterschiedlich ausgeführt sind. Beim schaltenden Tastkopf bewirkt die Auslenkung des Taststiftes das Öffnen oder Schließen eines elektrischen Kontaktes, während beim messenden Tastkopf die Auslenkung des Taststiftes mit Wegmesssystemen gemessen wird.

31

2.4 Prüfungen und Prüfinittel

Auslegerbauart

zf

-

Portalbauart

Ständerbauart

y

r--"'" .....

-

y

BUd 2.16: Bauarten von Koordinatenmessgeräten nach DIN 10360

Neben taktilen Tastsystemen finden auch optische Sensoren zum Antasten der Messpunkte Verwendung. Mit bildverarbeitenden Systemen können die Konturen eines Werkstücks erfasst werden, für Abstandsmessungen kommen z. B. Triangulationssensoren oder Fokussierverfahren zum Einsatz. Das KMG wird durch einen Rechner mit entsprechender Software gesteuert. Je nach Ausstattung kommt noch mehr oder weniger umfangreiche Bedien- und Auswertesoftware hinzu. Auf programmierbaren Koordinatenmessgeräten lassen sich für häufig wiederholende Messaufgaben Messprogramme erstellen, die aus einer großen Anzahl von einzelnen Antas1punkten und Geometrieelementen bestehen können. Vom Bediener muss vor der Ausführung eines Messprogamms nur noch eine Vorlaufmessung ausgefiihrt werden, mit der dem KMG die genaue Position und Orientierung des Messobjekts bekannt gemacht wird. Das Messprogramm. läuft darautbin vollautomatisch ab. Das Ergebnis der Messungen liegt anschließend als Bericht vor, der ausgedruckt oder elektronisch weiterverarbeitet werden kann.

2.4.4

Sichtprüfungen

Neben Rauheit und Welligkeit gibt es noch weitere Oberflächenmerkmale, die oftmals für den Anwender eines Produktes sichtbar sind und ihm dessen Qualität vermitteln. Hierunter fallen in erster Linie optische Merkmale wie Glanz, Farbton, Farbverteilung, Reflexionsvermögen oder Oberflächentextur. Beschädigungen der Oberfläche, wie Kratzer, Einschlüsse oder Risse sind bei technischen Oberflächen nicht nur Schönheitsfehler, sondern können z. B. durch erhöhten Verschleiß oder venninderten Korrosionsschutz die Funktion einer Oberfläche beeinträchtigen. Viele dieser Merkmale lassen sich nur unzureichend durch exakte Zahlenwerte erfassen. Man spricht hier von attributiven Merkmalen.

32

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Strahlengang nicht unterbrochen

-: Örtliche Sichtprüfung Entfernung< 600mm Beleuchtung> 500lx Blickwinkel> 30'

Strahlengang unterbrochen

<, Übers ichtsprüfung Entfernung< 600mm Beleuchtung> 160lx

Hilfsmittel wie z.B. Spiegel, Vergrößerungslinse, Endoskop dürfen eingeselzt werden

z.B. Kameras verbunden mit faseroptischen Geräten oder Endoskopen Eignung für Prüfaufqabe muss nachgewiesen werden

Bild 2.17: Sichtprüfungen nach DlN EN 13018

Die attributiven Oberflächenmerkmale werden in der Regel durch Sichtprüfungen mit Hilfe von Vergleichsmustern beurteilt. Diese können entweder als Gut-, Grenz- und Schlechtmuster oder Abgestuft wie z. B. als Farbreihen vorhanden sein. In DIN EN 13018 wird zwischen direkter und indirekter Sichtprüfung unterschieden, abhängig davon, ob der Strahlengang zwischen der Prüffläche und dem Auge des Betrachters unterbrochen ist oder nicht (Bild 2.17) . Sichtprüfungen sind subjektive Entscheide des Prüfers und können z. B. durch nachlassende Aufmerksamkeit zu unzuverlässigen Ergebnissen führen . Ein grenzwertiges Prüfobjekt kann von verschiedenen Prüfern unterschiedlich beurteilt werden (Prüfer A beurteilt das Merkmal als "Gut" Prüfer B als "Ausschuss") . Um objektive Prüfergebnisse zu erhalten und die Prüfkosten zu minimieren, werden für diese Prüfaufgaben zunehmend automatis ierte Lösungen mit industriellen Bildverarbeitungssystemen eingesetzt (VDI 2628).

2.4.5

Prüfplanung

Die Prüfplanung umfasst alle Vorgänge, die notwendig sind, um festzulegen, welche Merkmale geprüft werden sollen und wann, wo, wie häufig, womit und durch wen dies geschieht (Bild 2.18) . In eine erfolgreiche Prüfplanung müssen alle beteiligten Bereiche des Unternehmens, wie Konstruktion, Fertigungsplanung, Fertigung und Qualitätssicherung mit einbezogen werden. Die Qualitätsziele eines Unternehmens können nur erreicht werden, wenn Art und Umfang der Prüfungen sorgfaltig geplant und umgesetzt werden.

2.4 Prüfungen und Prüfmittel

33

.. ! Prüfmerkmal

• Prüfort • Prüfzeitpunkt • Prüfer • Prüfschärfe

• • • • • •

Methode Genauigkeit Messunsicherheit Prüfdauer Prüfkosten Hilfsmittel

• • • •

Erfassung Verdichtung Auswertung Verarbeitung

! Prüfplan und Prüfanweisung

Bild 2.18: Ablauf der Prüfplanung

In den zur Verfügung stehenden Unterlagen, wie Konstruktionszeichnung und Pflichtenheft, hat der Prüfplaner zunächst die qualitätsbestimmenden Faktoren zu identifizieren, diese auf prüfbare Merkmale herunterzubrechen und mit den Konstrukteuren abzustimmen. Daneben können auch Sicherheitsvorschriften, Normen oder eine Prozesssteuerung einen Prüfbedarf veranlassen. Qualitätsmerkmale werden in jedem Schritt der Produktentstehung, beginnend mit Eingangsprüfungen der Rohmaterialien über Zwischenprüfungen bis hin zu Montage- und Endabnahmeprüfungen der Fertigteile geprüft. Um mehrfache Prüfungen eines Merkmals zu vermeiden, aber Abweichungen dennoch frühzeitig zu erkennen, ist eine umfassende Prüfablaufplanung notwendig. Sind die zu prüfenden Merkmale und der Ablauf festgelegt, muss für jede Prüfaufgabe das geeignete Prüfmittel ausgewählt werden. In der Prüfmittelplanung müssen neben den oben genannten Kriterien auch die Genauigkeit, mit der das Merkmal geprüft werden soll, die Umgebungsbedingen unter denen das Prüfmittel eingesetzt wird und wirtschaftliche Anforderungen an den Prüfprozess berücksichtigt werden. Details zur Ausführung der Prüfung, wie z. B. zu verwendende Hilfsmittel oder eine vorherige Reinigung des Prüfobjekts werden ebenfalls festgelegt. Aus diesen Informationen werden für jedes Fertigungsteil und für jeden Prüfvorgang ein Prüfplan und gegebenenfalls eine Prüfanweisung erstellt, in denen alle notwendigen Angaben zur Durchführung der Prüfungen enthalten sind. Letztendlich ist festzulegen auf welche Weise die Ergebnisse der Prüfungen zu dokumentieren und die Prüfdaten weiter zu verarbeiten sind.

2.4.6

Prüfmittelüberwachung

Steigende Qualitätsforderungen durch Kunden und Abnehmer, normative Forderungen wie z. B. durch DIN EN ISO 9000ff, aber auch gesetzliche Vorgaben fordern den Nachweis der

34

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Einsatzfähigkeit und Zuverlässigkeit aller im Betrieb verwendeten Prüfmittel. Dazu muss jedes Prüfmittel zunächst einmal eindeutig gekennzeichnet und identifizierbar sein. Im Laufe Ihres Einsatzlebens können sich Prüfmittel durch Abnutzung oder Beschädigungen verändern. Um schadhafte Prüfmitte1 frühzeitig erkennen, gegebenenfalls ersetzen oder nachjustieren zu können, müssen die in der Fertigung eingesetzten Prüfmittel überwacht werden. Die Überwachung muss lückenlos und regelmäßig für alle Prüfmittel durchgeführt werden. In VDINDE/DGQ 2618 sind Verfahren zur Überwachung der gängigen Prüfmittel beschrieben.

Die zu überwachenden Prüfmittel werden mit Kalibriernormalen überprüft und die Abweichungen vom genau bekannten Istwert des Normals festgestellt. Als Kalibriernormale können z. B. Endmaße oder Lehrringe dienen, es können aber auch kalibrierte Meisterteile eingesetzt werden. Koordinatenmessgeräte werden vorzugsweise mit Kugelplatten oder -körpern überwacht (VDINDE 2617). Die zur Überwachung der Messgeräte eingesetzten Normale müssen wiederum selbst Überwacht werden, da auch sie Veränderungen unterworfen sein können. Diese Aufgabe wird von Kalibrierdiensten durchgeführt. In der Messtechnik wird eine geschlossene K.alibrierkette gefordert. Das bedeutet, das jedes Messgerät über Werksnormale und die K.alibriernormale der K.alibrierdienste an die nationalen Normale der PhysikalischTechnischen Bundesanstalt (PTB) angeschlossen sein muss, damit die Vergleichbarkeit von Messergebnissen unabhängig vom Prüfort und dem verwendeten Prüfmittel immer gegeben ist. Der Zustand des Prüfmittels und die Ergebnisse der K.alibrierung werden für jedes Prüfmittel in einem Kalibrierbericht dokumentiert und der K.alibrierzustand des Prüfmittels gekennzeichnet.

Prüfmittelflihigkeit In DIN EN ISO 9001 wird gefordert, dass Prüfmittel in einer Weise benutzt werden, die sicherstellt, dass die Messunsicherheit bekannt und mit der entsprechenden Forderung vereinbar ist. Für jedes im betrieblichen Umfeld eingesetzte Prüfmittel, muss daher nachgewiesen werden, dass das Prüfmittel die gestellten messtechnischen Anforderungen erfüllt. Es ist nicht ausreichend, die vom Hersteller des Prüfmittels angegebene Genauigkeit mit der Toleranz des zu prüfenden Maßes zu vergleichen, da die Umgebungsbedingungen am Prüfort und der Einfluss des Prüfteils einen starken Einfluss auf die Messergebnisse haben können. Einige dieser Einflussgrößen sind in Bild 2.19 dargestellt. Um beurteilen zu können, ob ein Prüfmittel geeignet ist, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen, muss daher der gesamte Priifprozess untersucht werden. Für Prüfmittelfähigkeitsuntersuchungen haben sich bisher noch keine standardisierten und allgemein anerkannten Vorgehensweisen durchgesetzt. In der Industrie werden vorwiegend firmen- bzw. branchenspezifische Verfahren und Richtlinien, wie MSA (Measurement System Analysis) oder VDA 5-Prüfprozesseignung angewendet. Hier soll eine mögliche Vorgehensweise beispielhaft dargestellt werden.

Der Nachweis der Fähigkeit eines Prüfmittels erfolgt in mehreren Schritten, in denen das Prüfmittel selbst, das Verhalten des Prüfmittels in seiner Einsatzumgebung und das Langzeitverhalten des Prüfmittels untersucht werden. Die Auflösung des Prüfmittels sollte nicht gröber als 5 % der Merkmalstoleranz sein. Die Auflösung ist der kleinste noch ablesbare Unterschied zwischen zwei Anzeigewerten, z. B. die Skalenteilung bei Messuhren oder der kleinste Ziffernschritt bei Digitalanzeigen.

2.4 Prüfungen und Prüfmittel

35

mathemat. Modelle Messpunktauswahl

Qualifikation

Messwertverknüpfung

Antastart

Motivation

statistische Methode

Druck Temperatur Luftfeuchte Schwingungen Staub

Stabilität Empfindlichkei geometr. Fehler Messbereich Zeit! Kosten Messunsicherheit Stabilität Auflösung

Fonm Material

Bild 2.19: Einflüsse auf das Messergebnis [VDA5]

Die Wiederholbarkeit und Genauigkeit des Messmittels werden durch 25-50 Wiederholmessungen an einem Normal ermittelt. Um wechselnde Umgebungseinflüsse weitgehend auszuschließen, werden die Wiederholmessungen von einem Prüfer an demselben Ort durchgeführt. Aus der Standardabweichung s der Messwerte und der Toleranz T des Merkmals werden zwei Fähigkeitsindizes berechnet, die ähnlich den Prozessfähigkeitsindizes gebildet werden: C g

Mit

Xr

0,2 . T =---'

6's'

C gk

=

-Ix xl

0,1 . T

r -

(2.1)

3 ·s

wird der richtige Wert des Normals und mit

X

der Mittelwert der Messreihe bezeich-

net. Als Grenzwerte werden Cg ~

1,33

und

Cgk ~

1,33

(2.2)

für ein Vertrauensbereich von 99,73 % gefordert [DUT07] . Die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen unter dem Einfluss verschiedener Bediener und sonstiger Umgebungsbedingungen wird durch den Gesamtstreubereich SM angegeben. Hierzu werden von drei Prüfern zehn Fertigungsteile jeweils zwei- oder dreimal am Einsatzort des Prüfmittels vermessen. Der Messprozess ist geeignet, wenn die Bedingung (2.3) erfüllt ist. Die Stabilität des Prüfmittels, das heißt sein Langzeitverhalten unter Einsatzbedingungen am Prüfort wird durch Stichprobenmessungen in festgelegten Zeitintervallen bestimmt. Die Mittelwerte der Stichproben dürfen festgelegte Grenzwerte nicht überschreiten. Bei gutem Langzeitverhalten des Prüfmittels können die Zeitintervalle verlängert werden. Die Ursache für eine unzureichende Prüfmittelfähigkeit muss nicht immer im Prüfmittel selbst zu suchen sein . Oftmals lassen sich durch relativ einfache Maßnahmen Verbesserungen erreichen. Als Beispiele seien die Vermeidung von Vibrationen am Prüfplatz, eine Erhöhung der Sauberkeit oder eine intensivere Schulung der Bediener genannt.

36

2.5

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

Qualitätsmanagement

Qualität wird heute in vielen Unternehmen als entscheidender Wettbewerbsvorteil angesehen und dem Qualitätsmanagement daher in der Unternehmenspolitik ein hoher Stellenwert eingeräumt. Nach DIN EN ISO 8402 umfasst das Qualitätsmanagement "alle Tätigkeiten des Gesamtmanagements, die im Rahmen des QM-Systems die Qualitätspolitik, die Ziele und Verantwortungen festlegen, sowie diese durch Mittel wie Qualitätsplanung, Qualitätslenkung, Qualitätssicherung/QM-Darlegung und Qualitätsverbesserung verwirklichen". Aufgabe des Qualitätsmanagements ist es neben der Sicherstellung der Qualität im eigenen Unternehmen die Qualitätskriterien gegenüber Kunden und Abnehmern darzulegen, sowie entsprechende Qualität von Lieferanten einzufordern. Die zur Verwirklichung des Qualitätsmanagements erforderliche Organisationsstruktur, Verfahren, Prozesse und Mittel werden als Qualitätsmanagementsystem (QM-System) bezeichnet (DIN EN ISO 8402).

2.5.1

Qualitätsmanagementsysteme

Das QM-System stellt Aufbau und Abläufe, die damit verbundenen Kompetenzen und Verantwortungen, sowie die dafiir benötigten Mittel und Ressourcen in ihrem Zusammenhang mit den Qualitätszielen des Unternehmens dar. Mit dem QM-System wird die Qualitätspolitik des Unternehmens in konkrete Qualitätsstandards und ausführbare Handlungsanleitungen umgesetzt [SCHL009a]. Das QM-System wird auf alle Tätigkeiten angewendet, die die Qualität eines Produkts betreffen, und es steht in Wechselbeziehung zu diesen [DIN EN ISO 9004-1, DIN EN ISO 9000]. Das bedeutet, dass sich das QM-System nicht nur auf die Fertigung der Produkte bezieht, sondern alle in Bild 2.20 dargestellten Phasen des Lebenszyklus eines Produkts enthalten sollte. Die Grobstruktur und der Aufbau des QM-Systems sowie die Verantwortlichkeiten werden in einem Qualitätsmanagementhandbuch (QM-Handbuch) beschrieben und dokumentiert. Einzelne Tätigkeiten und Prozesse werden in Verfahrensanweisungen, wie z. B. Arbeitsanweisungen oder Prüfanweisungen festgelegt. Das Ausmaß und die Detaillierung der Dokumentation sollten an die Komplexität der beschriebenen Abläufe angepasst sein. Qualitätsaufteichnungen dienen dazu, die Erfüllung der Qualitätsforderungen und das wirksame Arbeiten des QM-Systems darzulegen (DIN EN ISO 9004-1). Die Analyse der Qualitätsaufzeichnungen leistet einen wichtigen Beitrag, Schwachstellen aufzudecken und daraus Korrekturmaßnahmen und Verbesserungen abzuleiten. Zu den Qualitätsaufzeichnungen können z. B. Prüfberichte, Kalibrierberichte oder Berichte über Qualifikationen, Validierungen und Begutachtungen gehören.

2.5 Qualitätsmanagement

37

Produktdesign und -entwicklung

Bild 2.20: Hauptsächliche qualitätswirksame Tätigkeiten [DIN EN ISO 9004-1, DIN EN ISO 9000]

2.5.2

Qualitätsregelkreise

Die Darstellung der Abläufe im Unternehmen als Prozesse legt es nahe, einen Vergleich zur Regelungstechnik zu ziehen und an die Regelung eines Prozesses mithilfe eines Prozessregelkreises zu denken (Bild 2.21). Die Ausgangsgröße, das heißt die gemessene oder auf andere Weise festgestellte Qualität wird mit der Sollgröße, also den Qualitätsforderungen verglichen und daraus geeignete Maßnahmen zur Qualitätssicherung abgeleitet. Diese kurzfristigen oder langfristigen Qualitätssicherungsmaßnahmen regeln als Stellgröße y den Prozess. Damit können auf den Fertigungsprozess wirkende Störgrößen ausgeglichen werden und eine gleich bleibend hohe Qualität wird erreicht.

.

!

. L-

.

!

. L-

+

: ! :

+

,

. ••

.

kurzfristige Verbesserung langfristige Verbesserung

Bild 2.21: Qualitätsregelkreis [WES97]

Qualität

Stellgröße y

+

SolIgröße

. 1-

2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile

38

Eine häufige Anwendung dieses Qualitätsregelkreises auf Fertigungsprozesse ist die statistische Prozessregelung bzw. Statistical Process Control (SPC). Hierbei werden die in Stichproben gemessenen Qualitätsmerkmale statistisch ausgewertet und die Verteilung der Merkmalswerte in Regelkarten eingetragen (Bild 2.22). Systematische Störungen des Prozesses können damit frühzeitig erkannt und die Prozessparameter entsprechend nachgeregelt werden. Dadurch, dass der Verlauf des Prozesses beobachtet wird, kann präventiv in den Prozess eingegriffen werden und Fehler können bereits im Vorfeld vor ihrem Auftreten vermieden werden. Spätestens, wenn eine der Eingriffsgrenzen überschritten wird, also sich der Prozess einer Toleranzgrenze nähert, wird nachgeregelt. "'ii'i

~

Q)

----------------------------------------------------------------------.

E

~ :ll! :=:

Obere Toleranzgrenze

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -, Obere Eingriffsgrenze

"'ii'i

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a

I----/------.::....::~--:::>..,:::..--.:~-----__:~-

Mittelwert

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Untere Eingriffsgrenze ----------------------------------------------------------------------. Untere Toleranzgrenze

2

3

4

5

6

7

8

Stichprobe

Bild 2.22: Prozessregelkarte

Eine weitere Methode um die Entstehung von Fehlern zu vermeiden, ist die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA). Die unterschiedlichen FMEA-Arten werden vor allem in der Produkt- und Prozessgestaltung eingesetzt, um potentielle Fehlerursache-Fehler-Fehlerfolge-Kombinationen systematisch zu ermitteln. Im Allgemeinen wird zwischen der SystemFMEA Produkt und System-FMEA Prozess (prozess-FMEA) unterschieden. Bei der ProzessFMEA werden die in Bild 2.23 dargestellten Schritte unternommen, um zu verhindern, dass der Kunde ein fehlerhaftes Produkt erhält.

2.5 Qualitätsmanagement

39

..

Bild 2.23: Die fünf Schritte der Prozess-FMEA nach VDA 4

Die Schritte strukturieren das im Folgenden beschriebene Vorgehen zur Durchführung einer Prozess-FMEA nach VDA 4. 1. Systemstrukturierung entlang der wertschöpfenden Prozessschritte bis zur Fertigstellung des Produkts 2. Funktionsanalyse zur Bestimmung der Funktionen (Aufgaben) der einzelnen Prozessschritte 3. Fehleranalyse zur Ermittlung möglicher Fehler, deren Folgen und Ursachen 4. Risikobewertung möglicher Fehler für den Kunden und Festlegung der Bedeutung B der Fehlerfolgen. Zunächst wird durch die Maßnahmenermittlung festgestellt, welche Maßnahmen zur Fehlervermeidung und -entdeckung getroffen wurden. Unter Berücksichtigung dieser Maßnahmen werden anschließend die Auftretenswahrscheinlichkeit A und die Entdeckungswahrscheinlichkeit E der Fehler auf einer Skala von 1 bis 10 bewertet. Durch die Multiplikation dieser drei Faktoren erhält man die Risikoprioritätszahl (RPZ). Anhand der Risikoprioritätszahl sowie der einzelnen Bewertungsfaktoren kann eine erste Einschätzung getroffen werden, welche Herausforderungen zuerst gemeistert werden müssen. 5. Prozessoptimierung mittels Minimierung der Risiken durch Beseitigung der Fehlerursachen, Maßnahmen zur Fehlervermeidung und -entdeckung und erneute Fehleranalyse, um die Wirksamkeit der Maßnahmen zu prüfen . Der relativ hohe Aufwand für die Durchführung einer FMEA wird durch die monetär schwer bewertbaren Vorteile, die sich aus zuverlässigeren Produkten und Prozessen ergeben, mehr als aufgewogen [SCHL009b] .

40

3

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren

Oft besteht die Möglichkeit, ein bestimmtes Werkstück mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren herstellen zu können . Dadurch stellt sich die Aufgabe, das Verfahren auszuwählen, mit dem eine größtmögliche Wirtschaftlichkeit (minimaler Aufwand , maximaler Nutzen) unter Beachtung zahlreicher Kriterien und gegebener Randbedingungen zu erreichen ist. Bei der Verfahrensauswahl ist es wichtig, den ganzen Fertigungsprozess bis zum fertigen Werkstück zu betrachten. Ein Fertigungsverfahren, das losgelöst vom Fertigungsprozess als ungünstig beurteilt wird, kann sich infolge einer geringeren Anzahl von Arbeitsgängen, vor allem bei hohen Stückzahlen, als wirtschaftlicher erweisen. Ein Beispiel für diesen Sachverhalt zeigt Bild 3.1.

Einsatzhärten

Bohrungsschleifen Verzahnungsschleifen

Bild 3.1: Verfahrensvergleich bei der Zahnradfertigung [WES97]

Die Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens wird in der Regel mit Methoden der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung beurteilt. Nicht quantifizierbare Kriterien können durch eine Nutzwertanalyse berücksichtigt werden. Der Einfluss der Unsicherheit von angenommenen Randbedingungen (z. B. Rohstoffpreise, Verkaufspreis, Absatzsituation usw.) sollte mit einer Risiko- und Sensitivitätsanalyse bewertet werden. In den folgenden Abschnitten werden die Vorgehensweise bei der Auswahl von Fertigungsverfahren und einige der zur Verfügung stehenden Bewertungsmethoden erläutert. Es handelt sich allerdings nur um einen Überblick, so dass auf die entsprechende Literatur verwiesen wird [WAR96a, WAR96b, DSTV83, OLF08, KIP04, FIS06, OPP03]. E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_3, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

3.1 Technologischer Variantenvergleich

3.1

41

Technologischer Variantenvergleich

Der Variantenvergleich hat die Aufgabe, aus der Vielzahl der zur Herstellung eines Werkstückes einsetzbaren Verfahrensvarianten diejenige auszuwählen, die eine unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien größte Wirtschaftlichkeit bzw . größte Rentabilität gewährleistet. Der Variantenvergleich ist bei folgenden Entscheidungssituationen durchzuführen: • • • •

Aufnahme neuer Produkte in das Produktionsprogramm Anpassung des Fertigungsablaufs an konstruktive Änderungen des Werkstückes Erweiterung der Kapazität aufgrund gestiegener Absatzerwartungen Ersatz bestehender Verfahren aufgrund technischer Veralterung

Der Variantenvergleich muss systematisch und möglichst frei von intuitiven Entscheidungen durchgeführt werden. Die in mehrere Schritte unterteilte Vorgehensweise ist in dargestellt.

...

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Verfahrenskatalog, Verfahrensentwicklung

1 I I

Methoden und Kriterien

! :

1

Bild 3.2: Vorgehensweise bei der Verfahrensauswahl

Ausgehend von dem zu fertigenden Werkstück werden die für die Herstellung in Frage kommenden Fertigungsverfahren ausgewählt, zusammengestellt und erforderliche Verfahrensentwicklungen berücksichtigt. Die verschiedenen Verfahrensvarianten werden unter Beachtung des gesamten sich jeweils ergebenden Fertigungsablaufs bewertet. Die Bewertung erfolgt mit Hilfe unterschiedlicher Methoden anband vorher festzulegender Bewertungskriterien (Bild 3.3) [BAU87] . Die Bewertungskriterien sind teilweise quantifizierbar; teilweise jedoch nur qualitativ zu beantworten. Einige der Kriterien können sog. Muss-Kriterien sein. Während bei Nichterfüllung eines Muss-Kriteriums die betrachtete Verfahrensvariante gleich scheitert, muss die Erfüllung der Kriterien in einer abschließenden Bewertung gegeneinander abgewogen werden. Die Bewertung führt zur Auswahl eines unter den zugrunde gelegten Randbedingungen optimalen Fertigungsverfahrens.

42

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren

• konstruktive Gestaltung • auftretende Belastung • Werkstoff • Qualität • Produktionsmenge

...

• Werkstoffverbrauch • Energiebedarf • Stückleistung je Zeiteinheit • Flexibilität • Automatisierbarkeit • erreichbare Qualität • Flächenbedarf ...

• • • • • • • • • • •

Rentabilität Investitionsaufwand Kapitalkosten Amortisationszeit wirtschaftliches Risiko vorhandene Fertigungsmitlel vorhandene Gebäude Personal Termine Patent- und Lizenzsituationen erforderliche Neuentwicklungen • mögliche Weiterentwicklung der Technologie

• Arbeitssicherheit • Arbeitsgestaltung • Umweltschutz

...

· ...

Bild 3.3: Einige Bewertungskriterien bei der Verfahrensauswahl

3.2

Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich

3.2.1

Kostenrechnung und Kalkulation

Ein wesentlicher Bestandteil des Variantenvergleichs ist die Ermittlung der Kosten als Basis für den Wirtschaftlichkeitsvergleich. Die Ermittlung der Kosten erfolgt je nach betrieblichen Gegebenheiten mit Hilfe verschiedener Kalkulationsverfahren und dient neben der Verfahrensbeurteilung zur: • • •

Produktauswahl Werkstoffauswahl Preisfindung.

In einem Unternehmen, in dem unterschiedliche Produkte mit unterschiedlichen Stückzahlen gefertigt werden, müssen die Kosten verursachungsgerecht verrechnet werden. Dazu wird heute meist die Zuschlagskalkulation angewendet. Die Zuschlagskalkulation geht von einer getrennten Zurechnung der Einzel- und Gemeinkosten auf die Kostenträger aus. Einzelkosten sind alle Kosten , die einem Kostenträger direkt zugerechnet werden können, wie z. B. Werkstoff, Fertigungslohn und Verpackungsmaterial. Gemeinkosten sind Kosten für Lagerhaltung, Verwaltung, Vertrieb usw. , die indirekt mit Gemeinkostenzuschlägen auf die Kostenträger verrechnet werden. Die geeignete Zuschlagsgrundlage bzw. Bezugsgröße für die Ermittlung der Gemeinkostenzuschläge ist sorgfältig zu wählen. Dabei sollten die Gemeinkosten proportional zur gewählten Bezugsgröße sein. So werden z. B. die Materialgemeinkosten als ein bestimmter Prozentsatz vom Wert des Materials ermittelt; der Wert des Materials bildet dabei die Zuschlagsgrundlage bzw . Basis für diesen Gemeinkostenzuschlag.

43

3.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich

In Abhängigkeit von der Anzahl der Bezugsgrößen werden bei der Gemeinkostenverrechnung die summarische und die differenzierte Zuschlagslcalkulation unterschieden. Bei der summarischen Zuschlagskalkulation wird als Basis für den Zuschlag der Gemeinkosten nur eine Bezugsgröße herangezogen. Als Bezugsgröße werden hier meist der Fertigungslohn, das Fertigungsmaterial oder die Summe aus Fertigungslohn und -material verwendet Die wesentlich genauere differenzierte Zuschlagskalkulation teilt die Gemeinkosten entsprechend ihren Einflussgrößen in mehrere Gemeinkostenarten auf, z. B. in:

• • • •

Materialgemeinkosten Fertigungsgemeinkosten Verwaltungsgemeinkosten Vertriebsgemeinkosten

Als Bezugsgrößen für die Weiterverrechnung dieser Gemeinkosten auf die Kostenträger können im Allgemeinen • • •

Wert des Fertigungsmateria1s Fertigungslöhne Herstellkosten

verwendet werden. Die Selbstkosten lassen sich mit dem in Bild 3.4 dargestellten Schema ermitteln. Fertigungsmaterial Materialgemeinkosten Materialkosten Fertigungslöhne Fertigungsgemeinkosten Fertigungskosten Sondereinzelkosten der Fertigung Herstellkosten Entwicklungs- und Konstruktionskosten Verwaltungsgemeinkosten

!!~}

__-,

Vetriebsgemeinkosten

Selbstkosten

Bild 3.4: Schema der differenzierten Zuschlagskalkulation [WAR96a]

Die bei der differenzierten Zuschlagskalku1ation verwendeten Bezugsgrößen eignen sich in Kostenstellen mit weitgehend automatisierter Fertigung nicht mehr als Basis für die Ermittlung der Fertigungsgemeinkosten, da zu hohe Gemeinkostenzuschläge verrechnet werden müssten und die Gemeinkosten nicht mehr verursachungsgerecht verteilt würden. In diesen Fällen wer-

44

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren

den die Fertigungsgemeinkosten mit Hilfe der Maschinenstundensatz-Rechnung aufgegliedert und als Einzelkosten dem Kostenträger zugerechnet. Maschinenstundensatz-Rechnung Bei der Maschinenstundensatz-Rechnung werden sämtliche durch den Einsatz einer Maschine oder Anlage in einem bestimmten Abrechnungszeitraum verursachten Kosten auf die entsprechende Nutzungszeit bezogen. Die Nutzungszeit (TN) ergibt sich als ein Teil der gesamten Maschinenzeit (Bild 3.5). Während der Nutzungszeit wird die Maschine für einen Kostenträger (Erzeugnis) genutzt. Die Maschine oder die Anlage ist während dieser Zeit an das Stromnetz angeschlossen. Die Nutzungszeit setzt sich aus der Lastlaufteit (Maschine läuft und produziert), der Leerlaufteit (Maschine läuft, produziert aber nicht) und der Hilfszeit (Maschine steht produktionsbedingt vorübergehend still) zusammen. Die Instandhaltungszeit dient zur Wartung oder Instandhaltung der Maschine und kann nicht zur Produktion genutzt werden. Während der Ruhezeit ist die Maschine abgeschaltet.

.. Hilfszeit THZ Leerlaufzeit TLE Lastlaufzeit

TLA Bild 3.5: Aufteilung der gesamten Maschinenzeit [WAR96a]

Die Kosten, die einer Maschine oder Anlage direkt zugeordnet werden können, setzen sich aus folgenden Anteilen zusammen: • Kalkulatorische Abschreibungen Die kalkulatorischen Abschreibungen (K)) werden unter Berücksichtigung des geltenden Wiederbeschaffungswertes (einschließlich Aufstellungs- und Anlaufkosten) und der voraussichtlichen Nutzungsdauer bestimmt. • Kalkulatorische Zinsen Die kalkulatorischen Zinsen (K2) werden meist in Höhe der üblichen Zinssätze für langfristiges Fremdkapital angesetzt. Zur Vereinfachung der Rechnung und der Vergleichbarkeit verschiedener Perioden werden die Zinsen vom halben Wiederbeschaffungswert der Anlage berechnet.

3.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich

45

• Raumkosten Die Raumkosten (K3) werden auf die von der Maschine beanspruchte Grundfläche einschließlich aller Nebenflächen bezogen. Sie enthalten Abschreibungen und Zinsen auf Gebäude und Werkanlagen, Instandhaltungskosten fiir Gebäude, Kosten fiir Licht, Heizung, Versicherung und Reinigung. • Energiekosten Die Energiekosten <:1<4) fiir den Betrieb der Maschine oder Anlage enthalten Kosten fiir Strom, Gas, Wasser usw. und werden durch Erfassen des jeweiligen Bedarfs über einen längeren Zeitraum hinweg ermittelt. • Instandhaltungskosten Die Instandhaltungskosten (Ks) können als Jahresdurchschnittswerte über längere Zeiträume hinweg ermittelt und mit Hilfe geeigneter Kennzahlen (z. B. Verhältnis der Instandhaltungskosten zu Abschreibungen) berücksichtigt werden.

Der Maschinenstundensatz (KMH) berechnet sich aus der Summe der Kosten (KJ und der Nutzungszeit (TN ) nach folgender Formel: [€/h]

mit

n= 1...5,

(3.1)

wobei die verschiedenen Kosten in Euro und die Nutzungszeit in Stunden fiir denselben Zeitraum (z. B. ein Jahr) eingesetzt werden. Bei zusammenhängenden Fertigungsanlagen bzw. Fertigungslinien werden die Kosten fiir die gesamte Anlage erfasst und verrechnet.

3.2.2

Wirtschaftlichkeitsrechnung

Die Wirtschaftlichkeitsrechnung wird als eine Rechnung definiert, bei der anband bestimmter Wirtschaftlichkeitskriterien einzelne Bereiche eines Betriebes untereinander oder mit anderen Betrieben verglichen werden. Generell unterscheidet man zwischen zwei Formen: Das betriebliche Rechnungswesen, welches auf der einen Seite das Unternehmen als solches mit anderen vergleicht, aber auch interne Untersuchungen zwischen Systemeinheiten anstellt. Auf der anderen Seite steht die Investitionsrechnung, welche in einem Unternehmen in vielen verschiedenen Formen zur Anwendung kommt. Sie wird zur Beurteilung von vorgesehenen Investitionen, zur Beantwortung von Fragen wie Wahl der optimalen Losgröße bzw. optimalen Beste11menge, Beurteilung von Einschicht- oder Mehrschichtbetrieb, Eigenfertigung oder Fremdbezug, Kauf oder Miete herangezogen. In den Bereichen Planung, Entwicklung und Produktion wird sie zum Vergleich der Betriebsmittel und der Verfahren eingesetzt. Diese Bewertung erfolgt mit Hilfe von Methoden, wie den statischen Verfahren der Wirtschaftlichkeitsrechnung: •

die Kostenvergleichsrechnung

•

die Gewinnvergleichsrechnung

•

die Rentabilitätsrechnung

•

die Amortisationsrechnung

46

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren

Diese Ansätze dienen immer zur Lösung zweier Problemstellungen, Wahl- und Ersatzproblem. Beim Wahlproblem werden die Kosten mehrerer Alternativen miteinander verglichen, die im Hinblick auf andere Kriterien als gleichwertig beurteilt werden. Im Rahmen des Ersatzproblems soll entschieden werden, ob eine bereits vorhandene Anlage durch eine neue ersetzt werden soll (Rationalisierung). Dabei werden die gegenwärtigen Kosten (d. h. die Kosten vor der Investition) mit den Kosten, die sich nach der Investition ergeben, verglichen. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen können sowohl statische als auch dynamische Verfahren eingesetzt werden, wobei im Folgenden nur auf die statischen Verfahren eingegangen wird. Statische Verfahren:

Die statischen Rechenmethoden unterscheiden sich von den dynamischen dadurch, dass zeitliche Unterschiede beim Anfall der Kosten, Erträge und des Kapitaleinsatzes nicht berücksichtigt werden. Die Ergebnisse werden nur für einen bestimmten Bezugszeitraum berechnet und können von Zeitraum zu Zeitraum sehr unterschiedlich ausfallen. Die statischen Verfahren sind sehr einfach durchzuführen und daher in der Praxis weit verbreitet, vor allem dort, wo: • • •

eine schnelle und einfache Wirtschaftlichkeitsrechnung durchgeführt werden soll über Investitionen geringerer Bedeutung entschieden wird sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen

Kostenvergleichsrechnung Die Kostenvergleichsrechnung liefert keinen absoluten Maßstab für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer Investition. Sie kann lediglich zur Auswahl einer von mehreren Alternativen herangezogen werden. In die Rechnung sind alle Kosten einzubeziehen, die während der Nutzungsdauer entstehen. Werden Investitionsobjekte mit gleicher mengenmäßiger Leistung verglichen, genügt die Betrachtung der Gesamtkosten pro Periode. Bei Alternativen mit unterschiedlicher Produktionsleistung müssen jeweils die Kosten je Leistungseinheit (z. B. je Stück) verglichen werden. Als Beispiel wird in Tabelle 3.1 ein Stückkostenvergleich zweier Anlagen mit unterschiedlicher Produktionskapazität, jedoch gleicher Auslastung dargestellt. Wie aus der Tabelle 3.1 ersichtlich ist, bietet die kapitalintensive Anlage 1 gegenüber der lohnintensiven Anlage 2 eine höhere Produktionskapazität. Es stellt sich oft die Frage, ab welcher Stückzahl eine Alternative günstiger wird. Eine solche Grenzmengenrechnung kann sowohl rechnerisch als auch graphisch erfolgen. Da am kritischen Punkt Gleichheit der Gesamtkosten beider Alternativen verlangt wird, ergibt sich die Grenzstückzahl Sgrenz nach: Sgrenz =

mit:

FK 1,2: VK 1,2:

(FK2 - FK 1)

/ (VK1 -

VK 2)

fixe Kosten/Jahr der Anlage 1 bzw. 2 variable Kosten/Stück der Anlage 1 bzw. 2

(3.2)

3.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich

47

Tabelle 3.1: Beispiel eines Stückkostenvergleichs [WAR96b]

1 2 3 4 5 6 7 8

Anschaffungswert Nutzungsdauer Kapazität Auslastunq kalk. Abschreibungen (linear) kalk. Zinsen (Pk 10 %) sonst. fixe Kosten Summe der fixen Kosten

9 10 11 12 13 14 15

fixe Kosten le LE Löhne und Lohnnebenkosten Materialkosten Energiekosten sonst. variable Kosten Summe der variablen Kosten Summe der Kosten je LE

=

LE

(€) (Jahre) (LEIJahr) (LEIJahr)

Anlage I

Anlage 11

50000 8 17000

25000 8 15500 11000 3125 1250 300

11 000

(€IJahr) (€/Jahr) (€IJahr)

6250 2500 500

(€IJahr) (€/LE) (€/LE) (€ILE) (€/LE) (€ILE) (€/LE) (€ILE)

9250 0,84 0,20 0,05 0,03 0,05 0,33 1,17

4675 0,43 0,45 0,05 0,08 0,10 0,68 1,11

=Leistungseinheit

In Bild 3.6 ist der Verlauf der Produktionskosten beider Varianten aus F mit der kritischen Produktionsmenge (Grenzstückzahl) graphisch dargestellt.

Gewinnvergleichsrechnung Bei der Gewinnvergleichsrechnung wird der jährliche Gewinn mehrerer Investitionen verglichen (Wahlproblem) oder bei einer Erweiterungs- oder Ersatzinvestition der Gewinn vor Durchführung einer Investition dem erwarteten Gewinn nach der Durchführung der Investition gegenübergestellt (Ersatzproblem). Allgemein erfolgt die Gewinnvergleichsrechnung als Gegenüberstellung von Ertrags- und Kostendifferenzen nach: G = (EI - K I) - (Ez - K2) mit:

G: E I ,2: K I ,2 :

(3.3)

Gewinn Erträge der Investitionen 1 bzw. 2 Kosten der Investitionen I bzw. 2

Die Gewinnvergleichsrechnung ermöglicht keine Beurteilung des Kapitaleinsatzes. Sie kann nur den Überschuss einer Investition ermitteln.

Rentabilitätsrechnung Die Rentabilitätsrechnung baut auf den Zahlen der Kostenvergleichs- oder Gewinnvergleichsrechnung auf und wird deshalb in der Praxis immer im Zusammenhang mit diesen beiden Rechnungen durchgeführt. Ziel der Rechnung ist die Bestimmung der Rentabilität einer Investition als Verhältnis aus durchschnittlichem Gewinn einer Investition und dem dafür durchschnittlich eingesetzten Kapital (mit Berücksichtigung der kalkulatorischen Zinsen).

48

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren

20000-r-----.....,....-------r-----.,.......-r------,

!!!: c:

15000

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Gesamlkosten Alternative I

10 000 -t-----=.-..."""""'=-

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5000

5000

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Produktionsmenge [Stück

Kritische Produktionsmenge ( Grenzstückzahl FK 1,2 = fixe Kosten/Jahr ....

20000

I

Sgrenz) Sgrenz

=(FK2 • FK 1) / (VK 1 • VK2)

VK 1,2 = Variable Kosten/Jahr der Anlage 1,2

Bild 3.6: Ermittlung der kritischen Produktionsmenge [WAR96b]

Die Rentabilitätsberechnung erfolgt nach: R = (G/KE)' 100 mit:

R: G: KE:

[%/Jahr]

(3.4)

Rentabilität durchschnittlicher Gewinn pro Jahr durchschnittlicher Kapitaleinsatz

Bei der Rentabilität besteht die Möglichkeit, die Investitionsobjekte an einer innerbetrieblich festgelegten Mindestrentabilität (z. B. als Muss-Kriterium beim Variantenvergleich) zu messen.

Amortisationsrechnung Ziel der Amortisationsrechnung ist die Ermittlung des Zeitraumes, in dem das eingesetzte Kapital über die Erträge wieder gewonnen wird. Die Amortisationszeit bzw. -dauer ist definiert als das Verhältnis von Kapitaleinsatz für eine Investition und dem durchschnittlichen jährlichen Rückfluss nach: AZ=KE/RF mit:

AZ: KE: RF:

[Jahre]

(3.5)

Amortisationszeit Kapitaleinsatz jährlicher Rückfluss

Der jährliche Rückfluss setzt sich aus dem Gewinn, aus den durch die kalkulatorischen Abschreibungen freigesetzten Mitteln und aus den kalkulatorischen Zinsen für Eigenkapital zusammen. Als Grundvoraussetzung jeder wirtschaftlich sinnvollen Investition muss die Amortisationszeit kürzer als die Nutzungsdauer sein. Mit Hilfe der Amortisationszeit lässt sich das wirtschaftliche Risiko der Investition beurteilen. Je kürzer die Amortisationszeit, umso geringer ist das Risiko.

49

4

Werkstoffe

Die ganzheitliche Produktbetrachtung spielt heute in der Fertigung eine immer wichtigere Rolle. Hierbei ist der gesamte Lebenszyklus eines Produktes, von der Rohstoffgewinnung über den Produktgebrauch bis hin zum Recycling zu betrachten. Der industrielle Leichtbau tritt heutzutage zusehends in den Vordergrund, vor allem im Flugzeug-, Fahrzeug- und Schiffsbau. Um eine gewichts- und kostengünstige Fertigung zu erreichen, werden drei Zielgrößen angestrebt: Konstruktionsleichtbau durch belastungsgerechte Konstruktionen, Sandwichbauweise, Techniken wie wölbstrukturierte Bleche und Tailored Blanks. Fertigungsleichtbau mit werkstoftkonzeptangepassten Fügetechniken, wie das Laserschweißen, das Kleben sowie umformtechnische Fügeverfahren (siehe hierzu Kapitel 5.4 Fügen). Werkstoffleichtbau durch die Wahl geeigneter Werkstoffe (Leichtbauwerkstoffe, Verbundwerkstoffe, Materialmix).

Neben konstruktiven Maßnahmen und der Wahl geeigneter Fertigungsverfahren ist der Werkstoff und das Zusammenspiel aus diesen drei Disziplinen innerhalb der Ingenieurswissenschaften heute ein entscheidender Faktor für den Erfolg eines Produktes. In diesem Kapitel werden deshalb die einzelnen Werkstoffgruppen, deren Eigenschaften und Bedeutung sowie deren Verbundmöglichkeiten näher beschrieben.

4.1

Metallische Werkstoffe

Die Einteilung der Elemente in Metalle, Halb- und Nichtmetalle kann nach der elektrischen Leitfähigkeit erfolgen. Metalle besitzen eine verhältnismäßig hohe elektrische Leitfähigkeit, die mit steigender Temperatur abnimmt. Halbmetalle sind mit bei steigender Temperatur zunehmender Leitfähigkeit halbleitend. Nichtmetalle sind elektrische Isolatoren. Die Ionisierungsenergie der Metallatome ist niedrig « 10 eV). Sie bilden leicht positive Ionen. Die Schmelzpunkte sind sehr unterschiedlich. Sie reichen von -39°C von Quecksilber bis 3380 °C von Wolfram und ändern sich mit steigender Ordnungszahl periodisch. Die metallischen Eigenschaften bleiben im flüssigen Zustand erhalten und gehen erst im dampfförmigen Zustand verloren. Sie sind an die Existenz größerer Atomverbände gebunden [RIE08]. Die metallischen Werkstoffe kommen in der Technik meist als Legierungen zur Anwendung. Durch die Legierungsbildung können die Eigenschaften der reinen Metalle in eine erwünschte Richtung (z. B. höhere Festigkeit) verändert werden. Als Legierung wird ein Werkstoff mit überwiegend metallischem Charakter bezeichnet, der aus mindestens zwei Komponenten beE. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_4, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

4 Werkstoffe

50

steht. Das Legierungselement kann im Metallgitter gelöst sein (einphasige Legierung, Mischkristall) oder bei begrenzter Löslichkeit mit dem Basismetall eine legierungsreichere zweite Phase bilden. Einphasige Legierungen verhalten sich ähnlich wie das Basismetall. Die Eigenschaften zwei- oder mehrphasiger Legierungen weichen dagegen von denen des Basismetalls deutlich ab. Der Verwendungszweck erfordert eine richtige Werkstoffauswahl, wozu eine genaue Kenntnis der Werkstoffeigenschaften unerlässlich ist. Nachfolgend werden einige Eigenschaften von Metallen behandelt.

Mechanische Eigenschaften Bei Metallen am häufigsten auftretenden Kristallgittertypen sind das kubisch-flächenzentrierte (kfz), das kubisch-raumzentrierte (krz) und das hexagonale (hdp) Gitter (Bild 4.1). Das kfzGitter ist wie das hdp-Gitter ein System mit dichtester Kugelpackung. Beide Systeme unterscheiden sich lediglich in der Reihenfolge, in der die am dichtesten mit Atomen belegten Netzebenen übereinander geschichtet sind. Die Metalle decken ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften ab, eine charakteristische Kenngröße stellt z. B. das E-Modul dar.

kubisch - flächenzentrIert:

kubisch - raumzentriert:

hexagonal:

14 Gitteratome 4 Gleilebenen ] 3 Gleilrichtungen

9 Gitteratome

6 Gleilebenen ] 12 Gleitsysteme 2 Gleilrichtungen

12 Gitteratome 1 Gleitebene l 3 Gleilrichtungen 3 Gleitsysteme

Beispiele: Fe, W,Mo

Beispiele: Mg, Zn, Cd, Be, TI

12 Gleitsysteme

Beispiele: AI, Pb, Cu, Ag, Au, Fe

J

Bild 4.1: Gittertypen von Metallen

Thermische Eigenschaften In Metallen erfolgt der Wärmetransport im Wesentlichen durch Elektronen. Gitterstörungen streuen Elektronen und verschlechtern deshalb das Wärmeleitvermögen.

Bei den thermischen Eigenschaften von Metallen stehen Wärmeleitung und Wärmeausdehnung im Vordergrund. Die Wärmeleitung kann auf die Bewegung sog. Phononen im Werkstoffgitter zurückgeführt werden. Phononen sind die gequantelte Energie elastischer Gitterschwingungen, die durch die thermisch bedingten Teilchenbewegungen verursacht werden. Der Transport der thermischen Schwingungsenergie erfolgt über die Gitterbindungen von wärmeren in kältere Gitterbereiche. Ebenso wie die Elektronenbewegung wird auch die Bewegung der Phononen durch Störungen im Gitteraufbau des Werkstoffes behindert. Daher besteht zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitung ein enger Zusammenhang. Die Wärmeausdehnung hängt mit der Amplitude der Atomschwingung im Gitter zusammen. Die Atome brauchen mit steigender Temperatur und damit wachsender Amplitude ein größeres Leervolumen, die

4.1 Metallische Werkstoffe

51

Bindungen werden gelockert. Bei starken Bindungen der Atome im Gitter wird die Teilchenbewegung behindert, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes kleiner wird. Entsprechend lässt sich ein Zusammenhang zwischen hohen Schmelztemperaturen und niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten beobachten.

Elektrische Eigenschaften Die elektrische Leitfähigkeit der Metalle beruht auf der Beweglichkeit der Valenzelektronen im Metallverband. Diese Leitungselektronen erfahren auf ihrem Weg durch das Gitter einen Bewegungswiderstand, so dass ein Elektronenstrom nur mit Hilfe eines Potentials einer Spannungsquelle fließen kann. Der elektrische Widerstand ist auf den Bewegungswiderstand der Leitungselektronen zurückzuführen und setzt sich aus zwei unterschiedlichen Anteilen zusammen, einem temperaturabhängigen thermischen Anteil (thermisch bedingte Vibration des Gitters) und einem durch Gitterdefekte verursachten Anteil. Das gute Leitvermögen von metallen beruht auf der großen Anzahl frei beweglicher Elektronen. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur und zunehmender Konzentration an Gitterfehlern ab. Dabei wirken in fester Lösung befindliche Fremdatome und kohärente Ausscheidungen wesentlich stärker als inkohärente Ausscheidungen, Korngrenzen oder Versetzungen.

Magnetische Eigenschaften Eine Sonderform des Paramagnetismus, auf der die technische Bedeutung magnetischer Stoffeigenschaften beruht, ist der Ferromagnetismus [BAR08]. In ferromagnetischen Materialen (wie Eisen, Nickel und Kobalt) bewirken magnetische Dipole eine hohe Verstärkung des äußeren Feldes und erzeugen eine große Magnetisierung und Flussdichte. Die Magnetisierung bleibt nach dem Entfernen des Magnetfeldes bestehen. Bei Überschreiten der Curletemperatur verschwindet Ferromagnetismus.

Chemische Eigenschaften Zu den chemischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe gehört das Korrosionsverhalten. Korrosionsvorgänge sind stets Phasengrenzreaktionen. Sie laufen an der Phasengrenze der Metalle zu einem flüssigen oder gasförmigen Medium als elektrochemische Prozesse ab. Die relativ instabilen metallischen Bindungen, die den Werkstoffzusammenhalt bewirken, werden dabei zugunsten stabilerer nichtmetallischer Bindungszustände (z. B. Ionenbindung) aufgegeben.

4.1.1

Eisenwerkstoffe

Als Eisenwerkstoffe werden Metalllegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher als der jedes anderen Legierungselementes ist [Ber08]. Das bedeutendste Element ist Kohlenstoff. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen werden in Stähle und Eisengusswerkstoffe unterteilt. Der Kohlenstoffgehalt der Stähle liegt unterhalb 2 %, der der Eisengusswerkstoffe liegt über 2 % und meistens unter 4,5 %. Beide Gruppen weisen zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während sich die Stähle im Allgemeinen für die umformenden Verfahren eignen, erfolgt die Formgebung bei Gusswerkstoffen durch Urformen. Durch Wär-

52

4 Werkstoffe

mebehandlung lässt sich die Festigkeit von Stählen erheblich vergrößern, ihre Verformbarkeit nimmt dabei allerdings ab.

Stähle Um die Eigenschaften gezielt zu beeinflussen, werden Stähle mit verschiedenen Elementen legiert. Je nach Legierungsgehalt wird zwischen niedriglegierten (Legierungsgehalt < 5 Gew.-%) und hochlegierten (> 5 Gew.-%) Stählen unterschieden. Die Legierungselemente Cr, Cu, Mn, Mo, Ni und Werhöhen die Festigkeit von Stählen. Co, Mo und V verbessern die Warmfestigkeit. Bei Cr-Gehalten von über 12 % werden Stähle rostbeständig. Aluminium wird in Nitrierstählen verwendet, da es mit Stickstoff Nitride hoher Härte bildet. Schwefel macht den Stahl spröde und bruchig. In Automatenstählen bewirkt ein geringer Schwefelzusatz (0,3 %) die Bildung kurzer Späne. Kohlenstoff erhöht mit steigendem Gehalt die Festigkeit und die Härtbarkeit. Dagegen werden Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und spannende Bearbeitbarkeit mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt verringert.

Eisengusswerkstoffe Die wichtigsten Eisengusswerkstoffe sind Gusseisen mit Lamellengraphit (GI), Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) und Temperguss (GT). Stahlguss (GE) gehört mit seinen Eigenschaften und einem Kohlenstoffgehalt unter 2 % zu den übrigen Stahlwerkstoffen. Beim GJ ist der als Graphit ausgeschiedene Kohlenstoffanteil lamellar angeordnet. Durch seine geringe mechanische Festigkeit beteiligen sich die Graphitlamellen nicht an der Kraftübertragung, sondern wirken wie Hohlräume, die den tragenden Querschnitt verringern und Spannungskonzentrationen infolge Kerbwirkung hervorrufen. Die Ausbildung des Graphits in Kugelform führt gegenüber GJ zu einer bedeutenden Erhöhung der Festigkeit und der Zähigkeit. Die globulare Ausbildung des Graphits wird durch Impfen der Schmelze mit Magnesium erreicht. Die Eigenschaften von GJS liegen zwischen denen des GJ und denen des Stahls. Das Dämpfungsvermögen von GJS ist geringer als das von GJ. Teile mit komplizierter Form, die eine hohe Zähigkeit, Schlagfestigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit, sowie Schweißbarkeit aufweisen müssen, werden aus Temperguss hergestellt. Beim GT wird der Kohlenstoffgehalt so eingestellt, dass der Werkstoff graphitfrei erstarrt, d. h. der gesamte Kohlenstoff im Zementit gebunden ist. Bei einer anschließenden Glühbehandlung zerfallt der Zementit restlos.

4.1.2

Nichteisenmetalle

Während sich bei den Eisenlegierungen die Verfahren zur Erzeugung gewünschter Gefügestrukturen und Eigenschaften sehr älmeln, trifft man bei den Nichteisenmetallen auf eine Vielfalt von Materialgruppen, die sich in Struktur und Eigenschaften sehr unterscheiden und auch unterschiedliche Herstellungstechnologien erfordern. Die Schmelztemperaturen variieren zwischen annähernd Raumtemperatur für Gallium bis über 3000 °C für Wolfram. Die Festigkeitswerte überdecken einen Bereich von ca. 10 Nzmnr' bis über 1500 Nzmnr'. Nichteisenmetalle werden nach ihrer Dichte in Leichtmetalle (z. B. Aluminium, Magnesium und Beryllium) und Schwermetalle (z. B. Blei und Wolfram) eingeteilt. Von technischer Bedeutung sind folgende Nichteisenmetalle und ihre Legierungen.

4.1 Metallische Werkstoffe

53

Aluminium Aluminium ist nach Stahl der meist verwendete Werkstoff. Diese Stellung besitzt das Aluminium aufgrund des günstigen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte, der Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Leitfähigkeit. Die Zugfestigkeiten bestimmter Legierungen erreichen fast die Zugfestigkeit von Stahl bei nur 1/3 des Stahlgewichtes. Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf Bildung einer natürlichen oxidischen Deckschicht. Anwendungsbeispiele für AILegierungen sind: Elektrische Komponenten, Folien, Nahrungsmitteltechnik, Getränkedosen, Architekturelemente, Schweißzusatzmaterial, Schiffsbauteile, Lastwagenräder, Kraftwagenmotoren, Außenhaut von Flugzeugen, Flugzeugrümpfe, Getriebegehäuse, Kolben, Kesselwagen und Kochgeschirr. Die Legierungen werden unterschieden in Al-Knet- und -Gusslegierungen. Eine Reihe von AlKnetlegierungen lassen sich warm oder kalt aushärten. Das Aushärten führt zu einer Festigkeitssteigerung bei gleichem Verformungsvermögen. Die nicht aushärtbaren Al-MgLegierungen lassen sich gut kaltverformen und in Verbindung mit Silicium gut schweißen. Das wichtigste Legierungselement der Al-Gusslegierungen ist das Silicium. Eutektische AI-SiLegierungen besitzen gute Festigkeitseigenschaften und eine ausgezeichnete Gießbarkeit. Mit Magnesium und Kupfer sind diese Legierungen ebenfalls aushärtbar.

Magnesium Magnesium besitzt die geringste Dichte aller metallischen Werkstoffe bei gleichzeitig mittleren Festigkeitseigenschaften (Bild 4.2). Die hohe chemische Reaktionsfähigkeit des Magnesiums erfordert Schutzmaßnahmen für die einzelnen Fertigungsverfahren. Das hohe elektronegative Potential macht trotz der oxidischen Deckschicht Korrosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Die hexagonale Gitterstruktur des Magnesiums ermöglicht nur geringe Verformungen. Oberhalb der Temperatur von 220 "C nimmt die Verformbarkeit sprunghaft zu. Größere Verformungen müssen deshalb oberhalb dieser Temperatur erfolgen. Unlegiertes Magnesium besitzt als Konstruktionswerkstoff kaum Bedeutung. Festigkeit und Verformbarkeit des Magnesiums lassen sich durch Legieren mit Aluminium und Zink verbessern. Zudem erhöht Mangan die Korrosionsbeständigkeit. Die Legierungen werden überwiegend zum Gießen verwendet. Magnesium ist hervorragend zerspanbar. Zu ihren Anwendungsgebieten zählen Bauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik, in Hochgeschwindigkeits- und Transporteinrichtungen sowie Handhabungsgeräten.

Beryllium Beryllium hat eine hohe spezifische Festigkeit, die im Vergleich zu Aluminium und Magnesium weniger mit zunehmender Temperatur abfallt; es ist ungewöhnlich steif (Bild 4.2). Beryllium hat hdp-Struktur und seine Duktilität bei Raumtemperatur ist nur gering. Beryllium ist spröde, reaktiv und giftig. Das begrenzte Erzvorkommen und die aufwendige Herstellungstechnologie bestimmen den hohen Preis des Metalls. Wenn es an Luft hohen Temperaturen ausgesetzt wird, reagiert es schnell zu BeO. BeO kann krebserregend wirken, so dass in Umgang mit Beryllium besondere Sorgfalt und eine spezielle Ausrüstung erforderlich sind. Anwendungsbeispiele sind Messgeräte (Trägheitsnavigationssysteme, in denen nur minimale elastische Verformungen auftreten dürfen), Bauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik und strahlungsdurchlässige Fenster in der Kerntechnik.

54

4 Werkstoffe

Titan Titan vereinigt hohe Festigkeit mit geringer Dichte und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Dieser ungewöhnlich günstigen Eigenschaftskombination verdankt es eine weitreichende Verwendung trotz seines hohen Preises. Unlegiertes Titan «X.- Titan) besitzt bei Raumtemperatur eine hexagonale Gitterstruktur und ist daher nur mäßig kaltverformbar. Es ist ein unedles Metall mit einer hohen Affinität zum Sauerstoff. Daraus resultiert, dass es in einer oxidierenden Umgebung eine fest haftende, sehr resistente Oxidschicht bildet. Diese ist Träger der Korrosionsbeständigkeit. Titan bildet Mischkristalle, die einige Prozent Sauerstoff enthalten können. Dies führt bei Warmformgebung an Luft zu einer Sauerstoffaufnahme der Oberfläche. Bei Werkstücken, die ohnehin spanabhebend bearbeitet werden müssen, kann die versprödete Schicht entfernt werden. Kleinere Teile und geringe Querschnitte müssen im Vakuum oder unter Edelgas als Schutzgas wärmebehandelt werden. Schweißen ist ebenfalls nur unter Edelgas oder im Vakuum möglich. Titan ist ein zäher und daher schwer zerspanbarer Werkstoff.

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Durch verschiedene Legierungszusätze kann sowohl die 200 400 600 hdp- als auch die krz-Gitterstruktur des Titans begünstigt Temperatur (0C) werden. Damit lassen sich sowohl hexagonale, kubischraumzentrierte als auch mehrphasige Legierungen des Ti- Bild 4.2: Vergleich der Festig- und Steifigkeit als Funktion tans verwirklichen. Titanlegierungen reagieren sehr wirkder Temperatur [BAS03] auf Verfestigung durch Aushärten und Abschrecksam Anlass-Behandlungen. Wegen seines hohen Korrosionswiderstandes eignet sich Titan sehr gut für Chemie- und Schiffsausriistungen und für medizinische Implantate. Es ist auch ein wichtiger Werkstoff der Luft- und Raumfahrttechnik und fmdet Anwendung in Flugzeugriimpfen und Strahltriebwerken. Mit Niob bildet es eine supraleitende Substanz, mit Nickel eine Legierung mit Formgedächtniseffekt und mit Aluminium eine neue Klasse von intermetallischen Verbindungen, die in vielen Einsatzgebieten zur Anwendung kommt, so unter anderem in Gasturbinen und im modemen Flugzeugbau.

Kupfer Kupfer und seine Legierungen bilden hinsichtlich der technischen Verwendung nach Eisen und Aluminium die wichtigste Gruppe metallischer Werkstoffe. Der Grund liegt zum einen in der hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit des reinen Kupfers, zum anderen in der Korrosionsbeständigkeit, der hohen Festigkeit und hervorragenden Verformbarkeit vieler Kupferlegierungen. Kupferlegierungen sind schwerer als Eisen. Obwohl die Streckgrenze einiger Legierungen hoch liegt, haben sie eine geringere spezifische Festigkeit als Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Anderseits besitzen Kupferlegierungen eine größere Ermüdungs-,

4.1 Metallische Werkstoffe

55

Kriech- und Verschleißfestigkeit als A1uminium- oder Magnesiumlegierungen. Ein besonderes Merkmal von Kupferlegierungen ist ihre ausgezeichnete Duktilität. Auf Kupferlegierungen sind alle vorangehend behandelten Verfestigungsmechanismen anwendbar. Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Fähigkeit des Kupfers, in verschiedenen Umgebungen schützende Deckschichten auszubilden. Es ist beständig gegen Luftfeuchtigkeit, Heißwasser und manche Säuren. Kupfer lässt sich gut löten und ist mit allen Verfahren schweißbar. Ihre Anwendung erstreckt sich von der Elektronik über die Energieerzeugung und -übertragung bis zur chemischen Anlagentechnik. Messinge sind Legierungen von Kupfer mit Zink. Festigkeit und Härte der Messinge steigen mit dem Zn-Gehalt. Die Cu-Zn-Legierungen sind bis zu einem Anteil von 37 % Zn einphasige homogene Legierungen. Bis zu dieser Zusammensetzung bleibt die kfz-Gitterstruktur des Kupfers erhalten. Reine n-Messinge eignen sich daher besonders für die spanlose Formgebung. Sobald die Zusammensetzung einen Anteil von 37 % Zn überschreitet, entsteht (a+ß)-Messing. Die krz-Phase bewirkt einen raschen Abfall der Zähigkeit der Legierungen bei gleichzeitig weiter ansteigender Härte. Eine geringere Zähigkeit und die Heterogenität des Gefiiges sind für die spanabhebende Bearbeitung günstig. Bronzen sind Legierungen aus Kupfer und Zinn. Sie weisen gegenüber Cu-Zn-Legierungen eine höhere Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Legierungen mit einem Anteil von 8 % Sn werden als Knetlegierungen verwendet. Mit höherem Sn-Gehalt nimmt der Anteil der (>-Phase im Gefiige zu, wodurch Verschleißfestigkeit und Sprödigkeit ansteigen. Die Formgebung erfolgt überwiegend durch Gießen. Gussbronzen mit 12 -14 % Sn-Anteil werden für hoch beanspruchte Teile wie Zahnräder verwendet. Als Rotguss werden Mehrstoffzinnbronzen bezeichnet, die außer Zinn zusätzlich Zink und Blei enthalten.

Nickel und Kobalt Nickel- und Kobaltlegierungen werden technisch vor allem wegen ihrer hohen Korrosions- und Temperaturbeständigkeit genutzt, wobei ihr hoher Schmelzpunkt und ihre große Festigkeit von Vorteil sind. Nickel besitzt kfz-Struktur und ist gut verformbar. Kobalt zeigt allotropes Verhalten mit einer kfz-Struktur oberhalb 417°C und einer hdp-Struktur im darunter befmdlichen Temperaturbereich. Spezielle Kobaltlegierungen kommen wegen ihrer außergewöhnlich hohen Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Körperflüssigkeiten in Prothesen zur Anwendung. Typische Anwendungsbeispiele sind: Ventile, Pumpen, Wärmetauscher, Wellen, Federn, Laufräder, Ofenausrüstungen, Gasturbinen, abrieb- und korrosionsfeste Teile. Nickel gehört zu den hochschmelzenden Schwermetallen. Seine Korrosionsbeständigkeit ist die wichtigste Eigenschaft. Nickel ist der eigentliche Träger der Korrosionsbeständigkeit galvanisch verchromter Eisenwerkstoffe. Die Chrom-Überzüge, die feine Risse und Poren besitzen, dienen vorwiegend dem Dekor. Die ebenfalls galvanisch aufgebrachte NickelZwischenschicht, die sich unterhalb der Chromschicht befmdet, ist dagegen weitgehend porenfrei. Nickellegierungen weisen auch einige spezielle Eigenschaften auf. Hierzu zählt ihr ferromagnetisches Verhalten, das sie für Verwendung in Permanentmagneten geeignet macht. Die NiTi(50 %)-Legierung besitzt den Formgedächtniseffekt. Die als Invar bekannte Ni-Fe(36 %)Legierung dehnt sich bei Erwärmung kaum aus, was bei der Herstellung von Bimetallstreifen Anwendung findet.

56

4 Werkstoffe

Nickel besitzt zahlreiche Legierungssysteme. Der häufigste Legierungszusatz ist Mangan. Er bewirkt eine Festigkeitssteigerung bei gleicher Korrosionsbeständigkeit. Als natürliche Legierung wird eine Legierung aus 67 % Ni, 30 % Cu und den Restelementen Fe und Mn bezeichnet, da Nickel und Kupfererze in Lagerstätten gemeinsam vorkommen. Diese, auch als MonellMetall bezeichnete Legierung, ist äußerst korrosionsbeständig gegen aggressive Chemikalien. Ni-Cr-Legierungen sind Ausgangswerkstoffe für zahlreiche warmfeste Legierungen. Zusätze von Titan und Aluminium machen die Legierung aushärtbar. Sie werden in der chemischen Industrie aber auch in Kraftwerken eingesetzt. Superlegierungen sind Ni-, Fe-Ni- und Co-Legierungen mit hohen Legierungsanteilen, die ein durch große Temperaturfestigkeit, hohen Kriechwiderstand bis zu Temperaturen von 1000 °C und hohe Korrosionsbeständigkeit geprägtes Eigenschaftsprofil ergeben. Zu den typischen Anwendungen zählen Turbinenschaufeln, Wärmeaustauscher, Bauteile von Chemieanlagen und Ausrüstungen für Wärmebehandlungen.

Zink- und Zinklegierungen Zink ist ein niedrig schmelzendes Schwermetall mit guten Gießeigenschaften. Die physikalischen Eigenschaften eines Zinkkristalls wie Elastizitätsmodul und thermische Ausdehnung sind anisotrop. Die unterschiedlichen Eigenschaften in verschiedenen Kristallrichtungen wirken sich auch auf die mechanischen Eigenschaften von Halbzeugen aus. Durch verschiedene Maßnahmen wie dem Umformen oberhalb der Rekristallisationstemperatur können die Eigenschaften gezielt verbessert werden. Zink ist in der Spannungsreihe ein sehr unedles Metall. An feuchter Luft oxidiert es unter Bildung von Hydroxiden und Karbonaten. Diese Verbindungen bilden eine Schutzschicht. Aufgrund seines gegen Eisen negativen Potentials in wässrigen Lösungen und seines günstigen Auflösungsverhaltens eignet sich Zink ebenfalls als Opferanode für den kathodischen Korrosionsschutz. Daher ist der Korrosionsschutz von Stahl durch Zinküberzüge sehr weit verbreitet. Zn-Druckgusswerkstücke werden für kleine Maschinenteile und Gegenstände komplizierter Gestaltung verwendet. Die meisten enthalten Al, Cu und Mg als Legierungselemente.

Zinn Zinn ist ein sehr niedrig schmelzendes Schwermetall mit geringer Festigkeit und guter chemischer Beständigkeit. Es kommt in zwei allotropen Modifikationen vor und hat eine unter der Raumtemperatur liegende Rekristallisationstemperatur. Somit tritt schon während der Verformung bei Raumtemperatur Rekristallisation ein. Die Kaltverfestigung bleibt aus. Diese Tatsache erklärt die außerordentlich hohe Bruchdehnung des Zinns. Es wird vorwiegend in der Lebensmittelindustrie bei der Herstellung von Weißblech für Konservendosen verwendet. Zinnlegierungen finden einen breiten Anwendungsbereich in der elektronischen Industrie als Weichlot.

Hochschmelzende Metalle Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob haben außergewöhnliche hohe Schmelztemperaturen (bis über 1925 "C) und sind deshalb potentielle Materialien für Hochtemperaturanwendungen. Beispiele sind Glühwendeln für Lampen, Bugnasen von Raketen, Kernreaktoren und Chemieanlagen. Wegen ihrer hohen Dichte haben diese Metalle jedoch eine relativ geringe spezifische Festigkeit.

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

57

Hochschmelzende Metalle beginnen zwischen 200 und 425 "C zu oxidieren und können schnell verunreinigt werden und verspröden. Aus diesem Grunde sind beim Schmelzen, beim Schweißen, bei der Heißbearbeitung, und bei pulvermetallurgischen Prozessen besondere Vorkehrungen zu treffen. Auch bei hohen Einsatztemperaturen müssen die Metalle geschützt bleiben. Wolframwendeln von Lampen befmden sich z. B. im Vakuum. Für einige Anwendungen sind die Metalle mit einer Silicid- oder Aluminidschicht überzogen. Die Schutzschichten müssen einen hohen Schmelzpunkt besitzen, mit den Metallen verträglich sein, eine Diffusionsbarriere gegen eindringende Fremdstoffe bilden und im thermischen Ausdehnungsverhalten mit den Metallen weitgehend übereinstimmen. Es stehen Schutzschichten zur Verfügung die bis zu Einsatztemperaturen von 1650 "C verwendbar sind. Hochschmelzende Metalle besitzen krz-Struktur. Ihr Verformungsverhalten ist durch eine Übergangstemperatur gekennzeichnet, die die Bereiche mit duktilem und sprödem Verhalten voneinander trennt. Für Niob und Tantal liegt die Übergangstemperatur unterhalb der Raumtemperatur, so dass beide Metalle bei Raumtemperatur leicht bearbeitbar sind. Geglühtes Molybdän und Wolfram haben dagegen Übergangstemperatur oberhalb der Raumtemperatur, so dass sie sich unter normalen Bearbeitungsbedingungen spröde verhalten. Durch Heißverformung lässt sich jedoch in diesen Metallen eine faserförmige Gefügestruktur erzeugen, die die Übergangstemperatur herabsetzt. Durch Zusatz von Legierungselementen wird das mechanische Verhalten sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen erheblich verbessert. Wolfram, legiert mit Hafnium, Rhenium und Kohlenstoff ist bis 2100 "C einsetzbar. Diese Legierungen sind typischerweise mischkristallverfestigt. Wolfram und Molybdän können ähnlich wie Kupfer und Nickel eine komplette Serie fester Lösungen bilden. Einige Legierungen, wie W-Th02(2 %), werden bei pulvermetallurgischer Verarbeitung durch Oxidpartikel dispersionsverfestigt. Gute Hochtemperatureigenschaften weisen auch Verbundwerkstoffe auf, wie z. B. wolframfaserverstärktes Niob.

4.2

Nichtmetallische Werkstoffe

Die nichtmetallischen Werkstoffe lassen sich in die nichtmetallischen organischen Werkstoffe und nichtmetallischen anorganischen Werkstoffe einteilen. Eine Sonderstellung nehmen die Verbundwerkstoffe ein, die aus mindestens zwei physikalisch oder chemisch unterschiedlichen Werkstoftkomponenten bestehen. In den folgenden Abschnitten werden die für die industrielle Fertigungstechnik wichtigen nichtmetallischen Werkstoffe hinsichtlich Aufbau, Eigenschaften und Anwendungen behandelt.

4.2.1

Kunststoffe

Kunststoffe sind Werkstoffe, die aus makromolekularen, organischen Verbindungen aufgebaut sind. Ihre Herstellung erfolgt auf chemischem Weg synthetisch oder durch Umwandlung von

58

4 Werkstoffe

Naturprodukten. Kunststoffe besitzen Eigenschaftskombinationen, die über das Eigenschaftsspektrum der natürlichen Werkstoffe hinausgehen. Die breite Anwendung ist in erster Linie auf die kostengünstige Verarbeitung zurückzuführen. Sie ergibt sich aus dem Umstand, dass die Formgebung bei relativ niedrigen Temperaturen vorgenommen werden kann und auch komplizierte Formteile in einem einzigen Verarbeitungsschritt, meistens ohne oder aber mit nur geringer Nacharbeit, hergestellt werden können. Hierfür sind allerdings oft recht komplexe Formwerkzeuge erforderlich, die sich erst bei entsprechend großen Stückzahlen amortisieren.

Aufbau und Struktur An Kunststoffmolekülen sind in erster H H H H H H H H Linie die beiden Elemente Kohlenstoff und I I I I I I I I Wasserstoff beteiligt Bild 4.3, die durch -c-c-c-c-c-c-c-cI I I I I I I I kovalente Bindung verbunden sind. Die H H H H H H H H Basis solcher Moleküle bilden im einfachsH H H H H H H H ten Fall eindimensional gebundene KohI I I I I I I I lenstoffketten, deren dritte und vierte Wer-c-c-c-c-c-c-c-cI I I I I I I I tigkeit wie bei den gesättigten, kettenförH R H R H H H R migen Kohlenwasserstoffverbindungen durch seitliche H-Atome abgebunden sind. H R' I 11 Eine Erweiterung erfährt dieses AufbauO-c-O-o-c-oprinzip dadurch, dass die seitlich angeordI H neten Wasserstoffatome durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt werden Bild 4.3: Konstitution von Makromolekülen können. Sie werden Seitengruppen oder Substituenten genannt. Die Kette kann neben Kohlenstoffatomen auch Schwefel-, Sauerstoff-, Stickstoffatome oder ringförmige Verbindungen enthalten . Abhängig von der Art der in die Kette eingebauten Molekülgruppen oder an die Kette angehängten Substituenten kann diese steifer oder flexibler gemacht werden [Ber08].

Verfahren zur Kunststo.fJherstellung Die zur Herstellung synthetischer Kunststoffe durchzuführende Verknüpfung reaktionsfähiger Kleinmoleküle, sog. Monomere zu Makromolekülen erfolgt nach verschiedenen Verfahren, die durch den chemischen Aufbau der Ausgangsstoffe bedingt sind. Es wird unterschieden zwischen Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition. Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion bei der gleiche Monomere mit ungesättigten Doppelbindungen zu Makromolekülen vereinigt werden. Die Doppelbindungen werden durch Energiezufuhr aufgespalten. Die Moleküle reagieren untereinander und schließen sich zu Ketten zusammen. Die Polymerisation erfolgt als Kettenreaktion. Nachdem sie durch Katalysatoren eingeleitet ist, läuft sie solange ab bis die Polymerenbildung beendet ist. Die durch Polymerisation entstandenen Kunststoffe werden als Polymerisate bezeichnet. Durch Polymerisation werden die meisten thermoplastischen Kunststoffe hergestellt. Die Verknüpfung verschiedener niedermolekularer Verbindungen zu Makromolekülen unter Abspaltung eines Nebenproduktes heißt Polykondensation. Die Moleküle verbinden sich über ihre reaktionsfähigen Endgruppen. Die entstandenen Makromoleküle sind kettenförmig, wenn sich die reaktionsfähigen Gruppen an den Enden der Ausgangsmoleküle befinden. Moleküle

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

59

mit mehr als zwei funktionellen Endgruppen bilden räumlich vemetzte Makromoleküle. Die Polykondensation ist eine Gleichgewichtsreaktion. Sie läuft nur solange ab, bis zwischen den Reaktionspartnern, also den Ausgangsstoffen und den durch die Reaktion gebildeten Endstoffen, ein Gleichgewichtszustand erreicht worden ist. Die Verfahren der Polykondensation führen zu Polykondensaten. Auf diese Art werden die meisten Duroplaste hergestellt. Eine chemische Reaktion, bei der verschiedenartige Moleküle ohne Abspaltung von Nebenprodukten zu Makromolekülen verbunden werden, wird als Polyaddition bezeichnet. Die Verknüpfung erfolgt durch Umlagerung von Wasserstoffatomen. Sie werden aus den funktionellen Gruppen ausgelöst und von einem zum anderen Molekül verschoben. Die dadurch am Molekül freiwerdenden Valenzen bilden Hauptvalenzen, die eine Verknüpfung der Moleküle bewirken. Die Polyaddition ist wie die Polymerisation keine Gleichgewichtsreaktion, da Nebenprodukte, die zu einer Einstellung des Gleichgewichtes führen, nicht anfallen. Räumliche Netzwerke bilden sich, wenn neben den funktionellen Gruppen an den Enden eines Moleküls noch weitere innerhalb des Moleküls vorhanden sind. Die entstandenen Erzeugnisse sind Polyaddukte.

Raumnetzmoleküle

Raumnetzmoleküle

amorph stark vernetzt

amorph leicht vernetzt

Fadenmoleküle amorph

teilkristallin

Bild 4.4: Aufbau und Einteilung der Kunststoffe

Einteilung Kunststoffe lassen sich nach ihrer chemischen Zusammensetzung und dem Herstellungsverfahren einteilen. Von großer Bedeutung für die Kunststoffverarbeitung ist die Gruppierung nach dem Aufbau der Makromoleküle, wie Gestalt, Größe und gegenseitige Zuordnung. Sie bestimmen die Eigenschaften und Formgebungsmöglichkeiten (Bild 4.4). Die Formgebungstechnologien sind von der Polymerart abhängig. Für die sich viskoelastisch verhaltenden Thermoplaste kommen Verfahren wie Extrudieren, Einspritzen, Thermoformen, Gießen, Ziehen und Spinnen zur Anwendung. Elastomere sind weitmaschige Raurnnetzmoleküle. Sie lassen sich über einen großen Temperaturbereich dehnen . Die elastische Dehnbarkeit hat ihre Ursache darin, dass die nur stellenweise verknüpften Makromoleküle, soweit es die Verknüpfungsstellen erlauben, aus ihrer verknäulten Lage gestreckt werden können. Nach Beendigung der Krafteinwirkung gehen sie wieder in ihren Ursprungszustand zurück. Da aber auch ihre Verknüpfung ein Abgleiten der Makromole-

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4 Werkstoffe

küle verhindert, sind Elastomere weder plastisch verformbar noch schweißbar. Eine Vielzahl natürlicher und künstlich erzeugter linearer Polymere, auch als Elastomere bezeichnet, dehnt sich bei Zugbeanspruchung in starkem Maße aus. Gummibänder, Autoreifen, Dichtringe, Rohrleitungssysteme, Vibrationshalterungen, Schläuche, Kabelumhüllungen und Isolationsmaterial für elektrische Leitungen sind alltägliche Anwendungsbeispiele. Duromere, auch Duroplaste genannt, haben stets räumlich eng vernetzte Makromoleküle. Sie sind untereinander durch Hauptvalenzverbindungen verknüpft. Diese starken Bindungskräfte führen zu hoher Festigkeit, Steifigkeit und Härte. Die Zugfestigkeit nimmt erst nach Erreichen der Zersetzungstemperatur Tz stark ab (Bild 4.5).

-

Die enge Verknüpfung macht diese Kunststoffe unlöslich und verhindert deren plastische Formge- ] j Cl Cl C 1- - __ bung. Die fest eingebundenen Atome in den Mo- :;::lVI :::J .2! c lekülen können weder ihre Plätze wechseln noch Cl .c: ::J CI) können die Moleküle aneinander abgleiten. Ihre N 0 Beweglichkeit ist so stark eingeschränkt, dass auch bei Erwärmung keine merkliche Erweichung eintritt. Duromere sind nicht schmelzbar und somit auch nicht schweißbar. Die plastische Formgebung ist nur bei den noch unvernetzten Vorprodukten Tz Temperatur wie den härtbaren Formmassen und Reaktionsharzen möglich. Mit Ausnahme von Gießharzen werden Duroplaste praktisch nur als Verbundwerk- Bild 4.5: Zugfestigkeit und Dehnungsverhalten von Duroplasten stoffe mit verstärkenden (Fasern) oder verbilligenden (Holz-, Gesteinsmehl) Zusatzstoffen verarbeitet. Ihre Abfälle sind nicht wieder verwendbar. Thermoplaste bestehen aus linearen, mehr oder weniger verzweigten Makromolekülen, die untereinander durch zwischenmolekulare Bindungen zusammengehalten werden. Sie können durch äußere Krafteinwirkung überwunden werden, so dass eine Auflockerung der molekularen Struktur, eine Streckung bisher verknäulter Moleküle oder ein Abgleiten von Molekülen möglich ist. Je nach Anordnung der Makromoleküle werden amorphe und teilkristalline Thermoplaste unterschieden. Können die Moleküle ihrem Bestreben, sich zu verknäulen, zu verschlaufen oder sich regellos zueinander anzulagern frei nachkommen, so bilden sich Strukturen, die auch als Wattebauschstrukturen bezeichnet werden. Ihr Zustand ist amorph. Amorphe Plastomere verformen sich je nach dem Grad der Verknäuelung ihrer Makromoleküle unter Belastung mehr oder weniger stark elastisch. Die regellos verfilzten Makromoleküle werden aus ihrer verknäulten Lage in Richtung einer angreifenden Kraft gestreckt. Dies ist soweit möglich, bis ihre Verschlaufungen die Formänderung beenden. Durch ihr Bestreben, den ursprünglichen Zustand der völlig ungeordneten Verknäuelung wiederherzustellen, geht diese Formänderung nach Entlastung wieder zurück. Da sich während der elastischen Verformung Verschlaufungen lösen und neue bilden können, tritt während der Verformung eine Entspannung (Relaxation) ein. Spannung und Dehnung sind somit zueinander nicht proportional. Oftmals ist bei erhöhten Temperaturen mit der Neubildung von Verschlaufungen auch ein Abgleiten der Moleküle verbunden. Der elastischen Verformung ist dann ein Anteil von viskosem Fließen als bleibende Formänderung überlagert.

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

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Die Makromoleküle der teilkristallinen Thermoplaste sind zwischen amorphen Bereichen streckenweise gebündelt, parallel aneinander angelagert oder auch in parallel verlaufenden Windungen gefaltet. Sie bilden aber auch Lamellenpakete, die, von einem Mittelpunkt ausgehend, sich kugelförmig mit jeweils tangentialem Verlauf der parallelen Bereiche anordnen (Sphärolithe). Bei der parallelen Anordnung befmden sich die Atome benachbarter Molekülketten in einer festen gegenseitigen Zuordnung, wie es einer kristallinen Struktur entspricht. Die zwischenmolekularen Kräfte in den parallel eng aneinander gelagerten Bereichen sind größer. Die Festigkeit teilkristalliner Thermoplaste ist damit größer als die amorpher. Die zwischen den kristallinen Bereichen befmdlichen amorphen Anteile gestatten den Kristalliten eine mehr oder weniger große Bewegungsmöglichkeit. Dies begründet das zähelastische Verhalten teilkristalliner Thermoplaste gegen mechanische Beanspruchung. Festigkeit, Steifigkeit und Härte werden mit zunehmendem Kristallisationsgrad größer. Unterhalb der Glasübergangstemperatur TG (Bild 4.6) befinden sich Thermoplaste im festen Zustand. Bei steigender Temperatur wird der Werkstoff durch zunehmende Wärmebewegung zwischen den Molekülen thermoelastisch zäh. Im thermoplastischen Bereich oberhalb der Fließtemperatur TF nehmen die Sekundärbindungen durch die Wärmebewegung ab und die Molekülketten können leicht gegeneinander verschoben werden. Bei der Zersetzungstemperatur Tz werden die Primärbindungen und damit der Werkstoff zerstört. -'

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Temperatur

Bild 4.6: Zugfestigkeit und Debnungsverhalten von Thermoplasten

Teilkristalline Thermoplaste weisen Bereiche mit einer dichten Packung und Ausrichtung der Fadenmoleküle auf. In diesen Bereichen nehmen die Sekundärbindungen zu, wodurch sich die chemische Beständigkeit, das Elastizitätsmodul, die Härte und die Zugfestigkeit erhöhen. Unterhalb der Kristallisationstemperatur TK verhalten sich teilkristalline Thermoplaste elastisch. Thermoplaste ermöglichen durch ihre Fähigkeit bei Erwärmung plastisch zu fließen, eine wiederholbare plastische Formgebung. Dadurch ist nicht nur das Warmumformen und Schweißen von Halbzeugen möglich, sondern auch die Rückführung von Produktionsabfällen in einen erneuten Fertigungsablauf. Da mit der Erwärmung der teilkristallinen Thermoplaste die Kristallite erhalten bleiben, vermindert sich die Festigkeit nicht in gleicher Weise wie bei den amorphen Thermoplasten, Bild

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4 Werkstoffe

4.6. Sie sinkt erst deutlich ab, wenn die Kristallite mit höheren Temperaturen in den amorphen Zustand übergehen. Ihr Erweichungsbeginn ist hin zu höheren Temperaturen verschoben, ihre Wärmebeständigkeit ist höher. Die Thermoplaste haben einen breiten Anwendungsbereich: Verpackungsmaterialien, Rohrleitungen, Gerätekomponenten, Textilfasern, Hartkontaktlinsen, elektrische Isolierungen, Antihaftbeschichtungen. Afechan~cheEigenscha}ten

Infolge ihres makromolekularen Aufbaus ist die Festigkeit von Kunststoffen geringer als die der Metalle, weil die zwischen den Molekülen wirkenden physikalischen Anziehungskräfte erheblich kleiner sind als die elektrostatischen Bindungskräfte zwischen den Metallatomen, die zudem in einer geordneten Kristallstruktur vorliegen. Festigkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Kunststoffen ergeben sich aus den einzelnen Aufbauformen. Festigkeitssteigerungen können durch Verstärkungsmaterialien erzielt werden. Faserverstärkte Kunststoffe erreichen je nach Art und Menge des eingebetteten Materials (Glas-, Kohle- oder Bohrfasern) annähernd die Festigkeiten von Stählen. Ihr mechanisches Verhalten wird jedoch in erster Linie durch das Verstärkungsmaterial bestimmt.

Thermische Eigenschaften Kunststoffe besitzen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, da die Molekülbewegungen, auf denen die Fortleitung der Wärme beruht dadurch eingeschränkt sind, dass die Makromoleküle im festen Zustand nur in Teilbereichen schwingen. Kunststoffe eignen sich daher als Wärmeisolatoren. Die Wärmeleitfähigkeit steigt mit der Temperatur etwas an, ist aber selbst im schmelzflüssigen Zustand noch so niedrig, dass diesem Umstand bei der Warmumformung und beim Fügen Rechnung getragen werden muss. Zusatzstoffe können die Wärmeleitfähigkeit steigern. Bei Polymeren dominiert die Phononleitung. In ungeordneten Strukturen, wie amorphen Polymeren, wird das Leitvermögen durch starke Phononstreuung reduziert. Größere Wärmeleitfähigkeit als amorphe Polymere besitzen daher kristalline Polymere. Fremdphasen und Porosität setzen das Wärmeleitvermögen von Nichtmetallen stark herab. Kunststoffe sind nur in relativ geringem Umfang wärmebeständig und formstabil. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt, je nach Zusammensetzung und Aufbau, im Allgemeinen zwischen 90°C und 150°C. Bei den als warmfest oder hochtemperaturbeständig bezeichneten Kunststoffen beträgt sie 200°C bis 350 °C. Sehr hohe Temperaturen führen bei allen Kunststoffen zur vollständigen Zersetzung. Bei vielen von ihnen sind die, bei Überschreiten der Entzündungstemperatur, gasförmig entweichenden Zersetzungsprodukte brennbar. Bestimmte Zusätze können mit den Zersetzungsprodukten reagieren und bewirken, dass die Kunststoffe schwer entflammbar und selbstlöschend sind. Sie brennen nur, solange sie unter der direkten Einwirkung einer Flamme stehen. Die Eigenschaften von Duromeren werden durch sehr tiefe Temperaturen kaum verändert. Bei manchen Thermoplasten bewirken sie jedoch eine merkliche Änderung ihres mechanischen Verhaltens. Sie verhärten bis zur vollständigen Versprödung.

Elektrische Eigenschaften Kunststoffe sind im Allgemeinen elektrisch nicht leitend, da sich in ihrem Molekülverband keine frei beweglichen Elektronen befmden. Ihre geringe Dichte, ihre leichte Bearbeitbarkeit

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

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und Formgebung kombiniert mit ihren Isoliereigenschaften machen sie daher zum wichtigsten Werkstoff in der Elektrotechnik. Bei hohen Wechselspannungen können im Isolierstoff Stromdurchschläge durch Funken- und Lichtbogenbildung auftreten, die zur Zerstörung des Isoliermaterials führen. Die Durchschlagsfestigkeit gibt die auf die Dicke des Isoliermaterials bezogene Spannung an, die zum Durchschlag führt. Sie ist bei Kunststoffen im Allgemeinen doppelt so groß wie bei keramischen Werkstoffen. Wegen des homogenen Molekülzusammenhaltes ist sie bei dünnen Folien größer als bei dicken Platten. Kunststoffe haben wie alle Nichtleiter die Neigung, sich elektrostatisch aufzuladen. Die Aufladung beruht darauf, dass bei Reibung mit anderen Stoffen Elektronen aufgenommen werden. Diese können von der Oberfläche der Kunststoffe umso weniger abgeleitet werden, je höher deren Isolationswiderstand ist. Die Elektronenansammlungen bewirken nicht nur eine lästige Staubanziehung, sie können auch zu recht hohen elektrischen Spannungen führen. Ihre bei Berührung oder sonstigem Kontakt zur Oberfläche erfolgende Entladung ist in den meisten Fällen unbedenklich. Da sie unter Funkenbildung abläuft, kann sie aber in Gegenwart leicht entzündlicher Gase oder brennbarer Flüssigkeiten auch Brände oder Explosionen verursachen. Um statische Aufladungen zu verhindern, können Kunststoffe antistatisch ausgerüstet werden. Dies geschieht durch Beimischung leitender Substanzen oder durch Auftragen einer leitenden Schicht auf die Oberfläche. Es sind aber auch leitfähige Polymere entwickelt worden. Diese bestehen aus Ketten von Polyacethylen, das ähnlich wie bei Halbleitern mit Elektronendonatoren bestückt ist. Im Gegensatz zu Metallen ist die Leitfähigkeit nur eindimensional. Die Elektronen bewegen sich nur längs der Molekülketten. Die im Allgemeinen sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit von Polymeren kann durch Füll- oder Faserstoffe verbessert werden. Einige Polymere sind auf Grund ihrer besonderen Molekülstruktur von Haus aus gute elektrische Leiter.

Chemische Eigenschaften Korrosion, wie sie bei Metallen auftritt, findet bei Kunststoffen nicht statt. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist so gut, dass sie bei normalem Gebrauch keinen Oberflächenschutz benötigen. Daher werden sie auch in großem Maße als Beschichtungsmaterialien zum Oberflächenschutz korrosionsgefährdeter Bauteile genutzt. Ihre Beständigkeit gegen Chemikalien ist unterschiedlich. Es gibt chemische Substanzen, die in den Kunststoff diffundieren, ihn lösen, mit ihm chemisch reagieren und somit zerstören. Durch geeignete Zusätze, sog. Stabilisatoren, können gewisse Reaktionen vermieden werden. Thermoplaste zeigen im Allgemeinen eine hohe Beständigkeit gegen Säuren und Laugen, Duromere gegenüber organischen Lösungsmitteln.

4.2.2

Keramische Werkstoffe

Keramische Stoffe bestehen aus komplexen chemischen Verbindungen metallischer und nichtmetallischer Elemente. Die wichtigen Bindungsarten in keramischen Materialen sind die Ionenbindung und die Atom- oder kovalente Bindung. Die verschiedenen Bindungsarten treten nur in Ausnahmefallen in reiner Form auf. Im Normalfallliegen Mischbindungszustände vor,

4 Werkstoffe

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in denen der eine oder andere Bindungstyp dominiert. Als Folge ihrer ionischen und kovalenten Bindung sind keramische Stoffe überwiegend hart und spröde. Weitere Merkmale sind ein hoher Schmelzpunkt, eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine gute chemische und thermische Resistenz und eine hohe Druckfestigkeit. Keramische Werkstoffe besitzen eine kristalline bzw. teilkristalline Gefiigestruktur. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung bei über 800 "C, Die Formgebung geschieht gelegentlich auch bei erhöhter Temperatur oder über den Schmelzfluss mit anschließender Kristallisation. Nach ihrer chemischen Zusammensetzung können die keramischen Werkstoffe wie folgt unterschieden werden. Einatomare keramische Stoffe bestehen aus den Elementen der Gruppe IV des Periodensystems (C, Si und Ge) und Bor. Von diesen Werkstoffen stellt Silicium den wichtigsten Vertreter dar, gefolgt von Kohlenstoff. Kohlenstoff in Form von Diamant, Graphit und Glas zählt ebenfalls zu den keramischen Stoffen. Den größten Anteil an keramischen Werkstoffen bilden chemische Verbindungen von Metallen mit den nichtmetallischen Elementen der Gruppe III Abis vn A. Ausgehend von einem Metall können Boride, Karbide, Nitride und Oxide gebildet werden. Der weitaus überwiegende Teil davon sind Oxide. Entsprechende Verbindungen können auch von dem Halbleitermetall Silicium ausgehen. Schließlich bildet Bor Phasen mit C, N und 0, die als Werkstoffe geeignet sind. Damit lassen sich drei Werkstoffgruppen der Keramik unterscheiden, die Silikat-, Oxid- und Nichtoxidkeramik (Bild 4.7).

Mg-Silikale, AI-Silikale, K-A1-Silikate Mg-Al-Silikate, Na-AI-Silikate, Li·AI·Silikate, Glaskeramik

Nichtmetallische Hartstoffe Si3~ ' SiC, SiSiC, B4C, kubisches BN

Reine Oxide AI203 , z-o; MgO, BaO, Ti02 , ZnO, Th02• Y20 3

Metallische Hartstoffe MoSi2 , TiN, TiC,AlN

Oxid-Verbindungen BaTi03 , Pb(li,Zr)04' Al2TiO~, MnFe204

Bild 4.7: Werkstoffgruppen der Keramik [SPUOO] Ihre Einsatzgebiete erstrecken sich von Töpferwaren über Mauerziegel, Fliesen, Abfallrohre, Glaswaren, Schamotte, magnetische Werkstoffe, Elektrobauteile, Faserwerkstoffe bis zu Schleifmitteln. Auch in Hochtechnologien kommen keramische Stoffe zur Anwendung (z, B. ist der Raumtransporter ,.Space Shuttle" mit schützenden Silikat-Kacheln verkleidet). Keramische Stoffe zeichnen sich durch charakteristische Eigenschaftskombinationen aus, die wir in dieser Art bei keiner anderen Materialart antreffen, und die ihnen unter den industriell genutzten Werkstoffen einen festen Platz einräumen.

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

65

Mechanische Eigenschaften Keramische Werkstoffe haben im Vergleich zu Metallen eine geringe Dichte und besitzen durch den erheblichen Anteil an kovalenter Bindung eine hohe Härte. Aufgrund der chemischen Bindungsverhältnisse besteht ein Zusammenhang zwischen Härte und Schmelzpunkt keramischer Werkstoffe. Keramiken mit einem höheren Schmelzpunkt bedingen auch eine höhere Härte. Das Festigkeitsverhalten ist dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame technische Festigkeit von der theoretischen Festigkeit erheblich abweichen kann. Dies begründet sich durch mechanische Spannungskonzentrationen im Werkstoff, die durch Gitterbaufehler hervorgerufen und durch plastische Verformung nicht abgebaut werden können. Sie sind nach Art, Form und Größe im Werkstoffvolumen zufällig verteilt. Für das Festigkeitsverhalten ist das Zusammenwirken von Fehlstellen und belastungsabhängigen Spannungen von entscheidender Bedeutung. Das Werkstoffversagen wird von der höchsten Spannungskonzentration bestimmt. Da diese von den stochastisch verteilten Fehlstellen abhängig sind, sind die Festigkeitswerte keramischer Werkstoffe durch eine große Streuung gekennzeichnet [SPUOO]. Eine charakteristische Eigenschaft der Keramiken ist das Sprödbruchverhalten. Ein Riss öffnet sich und breitet sich aus, sobald die Spannungskonzentration an der Rissspitze einen kritischen Wert überschritten hat, da kein Spannungsabbau durch plastische Verformung erfolgen kann. Mitunter finden sich jedoch auch Eigenschaften, die von diesem allgemein bekannten Verhalten abweichen. So existieren z. B. Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (wie ShN4-SiC), die trotz der immanenten Sprödigkeit keramischer Materialien Bruchzähigkeitswerte aufweisen, die über denen von Metallen (z. B. von ausgehärteten Al-Legierung) liegen. In einigen Fällen kann man sogar superplastisches Verhalten beobachten.

Thermische Eigenschaften In keramischen Stoffen, Halbleitern und Polymeren dominiert Phononleitung. In ungeordneten Strukturen, wie keramischen Gläsern oder amorphen Polymeren, wird das Leitvermögen durch starke Phononstreuung reduziert. Größere Wärmeleitfähigkeit besitzen daher kristalline Keramiken und Polymere. Fremdphasen und Porosität setzen das Wärmeleitvermögen von Nichtmetallen stark herab.

Keramische Werkstoffe zeichnen sich im Besonderen durch gute Hochtemperatureigenschaften aus. Sie besitzen eine ausgezeichnete Warmfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Ihre Wärmeleitfähigkeit kann mehr als das doppelte gebräuchlicher Stähle betragen. Zudem kennzeichnet einige Keramiken ein hervorragendes thermisches Isolationsvermögen. Die Temperaturwechselbeständigkeit ergibt sich aus der hohen Wärmeleitfähigkeit und dem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, da infolge der geringen Ausdehnung die thermischen Spannungen gering bleiben und aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit Temperaturen schnell abgeführt werden können, beziehungsweise die Temperaturunterschiede im Bauteil gering bleiben.

Elektrische Eigenschaften Die meisten keramischen Werkstoffe sind selbst bei hohen Temperaturen elektrische Isolatoren. Auffallend sind die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Sie und AlN, die denen von Metallen nahe kommt. Bei speziellen Keramiken treten Ionenleitfähigkeit und Halbleiter-

66

4 Werkstoffe

eigenschaften auf. Die Ionenleitfähigkeit entsteht durch die Fehlordnung im Kristallgitter. Sie kann durch Zugabe verschiedener Elemente erzeugt werden. Keramiken mit Halbleitereigenschaften haben meistens Silicium als Phase. Durch Austausch des Si-Atoms gegen ein Atom höherer Wertigkeit wird ein Elektronenüberschuss erzeugt, dessen Energieniveau knapp unterhalb des Leitfähigkeitsbandes liegt. Durch Energiezufuhr können die Elektronen leicht in das Leitungsband gehoben werden. Dieser Zustand wird als Donatorniveau bezeichnet. In diesem Fall ist es ein Halbleiter vom n-Typ bzw. ein Überschusshalbleiter. Wird im anderen Fall ein Si-Atom gegen ein Atom geringerer Wertigkeit ersetzt, entsteht ein Halbleiter vom p-Typ bzw. ein Defekthalbleiter. Ähnliche Halbleiter können auch durch Leerstellen im Kristallgitter erzeugt werden. Ab einer Temperatur von ca. 800°C ist die Keramik Zirkonoxid ein guter Leiter für Sauerstoffionen. Diese Eigenschaft kommt z. B. beim PKW-Katalysator zum Einsatz. Zu erwähnen sind ferner die Halbleitereigenschaften von FeO und ZnO und die Supraleitfähigkeit von Stoffen wie YBazCu307_x'

Chemische Eigenschaften Das hervorragende chemische Verhalten keramischer Werkstoffe hat zu einer breiten Anwendung in der chemischen und metallverarbeitenden Industrie gefiihrt. Aufgrund der großen thermodynamischen Stabilität sind die wichtigsten Keramiken bis hin zu hohen Temperaturen gegenüber vielen sauren und basischen Medien beständig.

Optische Eigenschaften Die optischen Eigenschaften werden durch Absorption, Transparenz und Reflexion beschrieben. Im Falle einer Absorption im Bereich der optischen Strahlung erscheinen die Stoffe farbig. Bei den meisten Keramiken treten allerdings in diesem Spektralbereich keine Wechselwirkungen auf, so dass die Werkstoffe eigentlich durchsichtig sein müssten. Durch Poren und Kristallgrenzen wird das Licht jedoch derart gestreut, so dass die Keramiken undurchsichtig erscheinen. Eine kennzeichnende Eigenschaft hochwertiger Porzellane sowie der Oxidkeramiken Alz03 und MgO ist deren Transparenz. Die Oxidkeramiken haben jedoch nur diese Eigenschaft, wenn sie mit besonderen Sinterverfahren und unter Verwendung reinster Stoffe hergestellt wurden.

4.2.3

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Materialen, die im Verbund Eigenschaftskombinationen aufweisen, die keine der beteiligten Komponenten für sich allein besitzt. Angestrebt werden dabei vor allem eine hohe Festigkeit bei geringer Dichte, eine gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Temperaturfestigkeit. Es sind nahezu alle Kombinationen von Metalle, Polymeren und Keramiken denkbar. In vielen Fällen können Mischungsregeln benutzt werden, um die Verbundeigenschaften aus den Einzeleigenschaften der Komponenten abzuschätzen.

Partikelverbunde im eigentlichen Sinne enthalten gröbere Partikel, die spezifische Eigenschaften in den Verbund einbringen (z. B. Beton ist ein Gemisch aus Zement und Kies). In MetallMatrix-Verbunden bewirken keramische und metallische Partikel Verbesserungen der mechanischen Festigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrischen Leitfähigkeit, Zähigkeit und Korrosionsfestigkeit. Polymer-Matrix-Verbunde enthalten vor allem Partikel, die ihre Steifigkeit, Wärme-

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

67

beständigkeit oder elektrische Leitfähigkeit erhöhen, während die typischen Polymereigenschaften wie leichtes Materialgewicht, einfache Herstellbarkeit oder geringe Materialkosten (der Erzeugnisse) davon weitgehend unbeeinträchtigt bleiben. Schichtverbunde sind aus Schichten (Platten) unterschiedlicher Materialien aufgebaut. Dabei kann es sich um verschiedenartige Metalle handeln, die einerseits Festigkeit und andererseits Härte oder Korrosionsfestigkeit in den Verbund einbringen. Zu den in Frage kommenden Schichtmaterialien zählen auch faserverstärkte Verbunde, die mit Metall- oder Polymerschichten oder auch mit Faserverbunden unterschiedlicher Faserorientierung kombiniert sind. Schichtverbunde sind in jedem Fall anisotrotop. Sandwich-Materialien, zu denen Wabenstrukturen gehören, sind besonders leichte Schichtverbunde mit festen Außenflächen und einem fast hohlen Innenkörper. Laminate, Metallplattierung und Bimetalle gehören auch zu den Schichtverbunden.

Laminate kommen bei der Isolation von Motoren und Getrieben, bei Leiterplatten, in der Luftfahrttechnik und auch für dekorative Zwecke zur Anwendung. Metallplattierung wird in Flugzeugen, Wärmeaustauschern, Trageelementen oder Lagertanks eingesetzt, bei denen ein hoher Korrosionswiderstand, eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht von Bedeutung sind. Bimetalle sind zweilagige Metallverbunde mit unterschiedlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten ihrer Komponenten und dienen als Temperaturanzeiger oder temperaturabhängige Steuerglieder (z. B. Unterbrechung von Stromkreisen und Regelung von Thermostaten). Faserverbunde, eine der verbreitesten Verbundwerkstoffe, ergeben bei metallischer und polymerer Matrix erhöhte Festigkeit Steifigkeit und bessere Hochtemperatureigenschaften und bei keramischer Matrix eine erhöhte Zähigkeit:

•

Fasern haben im Allgemeinen eine geringere Dichte als das Matrixmaterial und bewirken schon dadurch eine höhere spezifische Festigkeit und ein höheres spezifisches E-Modul. Sie sind jedoch häufig sehr spröde. Die derzeit wichtigsten und am häufigsten verwendeten Faserwerkstoffe sind Glas und Kohlenstoff. In bestimmten Bereichen werden auch hochfeste Polymerfasern (z. B. Aramidfasern) sowie Bor- und Keramikfasern eingesetzt.

•

Es wird zwischen kontinuierlichen (endlosen) und diskontinuierlichen (kurzen) Fasern unterschieden. Der Verstärkungseffekt diskontinuierlicher Fasern wächst mit ihrem Längen-Durchmesser-Verhältnis. Zur Erzielung höchster Festigkeit ist es wichtig, dass die Kristalle bzw. Moleküle der Fasern in orientierter Form mit einer Vorzugsrichtung vorliegen. Die Faserwerkstoffe müssen weitgehend von inneren und äußeren Fehlstellen wie Rissen, Poren und Baufehlern frei sein, da dies potentielle Bruchausgangsstellen sind. Diese Forderungen lassen sich nur mit sehr dünnen Fasern verwirklichen, die eine gerichtete Struktur (z. B. als Whisker) mit einem Minimum an Fehlstellen besitzen.

•

Der Fasereinbau ist in verschiedenen Orientierungen möglich. Zufällige Orientierung diskontinuierlicher Fasern ergibt nahezu isotrope Verbundeigenschaften. Gleichsinnige Faserorientierung bewirkt anisotrope Verbundeigenschaften der Verbunde, die "maßgeschneidert" den realen Belastungsbedingungen angeglichen werden können.

•

Während die Fasern dem Verbundwerkstoff Festigkeit und Steifigkeit verleihen sollen, wird von der Matrix eine bestimmte Duktilität gefordert. Maßgebend für die Auswahl des Matrix-Materials ist vor allem die Einsatztemperatur. Bei Temperaturen bis etwa 200 "C wird gewöhnlich eine Polymermatrix verwendet. Dies kann ein Thermoplast (schmelzbar,

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4 Werkstoffe

z. B. Polyamid) oder Duromer (nicht schmelzbar, z. B. Epoxidharz) sein. Bei höheren Temperaturen geht man zu einer Metallmatrix aus Leichtmetall, meist einer Aluminiumlegierung, über. Für sehr hohe Temperaturen eignet sich eine Keramikmatrix (z. B. Siliciumkarbid, Aluminiumoxid) oder eine Kohlenstoffmatrix (amorpher Kohlenstoff, bis 2500 oe).

Herstellung Bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit Polymermatrix wird eine Anzahl Fasern abgespult, parallel zu einem Band ausgerichtet und nach einer Oberflächenbehandlung zur besseren Haftung an der Matrix mit Polymerharz getränkt. Zu Bändern oder Matten verfestigt, lassen sie sich zu einem Schichtwerkstoff zusammensetzen. Die imprägnierten Fasern können auch gleich in eine vorgegebene geometrische Form gewickelt werden. Anschließend muss die Matrix der fertigen Verbundstruktur meistens noch ausgehärtet werden. Bei der Erzeugung von Kunststoffen mit kurzen Fasern werden die Verstärkungsfasern zerkleinert, auf eine Schicht aus Paste aus dem Matrixmaterial aufgebracht und mit einer weiteren Pastenschicht überdeckt. Dieses Band wird anschließend durch Walzen verfestigt und in viskosem Zustand geformt und dann ausgehärtet. Die Bildung von Verbundwerkstoffen mit einer Metallmatrix ist komplizierter. Die Fasern werden mit Metallfolien oder -pulvern unter hohem Druck und Temperatur (Festkörperdiffusion, Sintern) verpresst oder aber das Matrixmaterial wird durch Plasmaspritzen auf die Fasern aufgebracht. Verbundwerkstoffe mit Keramik-Matrix werden meist durch Sintern des mit kurzen Fasern oder Whiskern durchmischten Keramikpulvers hergestellt. Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoff-Matrix werden durch wiederholtes Pyrolisieren (Verkoken) von mit Phenolharz durchtränkten Kohlenstofffasern erzeugt.

Anwendungsgebiete und Weiterentwicklung Faserverbundwerkstoffe werden bereits in großem Umfang, sowohl in konventionellen Bereichen der Technik wie auch für extreme Beanspruchungen industriell eingesetzt, wie die folgenden Beispiele zeigen: •

Glasfaser-Polymer-Verbund (unidirektional) für Blattfedern und Stoßfänger, Kraftfahrzeuge, Schiftbauteile und korrosionsfeste Gegenstände, Bauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik

•

Glasmattenverstärkte Thermoplaste (eben quasiisotrop) für Motorkapseln und Lampengehäuse

•

Pressteile aus Polyesterharz mit Kunstfasern für Motorhauben

•

Glasfaser-Epoxidharz-Verbund in Wickeltechnik für Kardanwellen

•

Borosic-Aluminium für Lüfterblätter von Motoren und andere Bauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik

•

Kevlar-Polyesther für Sportgeräte (Tennisschläger, Schäfte von Golfschlägern, Angelruten)

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

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•

KohlenstofiIaserverstärkte Kunststoffe (CFK) für Flugzeugteile, Bootsmasten, Skier und Tennisschläger

•

KohlenstofiIaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) für Triebwerksteile, Raketenköpfe, Bremsklötze

Wegen der vielfältigen Möglichkeiten, bestimmte Eigenschaften zu erzielen, wird der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in der Zukunft weiter zunehmen. Dafür ist neben der Verbesserung der spezifischen Eigenschaften, insbesondere der Risszähigkeit, vor allem die Weiterentwicklung der Verarbeitungsverfahren für die komplexen Verbundstrukturen notwendig. Ein weiteres grundsätzliches Problem besteht darin, dass das mechanische Verhalten der Faserverbundwerkstoffe bisher vorwiegend experimentell bestimmt wird und für eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe einen immensen Aufwand bedeutet. Ziel künftiger Untersuchungen ist es, sind die Eigenschaften von Faser- und Matrixmaterial und die Faseranordnung bekannt, das Werkstoffverhalten auf theoretischem Weg vorherzusagen und in Form eines Stoffgesetzes zu beschreiben. Gelingt dies, wäre es möglich, den Werkstoff direkt der Geometrie und Beanspruchung des jeweiligen Bauteils anzupassen. Die Entwicklung derartiger, für die jeweils vorliegende spezifische Belastung "maßgeschneiderte" Werkstoffe, hätte eine neue Art des Konstruierens zur Folge, die einen verstärkten Einsatz von Computern und eine interdisziplinäre Zusammenarbeit verlangt.

4.2.4

Nachwachsende Rohstoffe

Die Produktion nachwachsender Rohstoffe zählt neben der Nahrungsmittelherstellung seit alters her zu den Hauptaufgaben der Landwirtschaft. Erst mit der industriellen Revolution Mitte des vorigen Jahrhunderts begann die Verdrängung landökonomischer Erzeugnisse, die nicht der Ernährung und Tierfütterung dienen. Neue Bedeutung erlangen nachwachsende Rohstoffe wieder durch die zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten, die sich durch modeme Technologien in der heutigen Zeit erschließen.

Definition Nach der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), ein 1993 von der Bundesregierung initiiertes Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Förderung nachwachsender Rohstoffe in industriellen Anwendungen, werden nachwachsende Rohstoffe folgendermaßen definiert: "Nachwachsende Rohstoffe sind land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte, die einer Verwendung im Nichtnahrungsbereich zugeführt werden." Anwendungsgebiete nachwachsender Rohstoffe können die industrielle Weiterverarbeitung, die Erzeugung von Wärme, Strom oder anderen Energieformen darstellen.

Motivation Motivationen zum Einsatz nachwachsender Rohstoffe sind sowohl ökonomischer als auch ökologischer Art. Das Stichwort Nachhaltigkeit spiegelt dies gut wieder. Da nachwachsende Rohstoffe mittlerweile in vielen Bereichen anstelle ihrer fossilen Konkurrenz eingesetzt werden können, tragen sie dazu bei, diese begrenzten Vorräte für nachfolgende Generationen zu schonen.

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4 Werkstoffe

Produkte aus pflanzlichen Rohstoffen setzen nach Gebrauch bei ihrer Verbrennung oder bei der Kompostierung immer nur die Menge an COz frei, die sie während des Wachstums der Atmosphäre entnommen haben. Im Gegensatz zu fossilen Rohstoffen sind sie dadurch weitgehend COz-neutral, man spricht hier von einem geschlossenen Stoff- und Energiekreislauf. Ihr vermehrter Einsatz kann somit helfen, den Treibhauseffekt abzumildern und globalen Klimaveränderungen entgegenzuwirken. Die Vorteile der Nutzung nachwachsender Rohstoffe können mittel- bis langfristig zu einer Verbesserung der wirtschaftlichen, umwelttechnischen und gesellschaftspolitischen Lage beitragen. Die energetische und stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe ermöglicht die Verwirklichung einer Kreislaufwirtschaft und damit die Entstehung einer nachhaltigen Wirtschaftsform im Sinne des "Sustainable Development". Die Industrie benötigt genau auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene Rohstoffe. Pflanzenzüchtung, Biotechnologie und Gentechnik ermöglichen es, die gewünschten Rohstoffqualitäten zu erzielen und die Erträge zu optimieren. Auf diese Weise kann die Landwirtschaft heute hochwertige Ausgangsstoffe zur Verfügung stellen, die der Industrie aufwendige Umwandlungsprozesse, wie sie bei fossilen Rohstoffen häufig auftreten, ersparen.

Anwendungsgebiete und Herstellung Nachwachsende Rohstoffe werden in vielen Bereichen der Industrie und den verschiedensten Gewerben eingesetzt. Der wichtigste nachwachsende Rohstoff ist Holz. Dieses wird in erster Linie in der Bauindustrie zum Innen- und Außenausbau, dem Möbelbau, der Papierherstellung oder zur energetischen Verwertung durch Verbrennen genutzt. Außerdem dienen nachwachsende Rohstoffe zur Erzeugung von Textilfasern (Holz, Baumwolle, Flachs, Hanf) zur Herstellung von Textilien und Dämmmaterialien für die Bau- und Fahrzeugindustrie, Stärke zur industriellen Verwendung, Fasern zur Zellstoff- und Papierherstellung, Pflanzenölen als Treib- und Schmierstoffe und von chemischen und pharmazeutischen Produkten. Durch aktuelle Entwicklungen wird dieses Einsatzfeld immer mehr erweitert.

Flachs Flachs wird schon seit Jahrhunderten genutzt. Er ist ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte, die wir heute verwenden. Durch die Anwendung von Flachs werden Verkleidungen und Fußbodenbeläge angenehmer, wird Beton härter, und Faserprodukte verstärkt. Flachs wird ebenso bei der Herstellung von Feinpapier, von Verbundwerkstoffen und von Ölen für die Kosmetikindustrie eingesetzt.

Mais Mais wird in zunehmendem Maße in der Industrie nicht nur zur Erzeugung von Bioenergie eingesetzt. Für verschiedene industrielle Prozesse wie Oberflächenbehandlung und Wärmebzw. Schallisolierung werden Maisspindeln genutzt. Zur Verpackung von zerbrechlichen Waren können Maischips verwendet werden.

Leinöl Die Industrie setzt inzwischen neue Leinölprodukte in Farben und Lacken und als Kleberzusatz in Faserplatten ein. Leinölprodukte können einige Lösemittel und auf Erdöl basierende Chemikalien in den Produktformeln ersetzen. Linoleum (enthält etwa 30 Prozent Leinöl) ist ein besonders belastbarer Fußbodenbelag. Es ist vollständig biologisch abbaubar.

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

71

Bioenergie Dem Bereich Bioenergie gilt zurzeit die größte Aufmerksamkeit. Abgesehen von der Direktverbrennung hat sie jedoch nur einen geringen Anteil am Brennstoffinix. Im Vergleich zu fossilen Energieträgern sind die Produktionskosten für Biokraftstoff (Raps- und Sonnenblumenöle) immer noch sehr hoch und unter den gegenwärtigen wirtschaftlichen Bedingungen nicht wettbewerbsfähig. da sich der ökologische Nutzen solcher Brennstoffe im Vergleich zu traditionellen Brennstoffen nicht im Preis niederschlägt. Insgesamt weisen Biokraftstoffe eine positive Energiebilanz auf, diese fällt aber je nach Pflanzenart unterschiedlich aus.

Hanf Vor allem durch den verbreiteten Einsatz in der Textilindustrie, der Zellstoffherstellung und als Dämmmaterial im Baugewerbe und dem Fahrzeugbau gewinnt Hanf innerhalb der nachwachsenden Rohstoffe immer mehr an Bedeutung. Deshalb werden im Folgenden die Faser- und Ölgewinnung am Beispiel der Kulturpflanze Hanf aufgezeigt.

Fasergewinnung Um die Fasern industriell weiterverarbeiten zu können, müssen die Bastfasern von den Schäben mechanisch getrennt werden (Faseraufschluss). Mit zunehmender Faserfeinheit und -sauberkeit nimmt die Anzahl der notwendigen Verarbeitungsschritte zu. Hohe Feinheitsgrade werden durch mechanische Verfahren wie das so genannte Cottonisieren erzielt. Eine weitere Möglichkeit des Aufschlusses ist durch modeme physikalisch-chemische und enzymatische Verfahren möglich, die jedoch weder für Flachs noch für Hanf Praxisreife erlangt haben. Grundsätzlich bestehen zwei unterschiedliche Wege des mechanischen Faseraufschlusses. Mit Hilfe einer Schwinge können aus dem Hanfstroh Langfasern für den textilen Einsatz gewonnen werden. Hierbei entstehen als Nebenprodukt Kurzfasern, so genannte Werg. Dieses Trennverfahren stellt aber aufwendige Anforderungen an das angewandte Ernteverfahren und den vorgeschalteten Röstprozess. Dem traditionellen Schwingverfahren stehen modeme mechanische Entholzungsverfahren gegenüber. Diese werden auch als Ganz- oder Wirrfaser-Verfahren bezeichnet. Ein großer Vorteil des Entholzungsverfahrens gegenüber der Schwinge stellt die Tatsache dar, dass auch unterrösteter bis grüner Hanf verarbeitet werden kann. Hinsichtlich ihrer Verwendung werden Faserwerkstoffe in Lang-, Kurzfasern und Schäben unterteilt. Langfasern kommen in erster Linie in der Textilindustrie und zur Herstellung von Netzen und Seilen zum Einsatz. Kurzfasern finden vor allem im Bereich Baustoffe (platten, Putz, Dämmstoffe, Vliesstoffe), in naturfaserverstärkten Verbundstoffen, in der Automobilindustrie (Formpressteile, Reibbeläge) und der Papierherstellung (Verpackungsmaterial, Filterrnaterial, Banknoten, Zigarettenpapier) ihre Anwendung. Schäben werden als Einstreu in der Tierhaltung aber in erster Linie zur Energiegewinnung durch Verbrennung genutzt.

Ölgewinnung Im Folgenden werden die heute üblichen Verfahren zur Ölgewinnung dargestellt. Hierbei lässt sich grundsätzlich zwischen der Ölgewinnung mit mechanischen Pressen (Kaltpressen, Heißpressen, Superkaltpressen) sowie der Extraktion mit chemischen Lösungsmitteln unterscheiden.

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4 Werkstoffe

Die ersten Schritte der Ölgewinnung sind für die einzelnen Verfahren identisch. Der Ölgewinnungsprozess beginnt mit der Reinigung der Samen. Hanfsamen müssen im Gegensatz zu Sonnenblumen- oder Baumwollsamen nicht vor der weiteren Verarbeitung geschält werden. Anschließend erfolgt eine Zerkleinerung der Samen. Durch die Zerkleinerung werden die Gewebe und Zellwände, die die Öltröpfchen einschließen, zerrissen. Dadurch vergrößert sich die Ölaustrittsfläche und der Widerstand gegen den Ölaustritt wird verringert.

Gewinnung von Ölen durch mechanische Pressung Für die mechanische Pressung werden hauptsächlich Schneckenpressen verwendet. Durch hohe Prozessdrücke entstehen Temperaturen von bis zu 170°C. Mit zunehmender Erwärmung der Samen auf Temperaturen über 50°C kommt es infolge der Aktivitätssteigerung hydrolytischer Enzyme zu Lipidveränderungen, der Gehalt an freien Fettsäuren nimmt dadurch ab. Beim Kaltpressen werden die Samen ohne Erwärmung und Zellaufschluss direkt im Anschluss an ihre Zerkleinerung bei niedrigem Druck, wodurch die Wärmeentwicklung begrenzt werden kann, mechanisch gepresst. Gleichzeitig werden wegen des niedrigen Drucks kaum Stoffe herausgelöst, die eine Raffination erforderlich machen, so dass als Ergebnis dieses schonenden Pressvorgangs ein qualitativ hochwertiges Speiseöl entsteht. Nachteil des Kaltpressens ist die geringe Ölausbeute. Beim Heißpressen werden die Samen vor der Pressung in Wärmepfannen erwärmt und gleichzeitig mit heißem Wasserdampf behandelt, wodurch noch intakte Zellen zerstört werden und der Austritt des Öls erleichtert wird. Dadurch wird die Ölausbeute erhöht. Gleichzeitig wird durch diese Art der Vorbehandlung die Qualität des Öls herabgesetzt. Aufgrund der geringeren Qualität eignen sich heißgepresste Öle eher für technische Anwendungen. Die Methode des hydraulischen Superkaltpressens ist in der Ölgewinnung nicht weit verbreitet und kommt in der Regel vor allem zur Kakao- und Kokosbutterverarbeitung zum Einsatz. Sie ist jedoch auch für die Verarbeitung von Hanfsamen geeignet. Hierzu ist es jedoch notwendig, die Samen zuvor zu trocknen, da das Superkaltpressen einen höheren Trockensubstanzgehalt als das Kaltpressen erfordert. Die Ölausbeuten mit diesem Verfahren sind zwar geringer, aber aufgrund der niedrigen Temperaturen während des Pressens (max. 30°C) wird ein hochwertiges Öl gewonnen.

Gewinnung von Ölen mit Hilfe von chemischen Lösungsmitteln Nur durch chemische Extraktion mit Lösungsmitteln kann eine vollständige Entölung der Samen erreicht werden. Da sich jedoch Saaten mit einem sehr hohen Ölgehalt nur schwer extrahieren lassen, hat sich heute für die meisten Ölsaaten das kombinierte Verfahren der Vorpressung mit anschließender Extraktion durchgesetzt. Es lassen sich zwei Extraktionsverfahren unterscheiden. Beim Perkolationsverfahren wird die Saat ununterbrochen mit Extraktionsmittel benetzt. Die mechanische Belastung ist gering. Die Teilchen bleiben größtenteils erhalten und wirken als Filter für das Gemisch aus gelöstem Öl und Lösungsmittel (Miscella). Der Ölgehalt der Miscella beträgt bis zu 30 Prozent. Das Perkolationsverfahren ist für gut aufgeschlossene Saat geeignet. Beim Immersionsverfahren wird die Saat komplett in das Extraktionsmittel eingetaucht und durch Rühren ständig in Bewegung gehalten. Hierbei wird die Saat mechanisch belastet. Es

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

73

bildet sich Abrieb, der anschließend aus der Miscella gefiltert werden muss. Der Ölgehalt der Miscella beträgt höchstens 13 Prozent. Das Immersionsverfahren ist für stark rohfaserhaltige Saaten geeignet. Durch die chemische Extraktion kann die Ölausbeute, verglichen mit Kaltpressverfahren, sehr stark erhöht werden. Gleichzeitig hat das Öl jedoch an Qualität eingebüßt und muss zur Entfernung unerwünschter Begleitstoffe, in einem weiteren Schritt raffiniert werden. Durch chemische Extraktion gewonnene Öle eignen sich vor allem für technische Bereiche wie die Herstellung von Farben, Lacken und Tensiden. Anwendungsfelder für Pflanzenöle stellen die Land- und Forstwirtschaft (Hydraulik-, Getriebeund Sägekettenöle), der Bahnverkehr (Schmierstoffe), die Bauindustrie (Linoleum, Schalöl, Farben Lacke), das Reinigungsgewerbe (Schaumbremser in Waschmitteln, Seifen und Reinigungssubstanzen) und der direkte Einsatz als Motorenöl und Biokraftstoff dar.

Holz Holz ist in der Gruppe der nachwachsenden Rohstoffe der wichtigste und industriell am meisten verwendete Werkstoff und kommt in erster Linie in der Bau-, Textil- und Papierindustrie oder zur thermischen Verwertung zum Einsatz.

Aufbau und Struktur Holz besteht vorwiegend aus fest miteinander verbundenen, lang gestreckten Zellen, die sich in Richtung des Baumstammes orientieren. Die Zellen übernehmen im lebenden Baum die Wasserleitung, den Stoffwechsel und die Holzfestigung. Holz ist ein komplexer, faserverstärkter Verbundstoff aus langen, gleichgerichteten, polymeren Röhren (Zellenstruktur) in einer polymeren Matrix. Die Röhrenwände bestehen aus Bündeln von zum Teil kristallinen Zellulosefasern, die unter verschiedenen Winkeln zur Röhrenachse ausgerichtet sind. Dieser Aufbau verleiht dem Holz in Längsrichtung ausgezeichnete Festigkeit. Der Aufbau des Holzes lässt sich am Beispiel des Querschnitts durch einen Nadelholzstamm beschreiben Borke und Bast (Bild 4.8).

=Rinde

Kambium (Wachstumsschicht)

Die Baumrinde setzt sich aus einem 1._ Jahrring (Früh- und Spätholz) abgestorbenen, äußeren Teil (Borke) T und einem lebensfähigen inneren Teil ~-L._Splintholz (Bast) zusammen. Das Wachstum des Markstrahl Baumes erfolgt im Kambium. Die Kernholz Jahrringe bestehen aus dem dünnwandigen Frühholz und dem dickMark wandigen Spätholz. In den gemäßigten Klimazonen ist durch die WachsBild 4.8: Teilquerschnitt des Nadelholzstammes tumsunterbrechung des Holzes im Winter eine Grenzlinie zwischen Früh- und Spätholz sichtbar. Immergrüne tropische Hölzer besitzen ein ungebrochenes Wachstum. Sie bilden keine Jahrringe aus. Splintholz ist lebendes Holz, Kernholz dagegen gealtertes, überwiegend abgestorbenes Holz. Markstrahlen sind in radialer Richtung zum Stamm verlaufende, oftmals nur als Streifen sichtbare Röhrchen [LANG90, LOH99].

74

4 Werkstoffe

Nach der Elementaranalyse ist der chemische Aufbau der verschiedenen Holzarten überwiegend gleich (Tabelle 4.1). Große Unterschiede bestehen bei den Anteilen der chemischen Verbindungen an der Gesamtmasse des Holzes. Die Zellwandsubstanz besteht im Wesentlichen aus einem Verbundsystem von tragenden (Zellulose) und verbindenden (Hemizellulose, Lignin) Teilen. Zusätzlich bestimmen Substanzen wie Harze, Fette sowie Farb- und Gerbstoffe die Artenvielfalt und Holzeigenschaften. Die Inhaltsstoffe sind mit einem Anteil von ca. 2-8 % an der Gesamtmasse des Holzes beteiligt. Tabelle 4.1: Chemischer Aufbau des Holzes [FEN75, KOL5l, WES88] Elementaranalyse von trockenem Holz [Angaben in Massenprozent]

Chemische Verbindungen [Angaben in Massenprozent]

Kohlenstoff

48-51

%

Zellulose

29-65

%

Sauerstoff

43-45

%

Hemizellulose

20-65

%

5-6

%

Lignin

12-38

%

0,2-0,6

%

0,04 - 0,26

%

Wasserstoff Mineralsubstanz (Asche) Stickstoff

Eigenschaften Die Rohdichte des Holzes ist definiert als das Verhältnis von Masse zu Stoffvolumen, das aus Holzfasern (Zellwänden) und Porenräumen des betrachteten HoIzkörpers besteht. Die Dichte der reinen Zellwandsubstanz ist für alle Zellarten etwa gleich groß. Die Unterschiede in der Rohdichte zwischen den einzelnen Holzarten resultieren aus den unterschiedlichen Anteilen von Zellwandsubstanz und Porenraum am betrachteten Stoffvolumen. Die Rohdichte der meisten Hölzer liegt zwischen 0,3 - 0,8 g/cnr', wobei Harthölzer dichter sind als Weichhölzer [GR007; ASK96]. Die Rohdichte ist eine sehr wichtige physikalische und technologische Eigenschaft, da von ihr die meisten anderen Holzeigenschaften abhängen. Sie wird neben der Holzart von der Holzfeuchtigkeit, der Jahrringbreite, den klimatischen Bedingungen und dergleichen mehr beeinflusst. Mit steigender Rohdichte nehmen im Allgemeinen Festigkeit, Elastizität, Härte und Wärmeleitfähigkeit zu. Die Holzfeuchtigkeit wird bestimmt durch das Gewicht des Wassers, das im Holz enthalten ist, bezogen auf das Gewicht des absolut trockenen Holzes (Darrgewicht). Die maximale Holzfeuchtigkeit ist erreicht, wenn die Holzfasern mit Wasser gesättigt sind. Oberhalb der Fasersättigung befmdet sich das Wasser frei in den Porenräumen. In diesem Bereich sind die meisten Holzeigenschaften von der Holzfeuchtigkeit unabhängig. Unterhalb der Fasersättigung befindet sich das Wasser in den Zellwänden und als Dampf in den größeren Zellhohlräumen. Das Holz strebt stets einen Gleichgewichtszustand mit dem Umgebungsklima an. Je nach Veränderung der klimatischen Bedingungen wird Feuchtigkeit aufgenommen oder abgegeben. Infolge der Feuchtigkeitsänderungen treten Quell- und Schwindungsformungen der Holzfasern auf. Quellen bezeichnet eine Volumenvergrößerung des Holzes infolge von Feuchtigkeitszunahme, Schwinden eine Volumenverkleinerung infolge von Feuchtigkeitsabnahme. Das Quellen be-

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

75

sitzt seinen Größtwert in tangentialer Richtung, ist etwa halb so groß in radialer und vernachlässigbar klein in Faserlängsrichtung. Quellen und Schwinden sind etwa gleicher Größenordnung, weitgehend reversibel und je nach Holzart verschieden. Generell nimmt die Volumenänderung mit wachsender Rohdichte zu, da der Anteil der Zellwände am Gesamtvolumen steigt. Aus diesem Grund neigen schwere Hölzer mehr zu Formänderungen infolge von Feuchtigkeitsänderungen als leichtere Hölzer. 105 Holz verhält sich im Kurzzeitversuch bis zu einer N' bestimmten Beanspruchungshöhe vollkommen elasE 90 / E Zug 1 tisch (Bild 4.9). Während die SpannungsdehnungsZ 75 linie fiir Zug bis zur Zugfestigkeit nahezu linear ~I

verläuft, liegt die Proportionalitätsgrenze fiir Druck bei etwa 65 - 85 % der Druckfestigkeit. Oberhalb der Proportionalitätsgrenzen nehmen die Dehnungen stärker zu als die Spannungen. Es treten zu den elastischen auch plastische Verformungen auf. Letztere sind bei Druckbeanspruchung stärker ausgeprägt als bei Zugbeanspruchung.

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60

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I

Die Festigkeit von Holz ist abhängig von den Holzo eigenschaften wie Rohdichte, Ästigkeit, Jahrringo 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 breite und physikalischen Zuständen wie HolzfeuchDehnung [%] tigkeit und Holztemperatur. Die Festigkeiten von Holz werden ähnlich wie bei den Metallen an klei- Bild 4.9: Spannungs-Dehnungsnen, fehlerfreien Proben bei einer Holzfeuchtigkeit Diagramm für Zug- und Druckbeanspruchung in Faserrichtung von u == 12 % (T = 20° C, 65 % relative Luftfeuchvon Nadelholz tigkeit) im Kurzzeitversuch bestimmt. Die ermittelten Festigkeiten dürfen nicht unmittelbar zur Festlegung zulässiger Spannungen fiir die Bemessung tragender Holzbauteile verwandt werden. Sie sind fiir nicht fehlerfreie Holzbauteile wesentlich geringer. Holz ist ein anisotroper und inhomogener Werkstoff. Die Holzeigenschaften wie Festigkeit und Dehnung sind stark von den drei Hauptrichtungen im Baumstamm abhängig. Die Wärmedehnung von Hölzern verläuft wie von Metallen im Gebrauchszustand etwa linear. Die Wärmedehnung ist von der Holzart, der Rohdichte und der Faserrichtung abhängig. Mit wachsender Rohdichte steigen die Wärmedehnzahlen. Sie sind in den drei Hauptrichtungen unterschiedlich groß. Holz besitzt im Vergleich zu anderen Werkstoffen eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Sie ist im Wesentlichen von der Rohdichte, der Holzfeuchtigkeit und der Faserrichtung abhängig. Mit wachsender Rohdichte nimmt die Wärmeleitfähigkeit linear zu, in Faserrichtung ist sie mehr als doppelt so groß wie senkrecht zur Faser. Steigt die Holzfeuchtigkeit um 1 %, so nimmt unterhalb der Fasersättigung die Wärmeleitfähigkeit um etwa 1,25 % zu (bezogen auf das Trockengewicht).

Vollholz Vollholz sind Rund- und Bauschnitthölzer von Nadel- und Laubbäumen. Rundhölzer sind entrindete und entästete Stämme, die ohne weitere Bearbeitung eingesetzt werden. Schnitthöl-

76

4 Werkstoffe

zer sind Holzerzeugnisse mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, die durch Sägen oder Spanen von entrindeten Rundhölzern parallel zur Stammachse hergestellt werden. Vollholz ist als Naturprodukt wenig beeinflussbar. Seine Querschnittsmaße sind durch den Stammdurchmesser beschränkt.

Brettschichtholz Brettschichtholz besteht aus mindestens drei Brettern oder Brettlagen aus Nadelholz, deren gehobelte Breitseiten waagerecht übereinander liegen und miteinander zu einem Gesamtquerschnitt verleimt werden (Bild 4.10). Längsansicht

Queransicht Länge ( I ) : max. 40,0 m, abh. v. d. Transportmöglichkeit 1n-tt~7-i"-~~:.i---&

h

h

b

a

Höhe ( h ) : max. 2,30 m, abh. v. d. Hobelmaschinenbreite Breite ( b ) : max. 220 mm Einzelbrett ( Lamelle) Brettdicke ( a ) : min. 6 mm Brettdicke ( a ) : max. 33 mm ( allgemein)

Bild 4.10: Aufbau von Brettschichtholz [DIN 1052]

Brettschichtholz-Bauteile können in beliebigen Längen hergestellt werden. Ihre Einzelbretter können je nach Brettlage durch Keilzinkenverbindungen an ihren Stirnseiten verbunden werden. Brettschichtholz lässt sich auch als gekrümmtes Bauteil herstellen. Dazu werden die Einzelbretter vor dem Verleimen leicht gekrümmt. Dadurch sind Bauteile in vielfältigen Formen herstellbar.

Holzwerksto.fJe Holzwerkstoffe sind plattenförmige Bauteile, die aus dem Rohstoff Vollholz entstehen, indem der gewachsene Verband mehr oder weniger stark aufgelöst (Furniere, Stäbe, Holzwolle, Späne, Fasern) und in anderer Form, meist unter Zugabe von Bindemitteln, zusammengefügt wird. Durch das Zerkleinern und anschließend meistens gerichtete Zusammenfügen lassen sich physikalische und mechanische Eigenschaften des Ausgangsproduktes Holz verändern. Danach besitzt der Holzwerkstoff wenige oder keine Wachstumsfehler, das Festigkeits- und Verformungsverhalten ist gleichmäßiger als beim Vollholz, ebenso wird die Empfmdlichkeit gegenüber Feuchtigkeitsveränderungen vermindert. Die Verarbeitung von nicht verwertbaren Holzsortimenten zu Holzwerkstoffen führt zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit der Herstellungsprozesse. Holzwerkstoffe lassen sich in die Gruppen Lagerhölzer, Holzspanwerkstoffe und Holzfaserwerkstoffe einteilen. In dieser Reihenfolge sind die Werkstoffe durch den steigenden Zerkleinerungsgrad des gewachsenen Holzes gekennzeichnet [NEU94].

Lagerhölzer werden überwiegend aus großflächigen Furnierabschnitten zusammengesetzt. Unter den Begriff Lagerhölzer fallen Schicht- und Sperrholz. Schichtholz besteht aus mehreren Furnierlagen mit überwiegend einheitlicher Anordnung der Faserrichtung. Bei Sperrhölzern

4.2 Nichtmetallische Werkstoffe

77

sind die Faserrichtungen der einzelnen Schichten unter einem bestimmten Winkel versetzt zueinander angeordnet. Das Sperrholz besteht aus mindestens drei verleimten Holzlagen. Die Lagen können aus Furnieren oder Holzstäben hergestellt werden. Bei Holzspanwerkstoffen handelt es sich um Materialien, bei denen Holzspäne und/oder holzartige Spanstoffe mit Bindemitteln vermengt und je nach Bindemittel, mit oder ohne Wärmezufuhr, verpresst werden. Bindemittel sind Kunstharze, Zement und Gips. Holzspanwerkstoffe werden unterteilt in Holzwolle- und Holzspanplatten. Holz-Wolle-Leichtbauplatten bestehen aus Holzwolle und mineralischen Bindemitteln wie Magnesit und Zement. Bei der Herstellung von Holzfaserwerkstoffen wird das Holz in einzelne Fasern oder Faserbündel zerlegt, die anschließend neu zusammengefügt werden. Die Holzfasern in Holzfaserplatten können durch eine natürliche Bindung im Nassverfahren oder durch Kunstharz als Bindemittel im Trockenverfahren erzielt werden.

78

5

Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

In diesem Kapitel werden die einzelnen Hauptgruppen nach DIN 8580 näher beschrieben. Da im technischen Bereich metallische Werkstoffe nach wie vor die wichtigste Gruppe darstellen, werden die einzelnen Fertigungsverfahren an deren Beispiel erläutert.

5.1

Urformen

Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers durch Schaffen des Zusammenhaltes [DIN 8580]. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes bestimmbar in Erscheinung. Die Hauptgruppe Urformen umfasst sieben Untergruppen (Bild 5.1).

.. ...

Bild 5.1: Einteilung der Hauptgruppe Umformen [DlN 8580]

5.1.1

Urformen aus dem flüssigen Zustand

Bei vielen industriell hergestellten Produkten werden Gießprozesse zur ersten Formgebung genutzt. Gießen ermöglicht dem Konstrukteur weitgehende Gestaltungsfreiheiten. So ergibt sich die besondere Möglichkeit auch kompliziert gestaltete Bauteile wirtschaftlich zu fertigen. E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_5, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

79

5.1 Urformen

Die Einteilung der Gießverfahren erfolgt in Gießen mit verlorenen Formen und Gießen mit Dauerformen, je nach Verwendbarkeit der Formen bzw. Werkzeuge. Die vergießbaren Werkstoffe lassen sich in metallische (eisenhaltige und nichteisenhaltige) und nichtmetallische Werkstoffe unterteilen. Wichtige Eisengusswerkstoffe sind Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL), Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS), weißer und schwarzer Temperguss (GJMW und GJMB) sowie Stahlguss. Bei den Nichteisenmetall-Gusswerkstoffen ist vor allem Aluminium aufgrund seiner guten Vergießbarkeit zu nennen. Bevor ein Werkstoff vergossen werden kann, muss er in einen bei Metallen meist flüssigen, bei anderen Werkstoffen breiigen oder pastenförmigen Zustand versetzt werden. Bei Metallen geschieht dies in Schmelzöfen, die je nach Werkstoff bzw. erforderlicher Schmelztemperatur unterschiedliche Bauarten aufweisen und durch verschiedene Energieformen beheizt werden. In der Regel kann jeder Legierungsgruppe ein bestimmter Ofentyp zugeordnet werden, mit dem die betreffenden Metalllegierungen am günstigsten herzustellen sind. Wichtige Schmelzaggregate sind der Kupolofen (Gusseisen), Induktionsofen (Gusseisen, Stahlguss, Nichteisenmetalle), Lichtbogenofen (Stahlguss) und der elektrisch-, gas- oder ölbeheizte Tiegelofen (Nichteisenmetalle). Bei allen Werkstoffen ist sorgfältiges Schmelzen und genaue Einhaltung einmal festgelegter Legierungsbestandteile und Gießbedingungen entscheidend für die Qualität des entstehenden Gussteils. Die Formgebung durch Gießen unterscheidet sich von anderen Formgebungsverfahren u. a. dadurch, dass das Werkstück seine Gestalt erst nach dem Erstarren aus dem flüssigen Zustand und dem Abkühlen mit einer teilweise erheblichen Schwindung erhält. Die Schwindung ist durch ein entsprechendes Aufinaß (Schwindmaß) zu berücksichtigen (Tabelle 5.1). Die legierungsspezifischen Werte für das Schwindmaß weichen häufig infolge Schwindungsbehinderung ab. Solange diese Abweichungen innerhalb der zulässigen Freimaßtoleranzen liegen oder durch Bearbeitungszugaben aufgefangen werden, stellen sie kein Problem dar. Bei größeren Gussstücken muss jedoch darauf geachtet werden, dass keine einseitige Schwindung z. B. durch unterschiedliche Querschnitte erfolgt. Solche Gussstücke würden sich verziehen; die dabei entstehenden Spannungen könnten zu Rissen führen. Tabelle 5.1: Richtwerte für die lineare Schwindung einiger Gusswerkstoffe [GR004, HOR08] Gusswerkstoffe

lineares Schwindmaß [%]

2,0

Stahlguss Graug',;;u~ss ;;"'

AI-Legierungen

.I1

1,0

"';':';;"'

_

1,1 - 1,5

Zn-Druckgusslegierungen

0,5

Kupfer-Zink-Legierungen

1,5

Die Gestaltungsrichtlinien lassen sich unter den Stichworten fertigungsorientierte und beanspruchungsorientierte Gestaltung zusammenfassen. Einige Richtlinien zum gussgerechten Konstruieren sind (Bild 5.2):

80

• • •

• • • • •

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Einfach herstellbare Formen anstreben und Aushebeschrägen vorsehen. Kerne sind teuer. Kerne einfach gestalten und ihre Anzahl minimieren. Werkstoffanhäufungen, insbesondere an Stellen, die für eine Speisung unzugänglich sind, vermeiden (Lunkergefahr). Materialanhäufungen bei Kreuzverrippungen können durch versetzte Verrippungen vermieden werden. Wanddickenübergänge für gerichtete Erstarrung sorgfältig gestalten. Spannungs- und Eigenspannungsspitzen durch Umgestaltung abbauen. Scharfe Kanten sind ungünstig (Rissgefahr). Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe beachten. Eisengusswerkstoffe sind besser auf Druck als auf Zug belastbar. Bei Bohrungen Ein- und Auslauf senkrecht zur Bohrerachse vorsehen. Spannrnöglichkeiten der Werkstücke und Bearbeitungsauslauf für Werkzeuge beachten.

Die fertig gegossenen, erstarrten und abgekühlten Gusswerkstücke müssen entformt, geputzt und geprüft werden. Bei manchen Werkstoffen schließt sich eine Wärmebehandlung an den Putzvorgang an. Zum Putzen werden die mit verlorenen Formen hergestellten Gusswerkstücke gestrahlt. Speiser, Steiger und Eingüsse werden mit Sägen und Schneidbrennern entfernt. Anschließend werden die Gusswerkstücke auf Maßhaltigkeit und Werkstoffeigenschaften wie Härte und Gefügeausbildung überprüft. ungünstig

günstig

ungünstig

00 88 ~ I '~'''~1

Materialanhäufung

verlauf Bohrungsachse ..L

LunkerbIldung

FläC~

für BearbeilU~ vorsehen

versetzte Verrippung

Kanten entschärfl:~

ijI•••' l

günstig Ein- und Auslauf

Bearbeitete

~

-

~8 ~ t Druck

Druck Guss auf Druck belaste

~

Spannungsübertragung

konstante Wanddicken

Bild 5.2: Wichtige Gestaltungsrichtlinien

5.1.1.1

Gießen mit verlorenen Formen

Zum Gießen mit verlorenen Formen gehören jene Gießverfahren, bei denen die Form nach dem Gießvorgang und nachfolgender Abkühlung des Werkstückes zerstört werden muss. Die Gießformen sind also nur zur einmaligen Verwendung bestimmt. Der verfestigte Formstoff hat somit entscheidenden Einfluss auf die Gussqualität wie Maßhaltigkeit, Oberflächengüte und Gefügeausbildung. Die Form kann ein- oder mehrteilig sein. Die einteilige Form enthält, allseitig vom Formstoff umschlossen, das Modell, welches während des Gießvorganges ausdampft. Die mehrteilige

5.1 Urformen

81

Form besteht aus Ober- und Unterkasten. Die Werkstückabbildung im Formstoffwird mithilfe von Modellen oder Schablonen hergestellt. Die Modelle bestehen aus Holz, Gips, Leichtmetall oder Kunststoff, wobei das Schwindmaß durch die größeren Modellabmessungen (für unterschiedliche Gusswerkstoffe sind verschieden große Modelle für gleiche Werkstückabmessungen erforderlich) berücksichtigt ist. Der nach der Modellentnahme verbleibende Hohlraum in der Gießform wird mit Metallschmelze ausgegossen. Hohlräume im Werkstück werden durch Kerne ausgebildet. Den Form- und Gießvorgang am Beispiel einer ein- und zweiteiligen Form zeigt Bild 5.3. In Bild 5.4 ist der Weg zum fertigen Gussstück dargestellt. verlorenes Schaumstoffmodell

Dauermodell

~

zweiteilige

~Form

l±?

Trebfis

-nrn UilJ

~ Kern

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Speiser

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...

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Bild 5.3: Hohl- und Vollformgießen [SPU81]

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wiederverwendet

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Gussputzerei

l._-~""~r"~--NOt Sandaufbereitung

Sandbunker

Bild 5.4: Der Weg zum fertigen Gussstück [SPU81]

Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung verlorener Formen und Kerne werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

82

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Formen aus tongebundenen Formstoffen Tongebundene Formstoffe sind eine Mischung aus Sand, Bindeton, Wasser und verschiedenen Zusatzstoffen. Der Formgrundstoff ist Sand (Anteil: 80-90 %), der als Füllstoff den Hauptbestandteil des Formstoffs bildet. Formgrundstoffe haben in der Regel keine Bindefunktion, mit Ausnahme der Natursande, die selbst Bindemittel enthalten. Bindemittel sind Stoffe organischer und anorganischer Natur, deren Mischung mit dem Grundstoff und Wasser den Formstoff ergibt. Hauptaufgabe des Formstoff-Bindemittels ist es, dem Formteil die erforderliche Festigkeit zu verleihen. Zusatzstoffe werden dem Formstoff zugemischt, um seine Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. In Formen aus tongebundenen Formstoffen werden Gussstücke aus allen Metallwerkstoffen hergestellt. Die Formstoffverfestigung kleiner und mittlerer Formen erfolgt heute vorwiegend mechanisch mithilfe verschiedener Rüttel-Press-Formmaschinen. Die Nachteile dieser Maschinen, die Vibrationen und die starke Lärmentwicklung, führen zur Entwicklung neuer Formstoffverfestigungsverfahren, wie z. B. der Luftimpulsverdichtung (Bild 5.5). Druck aufbringen

-~==~

Verdichten

-~==~

Bild 5.5: Funktionsschema der Luftimpulsverdichtung [RIE89]

Die Maschine zur Luftimpulsverdichtung besteht aus einer Verdichtungseinheit mit Impulsventil und Druckluftkessel. Darunter ist die Formeinheit angeordnet, die sich aus Modellplattenträger, Modellplatte, Formkasten und Füllrahmen zusammensetzt. Während des Verdichtens sind die Formeinheit und die Verdichtungseinheit kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Verdichtung erfolgt durch das kurzzeitige Öffnen des Ventils. Dabei wird die Formsandmasse mit Druckluft beaufschlagt, in Richtung der feststehenden Modelleinrichtung beschleunigt und beim Abbremsen am Modell verdichtet. Der Verdichtungsdruck beträgt 6 bar [RIE89]. Nassguss Nassguss ist das Gießen in Formen, die aus ungetrockneten Formteilen tongebundener Formstoffe zusammengesetzt werden. Auch das Gießen in oberflächenbehandelte oder oberflächengetrocknete Formen zählt zum Nassguss. Zur Verbesserung der Gussoberfläche können die Formteile durch Auftragen von Suspensionen, Emulsionen oder Lösungen vorbehandelt werden. Der Nassguss ist das vorherrschende Verfahren bei der Herstellung von Gussstücken mit verlorenen Formen.

5.1 Urformen

83

Trockenguss Trockenguss ist das Gießen in Formen aus tongebundenen Formstoffen, denen durch einen Trockenvorgang das Wasser entzogen wird. Durch die Trocknung bei 300 bis 500°C erhält der Formstoff beachtliche Festigkeit. Die Trocknungszeiten betragen je nach Trocknungseinrichtung und Größe der Form 2 bis 20 Stunden. Dabei sollte der Temperaturanstieg nicht höher als 100 °C/h sein. Nach dem Trocknen sollte die Form bald abgegossen werden, da sie nach längerer Zeit wieder Feuchtigkeit anzieht. Die Formen für Trockenguss werden in der gleichen Weise hergestellt, wie die für den Nassguss. Die Entscheidung, ob eine Form im getrockneten oder nassen Zustand abgegossen wird, hängt von der Masse des Gussstückes ab. Große und schwere Teile werden vorwiegend im Trockenguss hergestellt.

Formen aus chemisch gebundenen Formstoffen Zementsandverfahren

Das Zementsandverfahren dient der kostengünstigen, umweltfreundlichen und arbeitshygienisch unbedenklichen Herstellung von Großgussformen. Als Formgrundstoff wird vorwiegend Quarzsand unterschiedlicher Körnung eingesetzt. Als Bindemittel wird aufgrund der günstigen Reaktionsgeschwindigkeit vornehmlich Portlandzement verwendet. Er enthält Bestandteile von Kalziumoxid (CaO), Siliciumdioxid (Si02), Aluminiumoxid (Ah03) und Eisenoxid (Fe203)' Der Zementanteil beträgt 7 bis 10 Gew.-%, der Wasseranteil 5 bis 9 Gew.-% bezogen jeweils auf 100 % des Formgrundstoffes. Die Zeit bis zum Abguss der Form beträgt 24 bis 48 Stunden. Der Vorteil des Verfahrens ist die gute Regenerierbarkeit des Formstoffes. Bis zu 85 % des Zementsandes lassen sich wieder verwenden. Wasserglasverfahren

Das Wasserglasverfahren wird zur Herstellung von Formen und Kernen eingesetzt. Das Formstoffgrundgemisch besteht aus Quarzsand und Wasserglas als eine wässrige Lösung von Alkalisilikaten (z. B. Na2'nSi02). Die Gießformen oder Kerne werden durch Begasen mit CO2 ausgehärtet. Der Begasungsvorgang erfolgt mit handgeführten Duschen oder in Begasungskammern. Für die Eigenschaften der Formstoffinischung ist das Modul (Verhältnis von Si02 zu Na20) von Bedeutung. Die Modulbreite liegt zwischen 2,0 und 3,0. Ein niedriges Modul begünstigt die Lagerfähigkeit der Formstoffmischung und der Formteile. Mischungen mit hohem Modul benötigen beim Aushärten eine geringere Begasungszeit und eignen sich deshalb für die Großserienfertigung. Die Vorteile des Wasserglasverfahrens sind gute Maßhaltigkeit, günstiger und wiederautbereitbarer Formstoff, lange Lagerfähigkeit des Formstoffes sowie die schnelle Aushärtung der Formteile. Dem stehen Nachteile wie unzureichender Kemzerfall und dadurch aufwendige Putzarbeiten sowie eine begrenzte Lagerfähigkeit der Formteile gegenüber. Maskenformverfahren

Maskenformen bzw. Maskenkerne sind Gießereiformkörper, insbesondere Hohlkörper mit dünnen, annähernd gleichen Wanddicken. Die Herstellung erfolgt mit auf 250 bis 300°C beheizten Modellen, Modellplatten und Kernkästen. Das Modell wird zunächst mit einer Trennschicht versehen. Danach wird eine trockene schütt- oder blasfähige Formmasse, die ein Kunstharzbindemittel enthält, aufgebracht, wobei durch Anhärten infolge Kontakts mit der Modelloberfläche und Entfernen der überschüssigen Formmasse Maskenformen entstehen. Die erzeugte Formmaske wird durch Wärme bei ca. 500°C ausgehärtet und abgehoben (Bild 5.6). Die Rückseite der Maskenform wird ggf. in geeigneter Weise verstärkt. Ohne Hinterfüllung

84

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

können Gussstücke mit einer Masse bis 20 kg, mit Hinterfü.llung bis 100 kg hergestellt werden. Die Formmasse ist eine Mischung aus Quarzsand und wärInehärtenden Kunstharzbindemitteln (z. B. Phenolkunstharz). Formstoff Heizhaube (elektrisch beheizt)

Abhebevorrichlung

Gasbrenner

Aufschütten

Formmaske

Aushärten

Abheben

Bild 5.6: Maskenformverfahren

Die Vorteile des Verfahrens sind der geringe Formsandverbrauch, die hohe Maßhaltigkeit, saubere, glatte Oberflächen und die unbegrenzte Lagerfähigkeit der Formmasken. Dabei können alle Metalle vergossen werden. Ein Nachteil ist die teure Modellherstellung, sodass das Verfahren nur für die Serienfertigung in Frage kommt. Hinterschneidungen sind möglich, wenn mehrere miteinander verklebte Formmasken verwendet werden. Das Verfahren wird zur Herstellung von Rippenzylindern für Verbrennungsmotoren und Kompressoren, Schaufel- und Flügelrädern für Strömungsmaschinen sowie Armaturen eingesetzt. Hot- und Cold-Box-Verfahren

Das Hot-Box-Verfahren wird hauptsächlich in der Großserienfertigung von Kernen angewandt. Die Arbeitsvorgänge lassen sich wie folgt beschreiben: • •

• •

Herstellung einer feuchten Mischung aus Sand und Bindemittel (1- und 2-Komponenten Bindemittelsysteme). Einfüllen des Formstoffes in einen auf 180 bis 250°C aufgeheizten Kemkasten und Temperaturangleichung. Der Formstoff härtet an der Oberfläche schnell durch. Die Kemkästen können elektrisch oder mit Gas beheizt werden. Öffnen des Kemkastens und Herausnahrne des Kernes. Neubefüllung. Endgültige Durchhärtung der Kerne beim Lagern zur maximal erreichbaren Durchhärtung.

Die Vorteile des Hot-Box-Verfahrens liegen in der rationellen Fertigung hoher Stückzahlen, der hohen Kernfestigkeit und der guten Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit. Nachteilig wirken sich der hohe Energiebedarf aus sowie, die hohen Werkzeugkosten. Beim Aushärten der Kerne im Werkzeug werden Schadstoffe frei, die abgesaugt werden müssen. Eine Weiterentwicklung des Hot-Box-Verfahrens ist das Cold-Box-Verfahren. Hierbei werden Kerne aus einer Mischung von Sand mit einem 2-Komponenten-Bindemittel hergestellt. Die

5.1 Urformen

85

Aushärtung erfolgt bei Raumtemperatur durch Begasung mit einem tertiären Amin (z. B. Triäthylamin, TEA oder Dimethyläthylamin, DMEA). Gegenüber dem Hot-Box-Verfahren bietet das Cold-Box-Verfahren die Vorteile des geringen Energieverbrauchs und der billigeren Formwerkzeuge. Die Kerne sind sofort verwendbar. Allerdings werden auch hier Schadstoffe freigesetzt. Eine Verbesserung hinsichtlich der Umweltverträglichkeit bietet das Cold-Box-plus-Verfahren durch die Änderung des Härtungsmechanismus [BOE89]. Die Formstoffmischung wird in auf 50°C bis 80 °C vorgewärmte Kernformwerkzeuge gebracht, wobei die Oberflächenschicht des Kernes katalytisch vemetzt. Das Verfahren kommt mit einem erheblich geringeren Bindemittelgehalt und kürzeren Begasungszeiten aus, da der Kern nur an der Oberfläche aushärten muss. Darüber hinaus ist das Verfahren wesentlich wirtschaftlicher als das Hot- bzw. ColdBox-Verfahren. Feingießen (Modellausschmelzverfahren)

Mit dem Feingießen können Teile mit komplizierter Gestalt wirtschaftlich gegossen werden, die auf andere Weise nur schwierig oder gar nicht herzustellen sind. Es werden heute auch Werkstücke gegossen, die ansonsten aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden müssten. Verarbeitet werden alle Metalle und Legierungen, die eine genügend hohe Fließfähigkeit im schmelzflüssigen Zustand aufweisen. Dies sind vor allem Stähle, Aluminium- und Kupferbasis-Legierungen. Der Verfahrensablauf des Feingießens ist im Bild 5.7 schematisch dargestellt.

Gießen der Zusammensetzen Wachsmodelle der Modelle

Hlnlerfijllen

Ausschmelzen

Tauchen in Keramik

Gießen

Besanden

Trennen

Bild 5.7: Fertigungsablaufbeim Modellausschmelzverfahren

Zunächst wird ein Muster aus Holz, Kunststoff oder Metall hergestellt. Nach diesem Muster wird eine geteilte Dauerform aus Stahl, Leichtmetall oder Kunststoff erstellt. Durch Ausgießen bzw. Spritzgießen mit Wachs oder Thermoplasten werden in dieser Dauerform eine große Anzahl kleiner Gussmodelle hergestellt, die anschließend zu einem traubenförmigen Bauteil zusammengeklebt werden. Diese Modelltraube wird in einem Keramiktauchbad mit einem feinen Formstoff überzogen. Durch wiederholtes Eintauchen und Besanden wird der Überzug der Modelltraube verstärkt. Bei größeren Abmessungen der zu gießenden Teile kann die Modelltraube in einem Formkasten durch Hinterfüllen mit Formsand verankert werden.

86

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die so entstandene Form wird längere Zeit bei 40 "C getrocknet; danach erfolgt das Ausschmelzen des Wachses oder des Kunststoffes. Anschließend wird die Form bei etwa 1000 "C über mehrere Stunden hinweg gebrannt. Nach dem Brennen gelangt die noch heiße Form zum Abguss. Das Modellausschmelzverfahren ist eines der genauesten Gießverfahren. Die Vorteile sind die sehr gute Maß- und Formgenauigkeit (Nacharbeit nur bei Passungen erforderlich) sowie die sehr gute Oberflächenqualität. Die Gussteile weisen keine Teilfuge auf. Hinterschneidungen sind möglich. Nachteilig wirkt sich der hohe Aufwand an Einrichtungen, Maschinen, Trockenvorrichtungen, Schmelz- und Brennöfen aus.

Formen aus physikalisch gebundenen Formstoffen Magnetformverfahren Beim Magnetformverfahren (Bild 5.8) wird Eisengranulat als Formstoff in Verbindung mit einem vergasbaren, in der Form verbleibenden Polystyrolschaummodell durch ein starkes Magnetfeld zu einer Gießform verfestigt. Während des Gießvorgangs vergast das Modell; das Magnetfeld stabilisiert die Form bis zum Erstarren des Gussstückes. Grundsätzlich können alle vergießbaren Metalle verarbeitet werden.

Eisenpulver

Modell (z.B. Polystyrol)

Bild 5.8: Magnetformverfahren

Vakuumformverfahren Beim Vakuumformverfahren (Bild 5.9 a-h) wird eine erhitzte und daher gut verformbare Kunststofffolie auf das Modell gesaugt (a, b), ein mit Vakuumanschlüssen versehener Formkasten aufgesetzt (c), binderfreier Formsand eingefüllt (d), die Oberseite des Formkastens mit einer Kunststofffolie abgedeckt und der Kasten evakuiert (e). Der Formkasten kann mit dem nun verfestigten Formsand vom Modell abgehoben (f) und mit dem ebenfalls evakuierten Gegenkasten verklammert werden (g). Die Form kann abgegossen werden, wobei das Vakuum bis zur weitgehenden Erstarrung des Werkstückes aufrecht erhalten werden muss. Nach Aufheben des Vakuums rieselt der binderfreie Sand beim Entformen des Werkstückes aus der Form heraus (h).

87

5.1 Urformen

~

a)

Je

e

L

Heizspirale Folie

-

~

b)

.......

Kontu r ei ner

d)

f)

Luflwird

[J-~:[[]:labgesaugt

T~enerSand

g)

Saugrohr mit Filterhulle

~~

Modellhälfte

Vakuumkaste

___ ~

r~~l-~'

h)

-

------ .:e --- -------

~ ~1

Bild 5.9: Vakuumformverfahren

5.1.1.2

Gießen mit Dauerformen

Im Gegensatz zum Gießen mit verlorenen Formen wird beim Gießen mit Dauerformen die Gießform (Gießwerkzeug) nicht zerstört. Diese kann somit wieder verwendet werden. Dauerformen werden in der Regel aus Grauguss, Temperguss oder aus Warmarbeitsstählen hergestellt Die Bearbeitung erfolgt meistens durch spanende Fertigungsverfahren. Die Funkenerosion gewinnt bei der Herstellung und Bearbeitung von Gießwerkzeugen jedoch zunehmend an Bedeutung. Der Anwendungsbereich von Dauerformen ist die Fertigung großer Stückzahlen maßgleicher Gussrohlinge. Der konstruktive Aufbau von Dauerformen ist abhängig von dem Gießverfahren, für das sie eingesetzt werden sollen und vom Automatisienmgsgrad, den man aus wirtschaftlichen Griinden vertreten kann. Da Gießwerkzeuge hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, kommt der Konstruktion der Dauerform im Hinblick auf eine möglichst hohe Standzeit eine große Bedeutung zu. Die Gießwerkzeuge weisen in der Regel Standzeiten von 5000 Abgüssen bei Eisenwerkstoffen und 250 000 Abgüssen bei Zinkwerkstoffen auf. Mit zunehmender Anzahl der Abgüsse steigt jedoch der Entgrataufwand infolge Werkzeugverschleiß und Formrissen [SPU81, SCH05, BODOl] . Einige Gießverfahren mit Dauerformen erlauben die Verwendung von verlorenen Formteilen und Kernen. Sofern keine verlorenen Formteile verwendet werden, bietet das Gießen in Dauerformen den Vorteil einer Werkstückoberfläche, die frei von Silikateinschlüssen ist, was sich in der hohen Standzeit der Werkzeuge bei der spanenden Nachbearbeitung bemerkbar macht.

88

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Schwerkraft-Kokillengießen

Das Schwerkraft-Kokillengießverfahren ist für nahezu alle vergießbaren Metalle einsetzbar. Hauptsächlich werden jedoch Gussteile aus Aluminium-, Magnesiumund Kupferlegierungen gefertigt. Die Metallschmelze wird von oben durch die Schwerkraft in eine meist geteilte Form eingefüllt (Bild 5.10). Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kokillenwerkstoffes liegt ein entsprechend schneller Abkühlungsvorgang des flüssigen Metalls vor. Um Volumendefizite (Lunker) zu vermeiden, ist eine gerichtete Erstarrung anzustreben, d. h. die Erstarrung sollte an den entlegenen Stellen des Formhohlraumes beginnen und fortlaufend in Richtung des Eingusses fortschreiten. Der Kokillenguss ist für eine Steuerung der Erstarrung sehr gut geeignet, da Kühleinsätze in der Kokille verwendet werden können.

Haltering für Kern

ungeteilte Kokille

Bild 5.10: Einzelkokille mit Sandkem zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen

Der Temperaturverlauf der Kokille erfolgt periodisch mit einem Temperaturanstieg beim Abguss und einer Abkühlung während des Erstarrens und des Ausbauens des Gussteils sowie der Vorbereitung zum nächsten Abguss. Die mittlere Kokillentemperatur sollte jedoch einen bestimmten, über die gesamte Schicht konstanten Wert (bei Aluminium-Kokillenguss ca. 350 bis 480°C) beibehalten. Am Anfang der Schicht wird die Kokille deshalb vorgewärmt. Beim Formabguss muss für eine gute Entlüftung der Hohlräume gesorgt werden. Dafür sind in der Kokille Abluftkanäle vorhanden. Es können verlorene Formteile und Kerne verwendet und Gussstücke mit einer Masse von 100 kg, in Sonderfällen auch darüber, gegossen werden. Niederdruck-Kokillengießen

Niederdruck-Gießverfahren (ND-Gießverfahren) sind Gießanordnungen, bei denen eine Metallschmelze mittels eines Steigrohres von unten in den Formhohlraum gedrückt wird. Der Druck wird mit einem auf die Oberfläche der Schmelze wirkenden Gas erzeugt (Bild 5.11). Die Gießdrücke richten sich nach der maximalen Förderhöhe der Schmelze und ihrer Dichte. Es herrscht ein Überdruck im Bereich von 0,4 bis 1,2 bar. Als Druckgase werden hauptsächlich Luft oder Schutzgase angewandt. Der Druck auf die Oberfläche der Schmelze wird aufrechterhalten bis die Erstarrung des Gussteils in der Form abgeschlossen ist. Dadurch wird die Nachspeisung zum Ausgleich des Volumendefizits (Lunker) beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand ermöglicht. Eine Entlüftung der Form ist vorzusehen. Der Einsatz von mineralischen verlorenen Formteilen ist möglich.

89

5.1 Urformen

Das Verfahren bietet folgende Vorteile: •

•

ruhige, quasilaminare Metallströmung in der Form; die zu verdrängende Luft kann nach oben abziehen gute Festigkeitswerte und dichtes Gefüge sowie höhere Standzeiten der Formen im Vergleich zum Druckguss

Dem stehen im Vergleich zum Druckguss Nachteile gegenüber wie: • • •

schlechtere Oberfläche geringere Formgenauigkeit größere Wanddicken der Werkstücke

Heizelement Bild 5.11: Niederdruck-Gießverfahren

Mit dem ND-Gießverfahren werden hauptsächlich Aluminiumwerkstoffe verarbeitet. Magnesium-, Kupfer- und Stahlwerkstoffe können aber ebenfalls gegossen werden. Druckgießen

Beim Druckgießen werden hauptsächlich NE-Metalllegierungen unter hohem Druck in Dauerformen vergossen, wo sie schnell erstarren. Das Einbringen der Metallschmelze in die Form erfolgt durch einen Kolben bei Drücken bis ca. 1200 bar. Dazu sind Fonn-Schließkräfte in der Größenordnung von bis zu mehreren zehntausend kN erforderlich. Durch den hohen Druck werden auch feinste Einzelheiten abgeformt, Die teuren Formen ermöglichen wirtschaftliches Druckgießen nur bei genügend hohen Stückzahlen.

Hydraulikantrieb bewegliche Formhälfte Bis 1200 bar i

Heizelement Bild 5.12: Prinzip der Wannkammer-Druckgießmaschine

Das Hauptunterscheidungsmerkmal von Druckgießmaschinen ist die Temperatur der Gießkammer. Beim Warmkammer-Verfahren liegt die Gießkammer im beheizten Metallbad und ist vertikal angeordnet (Bild 5.12). In Warmkarnmermaschinen werden vorzugsweise Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten, z. B. Zinklegierungen verarbeitet. KaZtkammermaschinen stehen in Ausführungen mit horizontaler und vertikaler Druckkarnmer zur Verfügung (Bild 5.13). Mit Kaltkammermaschinen können prinzipiell alle gießfähigen Schmelzen vergossen werden. Die in der Gießform eingeschlossene Luft muss abgeführt werden, um optimale Formfüllung zu erreichen. Dies kann durch verschiedene Maßnahmen erfolgen, z. B. durch Entlüftung der Form und Verdrängung der Luft durch das einströmende Metall, durch teilweise oder vollständige Absaugung der Luft vor dem Abguss oder durch ständiges Arbeiten der Gießform im Vakuum.

90

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Damit eine schnelle Erstarrung der Werkstücke erfolgen kann und hohe Ausbringungsquoten möglich sind, müssen die Formen gekühlt werden. Dazu dienen Kühlwasserkanäle bzw. spezielle Wärmeleitrohre, die an ein Kühlsystem angeschlossen sind [SPE89].

bewegliche Formhälfte

! I~ Druckkolben ~ . Schmelze

Die Vorteile des Druckgießens sind: • • • •

saubere, glatte Oberflächen hohe Maßgenauigkeit geringe Wanddicken hohe Mengenleistung

Die Nachteile des Druckgießens sind: •

• •

Bild 5.13: Prinzip der Kaltkammer-

poröses Gefüge durch Lufteinschlüsse, wenn Druckgießmaschine nicht besondere Maßnahmen zur Formentlüftung getroffen werden und somit niedrige Festigkeitswerte unwirtschaftlich für kleine Losgrößen hohe thermische und mechanische Belastung der teuren Formen

Druckguss ist die wichtigste Gießtechnik für NE-Metalle. Gegossen werden Teile mit Massen bis zu 50 kg für den Fahrzeugbau, die Elektro- und Haushaltsgeräteherstellung, die optische und feinmechanische Industrie, die Unterhaltungselektronik und die Computertechnik. Schleudergießen Beim Schleudergießen gelangt die Metallschmelze unter Einwirkung der Zentrifugalkraft in die rotierende Form und erstarrt dort. Je nach Lage der Drehachse werden zwei Arten von Gießverfahren, das vertikale und das horizontale Schleudergießen unterschieden (Bild 5.14). Durch das Schleudergießen werden hauptsächlich rohr- oder ringförmige Werkstücke hergestellt, wobei auf die Verwendung von Kernen zur Bildung von Hohlräumen verzichtet werden kann. In der Form verteilt sich die Schmelze gleichmäßig über die gesamte Innenfläche. Zentrifugal-, Schwer- und Reibungskräfte lassen einen Rotationskörper mit gleichmäßiger Wanddicke entstehen.

~ Bild 5.14: Schleudergießverfahren mit vertikaler und horizontaler Drehachse [SPU8l]

5.1 Urformen

91

Sofort nach dem Einfließen des Metalls beginnt, ausgehend von der gekühlten Forminnenwand, der Erstarrungsprozess, der durch die Wärmeleitvorgänge zwischen Form und Gussstück beeinflusst wird. Durch die Schwindung beim Erstarren des Gussstückes entsteht zwischen Werkstückoberfläche und Form ein Luftspalt, der vor allem bei Stahl zu Warmrissen im Werkstück führen kann. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte wandern die schwereren Bestandteile der Schmelze an die äußere Rotationsoberfläche und verdrängen dort die leichteren Bestandteile (z. B. Schlacke) und Lunker. Das Werkstoffgefüge wird verdichtet, wodurch die Festigkeit zunimmt. Der durch diesen Vorgang mit Schlacke, Lunkern usw. angereicherte Innenbereich hat für die Funktion des Gussstückes meistens eine geringere Bedeutung. Schleudergießformen sind bei höheren Drehzahlen hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Je nach Drehzahl können Flächendrücke von 80 bis 170 N/m2 erreicht werden [SPU8l, SeH05]. Durch die thermische Belastung kommt es an der Innenfläche der Form zu einer wechselnden Zugspannung und an der gekühlten Außenfläche der Form zu wechselnden Druckspannungen. Diese Spannungsdifferenzen führen zu Rissen durch Werkstoffermüdung. Die Risse verschlechtern die Werkstückoberfläche und machen die Form schließlich unbrauchbar. Bei geringen Drehzahlen können die Schleudergießformen mit verlorenen Sandformen ausgekleidet werden. Die Vorteile des Verfahrens, verglichen mit dem Schwerkraft-Kokillenguss, sind höhere Festigkeiten der Werkstücke, größere Stückzahlen und kleineres Gewicht der Gussstücke durch Verminderung der Wanddicken. Ein Nachteil sind die hohen Investitionskosten. Mit dem Schleudergießverfahren können alle vergießbaren Metalle verarbeitet werden, insbesondere Gusseisen, Stahl, Leichtmetall- und Kupferlegierungen. Gegossen werden Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren und Kompressoren, Buchsen für Kolbenringe, Riemenscheiben und Zahnräder. Stranggießen

Beim kontinuierlichen Stranggießen wird die Schmelze von einem Warmhalteofen über ein Einlaufgefäß in eine wassergekühlte Kokille eingegossen, in der sie zu einem Strang erstarrt. Der Strang wird von Transportwalzen aus der Kokille gezogen und von einer mitlaufenden Säge oder einem Schneidbrenner in Abschnitte mit einer beliebigen Länge getrennt. Das Fassungsvermögen des Einlaufgefäßes ist so bemessen, dass beim Nachfüllen des Warmhalteofens keine Unterbrechung des Gießvorganges erfolgt. Das Einlaufgefäß dient also lediglich als Puffer. Die Kokille besteht im wesentlichen aus einem beiderseits offenen Rohr, das mit einem wasserdurchflossenen Kühlmantel versehen ist. Die Zuflussgeschwindigkeit des Metalls in die Kokille und die Drehzahl der Förderwalzen sind so aufeinander abgestimmt, dass der Metallspiegel im Einlaufgefäß eine stets konstante Höhe hat. Mit dem Stranggießen werden Gusseisen und Stahlwerkstoffe, Leicht- und Schwermetalllegierungen verarbeitet. Gegossen werden Stränge (Durchmesser 13 bis 500 mm, Vierkantprofile, Blockvormaterial für Warmwalzwerke und zum Teil komplizierte Profile, z. B. zur Herstellung von Maschinentischen. Je nach den Strangquerschnitten betragen die Gießgeschwindigkeiten bis zu mehrere Meter pro Minute. Stranggießanlagen können horizontal (Bild 5.15) oder vertikal angeordnet werden. Neben der kontinuierlichen Arbeitsweise sind auch Anlagen zum diskontinuierlichen Strangguss im Einsatz.

92

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

---

Warmhalteofen

Einlaufgefäß

Zwischenstück

,-Il;i~~-_-..!!..-

Bild 5.15: Prinzip einer horizontalen kontinuierlichen Stranggießanlage [SPU81]

5.1.2

Urformen aus dem ionisierten Zustand

Galvanoformung Die elektrolytische Abscheidung von Metallen aus wässrigen Lösungen ihrer Salze (Galvanotechnik) ist ein Verfahren, das hauptsächlich zur Erzeugung von Beschichtungen mit den vielfaltigsten Aufgaben dient. Neben diesem wichtigen Anwendungsgebiet kann die Galvanotechnik auch zur Herstellung von selbsttragenden metallischen Werkstücken (Galvanoformung) eingesetzt werden. Dabei werden ausreichend dicke Metallschichten auf elektrisch leitenden Modellen, die anschließend wieder entfernt werden, in einem Elektrolyt abgeschieden. Die Galvanoformung ermöglicht die Herstellung kompliziert geformter Bauteile in einem Arbeitsgang ohne spanabtragendes Bearbeiten. Meistens werden zu diesem Zweck Nickel- oder Kupfer-Hochleistungsbäder verwendet, in Einzelfallenjedoch auch spezielle Legierungsbäder. Eine Anlage zur Galvanoformung umfasst einen Elektrolysebehälter mit einem Elektrolyt, in dem sich Anoden und als Kathode ein elektrisch leitfähiges Modell, auf dem abgeschieden wird, befinden (Bild 5.16). Zur Abscheidung wird eine äußere Gleichstromquelle angeschlossen. Heizung bzw. Kühlung (bei hohen Abscheidungsraten und entsprechend hohen Stromdichten) sowie Umwälzung des Elektrolyts sind meist erforderlich. Bei der Herstellung eines galvanogeformten Bauteils müssen folgende Teilschritte durchgeführt werden: •

Herstellen eines Badmodells aus Metall oder Kunststoff und entsprechende Vorbehandlung (Trennmittel, Leitlack). Das Badmodell besitzt die Negativform des Werkstücks und ist für einen mehrmaligen Einsatz geeignet.

5.1 Urformen

•

•

93

Galvanisches Abscheiden einer ausreichend dicken Metallschicht auf dem Badmodell (0,1 mm bis mehrere mm Schichtdicke; Abscheidungsraten konventioneller Verfahren betragen ca. 25 bis 50 um/h; bei neuen Verfahren betragen sie bis zu 1 mmIh). Trennen des galvanogeformten Teils vom Badmodell und ggf. Nacharbeit durch z. B. Hinterfüllen.

08

------ j

-------------------------------

:= = =============~ - = -= - -- -- - - ~--===- ----------- -

-------

---

:====----==============! -=====Modell

Beschichtetes Modell

Elektrolytisches Beschichten

Fertiges Werkstück

Bild 5.16: Arbeitsweise der Galvanoformung

Die Galvanoformung kann mit billigen Massenproduktionsverfahren nicht konkurrieren. Man setzt sie zweckmäßigerweise nur dann ein, wenn es die Komplexität der Bauteile erfordert, oder wenn nur Einzelstücke oder Prototypen benötigt werden. Besonders vorteilhaft an der Galvanoformung ist, dass sich eine hohe Abformgenauigkeit (bis zu 0,05 um) erzielen lässt. Die Anwendungen der Galvanoformung sind sehr vielfältig. Typische, durch Galvanoformung hergestellte Bauteile sind: Siebe für analytische Zwecke, Filter, Hohlleiter für Mikrowellen, Scherblätter für Elektrorasierer, Schallplattenpressmatrizen, Spritz- und Gießformen für die Kunststoffverarbeitung und Erodierelektroden. Zu den dekorativen Anwendungen zählt die Herstellung von Münzen, Medaillen, Plaketten und Skulpturen.

5.1.3 5.1.3.1

Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand Sintern

Die pulvermetallurgischen Technologien werden in DIN 8580 der Gruppe 1.4, dem Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand zugeordnet. Die dort beschriebenen Verfahren führen allerdings nur zu einem ungesinterten Pressling (in der Fachsprache als Grünling bezeichnet), der in der Regel für eine technische Verwendung nicht geeignet ist. Erst durch eine Sinterung, d. h. durch eine Neukrista1lisation und eine Nachbearbeitung, entsteht ein technisch verwendbares Werkstück. Beim Sintern findet eine Änderung der Stoffeigenschaften statt, sodass das Sintern auch der Hauptgruppe 6 "Stoffeigenschaft ändern" zugeordnet werden kann.

94

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die Herstellung von Sinterteilen vollzieht sich in mehreren Verfahrensschritten (Bild 5.17). Die wichtigsten werden im Folgenden näher erläutert. Pulverherstellung

Mischen

~ Pressen

[Siiitem I Lr==- Schutzgas -=--=--_---,U .4!p- ..dIBz=

=sßr==oD=

Nachbearbeitung Kalibrieren

örtliche Gefügeverschmelzung

~ Hohlräume

mögliche Weiterbehandlung: Tränken (ölgetränkte Sinterlagerschalen)

Bild 5.17: Verfahrensschritte zur Herstellung von Sinterteilen [HUP89]

Verfahren zur Pulverherstellung Die Ansprüche, die an Größe, Form, Größenverteilung und Reinheit des Metallpulvers gestellt werden, sind bei verschiedenen Sintererzeugnissen sehr unterschiedlich. Um diesen Ansprüchen zu genügen, ist eine Vielzahl chemischer, elektrochemischer und mechanischer Zerkleinerungsverfahren entwickelt worden. Pressen des Pulvers Die Formgebung gesinterter Werkstücke erfolgt meistens durch das koaxiale Pressen. Das Werkzeug besteht aus einer Matrize und aus einem Ober- und Unterstempel. Die Verdichtung kann mit einseitiger und zweiseitiger Druckanwendung erfolgen. Grundsätzlich ist auf eine homogene Verdichtung zu achten, vor allem bei Werkstücken mit verschiedenen Querschnitten. Weitere mögliche Formgebungsverfahren für Sintererzeugnisse werden in Kapitel 6 vorgestellt. Sintern Der Sintervorgang ist eine Wärmebehandlung der Presslinge unter Schutzgas bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur, oft in Gegenwart einer geringen Menge flüssiger Phase. Dabei entstehen chemische und metallurgische Bindungen zwischen den einzelnen Partikeln (Neukristallisation durch Austausch von Atomen und Atomgruppen), die zu einer Struktur mit hoher Festigkeit führen. Vorher lose beigemischte Legierungskomponenten werden häufig in das neu entstandene Gefüge eingebaut.

5.1 Urformen

95

Nachpressen und Kalibrieren

Das Nachpressen bzw. Kalibrieren ist das wichtigste Verfahren der Nachbehandlung von gesinterten Werkstücken. Hierdurch kann eine Verbesserung der Maßgenauigkeit (bei weichen Sinterwerkstoffen können die Toleranzen von IT9 bis ITlO auf IT4 bis IT5, bei harten Sinterwerkstoffen aufIT7 bis IT8 verbessert werden) und Oberflächengüte sowie eine Steigerung der Festigkeit durch Kaltverformung erzielt werden. Tränken Der Porenraum der Sinterwerkstoffe kann zur Tränkung mit verschiedenen Medien benutzt werden, insbesondere dann, wenn er größere zusammenhängende Bereiche enthält. Vielfach angewandt wird die Tränkung mit Gleitmitteln (Gleitlager), Kunststoffen (Bauteile für Hydraulikpumpen), Rostschutzmitteln und Metallen (hochwertige Kontaktwerkstoffe).

Die Sintertechnik hat im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren entscheidende Vorteile, wie eine hohe Rohstoffausnutzung und einen geringen Energieverbrauch, zu bieten. Durch die Entwicklung neuer Pulver, Werkstoffe und Verfahren wird der Einsatzbereich der Sintertechnik weiterhin wachsen. Weitere Vorteile dieser Technik sind: • • • •

die Porosität von Sinterteilen ist in weiten Grenzen steuerbar Bearbeitung von Metallen mit hohen Schmelzpunkten, die schlecht vergießbar sind (Wolfram, Molybdän, Tantal) Herstellung von Metallen mit hohen Reinheitsgraden und Werkstoffen aus nicht legierbaren Elementen Herstellung von Werkstücken aus harten und spröden Werkstoffen, die spanend nicht bearbeitbar sind

Den Vorteilen der Sintertechnik stehen Nachteile gegenüber, wie der hohe Kapitalbedarf und die begrenzten Gestaltungsmöglichkeiten.

5.1.3.2

Selektives Lasersintem (SLS)

Selektives Lasersintern ist das Sintern bzw. Verschmelzen von pulverförmigem Material unter Energiezufuhr (Wärmeeinwirkung) eines Laserstrahls, Es ist ein junges Fertigungsverfahren. Die Prozessentwicklung wurde erst Ende der 1980er Jahre aufgenommen [DEC86]. Durch schichtweises Aufbauen dünner Bauteilquerschnitte in einem Pulverbett mittels eines feinen Laserstrahls können auch komplexe Bauteilgeometrien gefertigt werden. Beim Selektiven Lasersintern wird kein formgebendes Werkzeug benötigt, da die Bauteilgeometrie durch die Positionierung des Laserstrahls bestimmt wird. Die nötigen Informationen zur exakten Position des Lasers erhält die Anlagensteuerung einer SLS-Anlage aus aufbereiteten CAD-Daten des Bauteils. Anfänglich war nur das Aufschmelzen von Kunststoffpulvern möglich. Da prinzipiell jedes schmelzbare Material beim SLS verarbeitet werden kann, wurde die Werkstoffpalette innerhalb kürzester Zeit auf Metalle und Keramiken erweitert [SUB92].

Trifft das infrarote Licht eines Laserstrahls auf das Pulverbett, so wird an deren Oberfläche ein Teil der Energie des Strahls adsorbiert und in Wärme umgesetzt. Die Pulverpartikel, die sich innerhalb des Wirkungsbereichs des Strahls befinden, werden teilweise oder ganz aufgeschmolzen und verbinden sich. Da der Laserstrahl während des Prozesses über der Pulverbettoberfläche wandert, erstarrt das aufgeschmolzene Pulver nach der Lasereinwirkung und bildet

96

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

eine zusammenhängende Schicht. Das umliegende, nicht vom Strahl erfasste Pulver bleibt in seinem losen Zustand erhalten. Der typische Aufbau einer SLS-Anlage ist in Bild 5.18 schematisch dargestellt. Das Beschichtungssystem, die Pulvervorratskammer und die Baukammer sind in einer Ebene angeordnet. Darüber befmden sich der Laser und der für die Ablenkung des Strahls notwendige Scanner. Aufgrund der großen erforderlichen Leistungen haben sich vor allem COrLaser in der industriellen Anwendung durchgesetzt. Mithilfe einer Flachfeldlinse kann der Strahl sehr fein fokussiert werden. Das Werkstück wird Schicht für Schicht in der Baukammer durch Sintern erzeugt. Ist eine komplette Schicht gefertigt, so verfährt die Baukammer um die Dicke einer Schicht nach unten. Parallel hierzu hebt sich die Pulvervorratskammer an. Mithilfe des Wischers wird das über die Bauebene herausragende Pulver vom Vorratsbehälter auf die Oberfläche der Baukammer gleichmäßig verteilt. Überschüssiges Pulver wird vom Wischer in die Pulverauffangkammer geschoben. Auf diese Weise wird Schicht für Schicht das komplette Bauteil gefertigt.

...

Wischer

Bild 5.18: Schematischer Aufbau einer SLS-Anlage [WIROO]

Es wird zwischen dem direkten und dem indirekten Lasersintern unterschieden. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Verfahren ist die Leistung des eingesetzten Lasers. Beim indirekten Lasersintern werden Laser mit Leistungen zwischen 50 und 100 Watt eingesetzt. Dem Pulver wird ein Binder zugemischt und es wird nur teilweise aufgeschmolzen. Der so entstandene Grünling muss anschließend zum Ausbrennen des Binders im Ofen nachgesintert werden. Beim direkten Lasersintern werden Laser mit über 1000 Watt Leistung eingesetzt. Hierbei wird eine Pulvermischung mit verschiedenen Legierungsanteilen komplett aufgeschmolzen. Dem Pulver werden keine Bindemittel zugesetzt. Auf diese Weise entsteht ein fertig gesintertes Bauteil. In Bild 5.19 sind beide Verfahren einander gegenübergestellt. Zur Nachbehandlung und Festigkeitssteigerung können die oben für das Sintern besprochenen Nachbehandlungsverfahren angewandt werden.

97

5.2 Umformen

Indirektes SLS

Direktes SLS

I Pulver 1

SLS-Prozess 50Watl 200°C Pulverbetltemperatur

SLS-Prozess 1100 Wall 1000°C Pulverbelltemperatur

fertiges Bauteil

Bild 5.19: Verglei ch zwischen indirektem und direktem SLS-Verfahren [YON96]

Ein spezielles Lasersinterverfahren stellt das Laserschmelzen dar. Hierbei wird mit sehr hohen Laserleistungen, bzw. einer verlangsamten Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls über das Pulverbett gearbeitet. Auf diese Weise wird eine große Energieeinbringung in das Pulverbett erreicht, sodass das Pulver komplett aufgeschmolzen wird. Das Pulver besteht zu 100 % aus dem gewünschten Werkstückwerkstoff. Das durch Laserschmelzen erzeugte Bauteil weist gegenüber dem direkten Lasersintern eine deutlich gleichmäßigere Gefügestruktur auf und entspricht in seinen technischen Eigenschaften, wie z. B. Zugfestigkeit und Zerspanbarkeit, annähernd den Werten des vollen Materials.

5.2

Umformen

Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers. Dabei werden sowohl die Masse als auch der Zusammenhalt beibehalten [DIN 8582]. Zur Einordnung der mehr als 200 verschiedenen Umformverfahren mit unzähligen Verfahrensvarianten wird die beim Umformprozess hauptsächlich wirksame Beanspruchungsart (Spannungsart und -richtung) herangezogen (Bild 5.20). Die weitere Einteilung in Untergruppen geschieht nach Kriterien des Bewegungsablaufs und der Werkzeug- oder Werkstückgeometrie.

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

98

Bild 5.20: Einteilung der Hauptgruppe Umformen [DIN 8582]

Von den Verfahren der anderen Hauptgruppen der Fertigungstechnik unterscheiden sich die Umformverfahren besonders durch den erforderlichen hohen Kraftaufwand, durch die Einbeziehung meist des gesamten Werkstückes in den Bearbeitungsprozess und durch die meist kurzen Bearbeitungszeiten mit hoher Mengenleistung. Umformen erfolgt oberhalb der Fließgrenze eines Werkstoffes, d. h. im plastischen Bereich. Deshalb können nur solche Werkstoffe umgeformt werden, die ein ausgeprägtes plastisches Verhalten aufweisen. Metalle und thermoplastische Kunststoffe erfüllen diese Voraussetzung, mineralische Werkstoffe nicht oder nur in geringem Maße. Umformverfahren arbeiten mit mechanischen Spannungen zwischen 50 und 2500 N/mm 2 (werkstoff- und verfahrensabhängig). Bei ausgedehnten Werkstücken resultieren daraus große Kräfte (bis über 100 kN bei großen Schmiedepressen), sodass Umformmaschinen meist massiv gebaut und daher teuer sind. Ähnliches gilt für die Werkzeuge , die einen hohen Herstellungsaufwand erfordern. Dies ist der Grund dafür, dass Umformverfahren meist nur in der Massenproduktion (hohe Stückzahlen) Anwendung finden. Der Anteil der Umformtechnik an der Produktionsleistung der Fertigungsverfahren nimmt ständig zu. Dies beruht wesentlich auf dem Umstand, dass Massengüter billig und Rohstoff sparend hergestellt werden können und dass hohe Anforderungen an die Festigkeit der Werkstücke erfüllt werden. In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Verfahren der Gruppen Druck-, Zugdruck- und Zugumformen behandelt.

5.2.1

Druckumformen

Druckumformen ist Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im wesentlichen durch ein- oder mehrachsige Druckbeanspruchung herbeigeführt wird [DIN 8583]. Zum Druckumformen gehören die Verfahren Walzen, Freiformen, Gesenkformen, Eindrücken und Durchdrücken.

99

5.2 Umformen

5.2.1.1

Walzen

Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen mit einem oder mehreren sich drehendenWerkzeugen (Walzen), ohne oder mit Zusatzwerkzeugen (z. B. Stopfen oder Dome, Stangen, Führungswerkzeuge) [DIN 8583]. Das Werkstück wird dabei nicht in einem Schritt, sondern in zeitlicher Abfolge mit dem Abwälzen der Werkzeuge umgeformt. Die Fertigungsverfahren des Walzens werden nach den Kriterien Kinematik. (Längs-, Quer-, Schrägwalzen), Werkzeuggeometrie (Flach-, Profilwalzen) und Werkstückgeometrie (Walzen von Voll- bzw. Hohlkörpern) unterteilt.

Walzverfahren Längswalzen Längswalzen ist Walzen, bei dem das Walzgut senkrecht zu den Walzachsen ohne Drehung durch den Walzspalt bewegt wird (Bild 5.21). DuogefÜst

Triogerüst

QuatrogefÜst

2o-WaizengefÜst

Arbeitswalze

Bild 5.21: Anordnung der Walzen in Walzgerüsten

Das wichtigste Verfahren des Längswalzens ist das Flachwalzen von Blechtafeln und -bändern. Hierbei kommen glatte Walzen zur Anwendung, die in Walzgerüsten gelagert sind und meist elektrisch über Getriebe und Gelenkwellen angetrieben werden. Je nach gewünschtem Umformgrad und Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberf1ächengüte wird das Walzgut warm oder kalt gewalzt. Beim Warmwalzen werden in der Regel Duogerüste eingesetzt, die oft zu Walzstraßen hintereinander angeordnet sind und automatisch gesteuert werden. Beim Kaltwalzen kommen Gerüste mit mehreren Walzen (4-,6-, 12-, und 20-Walzen-Geriiste) zur Anwendung, deren Arbeitswalzen hinsichtlich ihres Durchmessers klein dimensioniert sind. Der Vorteil klein dimensionierter Walzen ist der geringere Kraftaufwand beim Umformen . Ihre verringerte Steifigkeit muss allerdings durch Anbringen besonderer Stützwalzen kompensiert werden. Darüber hinaus sind klein dimensionierte Arbeitswalzen billiger in der Herstellung, was auf die kleinere zu bearbeitende Oberfläche, die sehr hohen Anforderungen hinsichtlich ihrer Güte genügen muss, zurü.ckzufiihren ist.

100

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Entsprechend der Kontinuitätsbedingung (Volumenkonstanz) muss sich das Walzgut quer zur Kraftrichtung ausdehnen. Mit der durch den Walzvorgang hervorgerufenen Stauchung ist demnach immer auch eine Längung bzw. Breitung verbunden. Daraus folgt, dass das Walzgut durch den Umformvorgang in seiner Bewegungsrichtung beschleunigt wird (Bild 5.22).

Eintrittsgeschwindigkeit '""'--. V o

Walzspalt Austrittsgeschwindigkeit

11

Umfangsgeschwindigkeit der Walze

Bild 5.22: Form- und Geschwindigkeitsänderung beim Flachwalzen

Fr = Fnsin UE

Ft =11

r,

Fy = FtCOSUE

Greifbedingung: Walzgut

Fy > Fr FtCOSUE = 11 Fn cos ~ > Fnsin UE

11 > tan ~

11 Reibungskoeffizient ~

Walzwinkel

Bild 5.23: Herleitung der Greifbedingung für das Flachwalzen [SPU83]

5.2 Umformen

101

Damit das Walzgut zwischen die Walzen hineingezogen wird, sind Reibungskräfte von einer bestimmten Mindesthöhe und Richtung erforderlich. Die sog. Greitbedingung gibt einen Grenzwert zwischen Walzguthöhe, Walzendurchmesser und dem wirksamen Reibungskoeffizienten an. Für das Flachwalzen lautet die Greitbedingung mit den Bezeichnungen nach Bild 5.23: tan

(XE

(5.1)

< J.1

mit dem Reibungskoeffizienten J.1 und dem Walzwinkel (XE gemäß: arccos (1 - (ho- h 1)/2r) (5.2) Mit dem Flachwalzen können außer Blechtafeln und -bändern auch verschiedene Stäbe (Stahlträger, Vierkantprofile, Draht) hergestellt werden. Je nach Stabprofil werden die Walzen in einer oder mehreren Ebenen hintereinander angeordnet, wobei ihre Achsen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen (Bild 5.24). (XE =

Beim Profilwalzen werden Profilstäbe und Steckverzahnungen (außen und innen) an Achsen, Getriebe- und Gelenkwellen hergestellt. Das Kaltwalzen solcher Vielnutwellen (Bild 5.25) erfolgt auf CNC-Maschinen und verbindet eine hohe Wirtschaftlichkeit mit den Vorteilen der hohen Verzahnungsgenauigkeit, Oberflächengüte, Materialeinsparung und Festigkeit [KRA89]. Querwalzen Querwalzen ist Walzen bei dem das Walzgut ohne Bewegung in Achsrichtung um die eigene Achse bewegt wird. Gewalzt werden Scheiben, Ringe und Gewinde im Einstechverfahren (mit Rund- oder Flachwerkzeugen). Das Querwalzen kann auch zum Glattwalzen von z. B. Wellenzapfen, Kurbelwellen usw. eingesetzt werden. Schrägwalzen Beim Schrägwalzen dreht sich das Walzgut um die eigene Achse und führt eine Axialbewegung aus, die durch die Schrägstellung der Walzen zustande kommt. Wichtige Verfahren des Schrägwalzens sind das Glattwalzen von Stäben und Rohren, die Herstellung von nahtlosen Rohren, das Gewindewalzen und das Drückwalzen. Horizontalwalzen Vertikalwalzen

Werkstück

Bild 5.24: Universalfertiggerüst für das Walzen von Universalträgern [SPU83]

Bild 5.25: Walzen von Vielnutwellen

102

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Beim Glattwalzen werden Walzen mit hoher Oberflächenqualität und Härte gegen die Werkstückoberfläche gedrückt (Bild 5.26). Die meist spanend bearbeitete Werkstückoberfläche wird geglättet und verfestigt; die Rautiefe nimmt dabei ab (z. B. von 15 bis 20 um auf 0,5 bis 0,1 um) und der Traganteil des Profils nimmt zu (um bis zu 75 %). Das Verfahren wird angewendet bei Kurbelwellen, Ventilen für Verbrennungsmotoren, Kolbenstangen von Stoßdämpfernusw.

Stopfenstange

Bild 5.26: Feinbearbeitung von gezogenen oder gedrehten Werkstücken durch Glattwalzen [DIN 8583-2]

Durch Gewindewalzen werden Gewinde besonders wirtschaftlich mit hoher Genauigkeit und Oberflächengüte hergestellt. Infolge des ungestörten Gefüge- bzw. Faserverlaufs im Werkstoff (keine unterbrochenen Fasern wie bei der spanenden Fertigung) wird eine gegenüber konventionellen Verfahren erhöhte Festigkeit erzielt. Bei der Herstellung von nahtlosen Rohren ist das Schrägwalzen in Verbindung mit einem Dom (Bild 5.27) der erste Arbeitsgang und bewirkt das Lochen des

~~;o::~~e~:d::~:~~:~~~::~

.

.

.

trj._._._.

ge sind das Strecken und das Reduzierwalzen. Je nach Schrägwalzverfahren können nahtlose Rohre mit Durchmessern von 20 bis ca. 660 mm hergestellt werden. Drückwalzen ist Schrägwalzen eines Walze Hohlkörpers über einen sich drehenden, zylindrischen, kegeligen oder anders Bild 5.27: Schrägwalzen von Rohren [DIN 8583-2] geformten Dom (Drückfutter) mit einer in Richtung der Mantellinien des Futters verschiebbaren Walze (Bild 5.28). Kennzeichnend für das Drückwalzen ist die Wanddickenverminderung am Werkstück durch auftretende Druckkräfte.

5.2 Umformen

Druckfutter

103

Werkstück

Gegenhalter

Drückwalze

Bild 5.28: Drückwalzen von zylindrischen und kegelförmigen Hohlkörpern [DIN 8583-2]

5.2.1.2

Gesenkformen

Gesenkformen ist Druckumformen mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen (Gesenken), die das Werkstück ganz oder zu einem wesentlichen Teil umschließen und dessen Form enthalten [DIN 8583]. Gesenkformen (alte Bezeichnung: Gesenkschmieden) ist ein Fertigungsverfahren, das mit dem Gießen konkurriert. Geschmiedete Teile haben i. Allg. eine wesentlich höhere Festigkeit, besonders bei wechselnder Beanspruchung (Schmiedestahl besitzt gegenüber lamellarem Grauguss eine drei- bis fünffache Zugfestigkeit; es gibt jedoch auch Gießverfahren, die sehr nahe an die Festigkeit geschmiedeter Werkstücke herankommen). Hauptabnehmer fiir Gesenkformteile sind die Automobilindustrie, der allgemeine Fahrzeugbau und ihre Zulieferer. Geschmiedet werden dort die meisten hoch beanspruchten Teile wie Achsschenkel, Pleuelstangen und Kurbelwellen. Vor dem eigentlichen Umformvorgang werden die Schmiederohteile vorgewärmt (beim Stahl liegen die Temperaturen zwischen 850 und l200°C). Die vorgewärmten Rohteile werden in das Untergesenk (Matrize) eingelegt, das Obergesenk fährt herab und der Formhohlraum wird ausgefüllt. Dabei wird zwischen Gesenkformen mit und ohne Grat unterschieden. Beim Gesenkformen mit Grat (Bild 5.29) breitet sich das Rohteil während des Schließens der beiden Werkzeughälften so lange aus, bis es den Gratspalt erreicht hat. Durch die Fließbehinderung im Gratspalt baut sich ein hydrostatischer Druck auf. Der Werkstoff steigt und füllt die Form aus. Gleichzeitig steigt die Schmiedekraft stark an. Überschüssiger Werkstoff wird durch den Gratspalt nach außen gedrückt. Nach dem Auseinanderfahren der Gesenkhälften wird das fertige Werkstück entnommen und das Werkzeug mit Druckluft ausgeblasen, der ggf. ein Gleit- und Kühlmittel zugesetzt ist. Anschließend wird der Grat in einem Schneidvorgang abgetrennt (Entgraten).

Ausgangsform des Werkstücks

Endform des Werkstücks

Bild 5.29: Gesenkformen mit Grat [DIN 8583-4]

104

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Beim Gesenkformen ohne Grat entspricht das Rohteilvolumen dem Endvolumen des Werkstückes. Hier besteht die Schwierigkeit darin, das Rohteilvolumen so zu bemessen, dass der Formhohlraum einerseits vollständig ausgefüllt wird, dass andererseits aber nicht zu viel Werkstoff verwendet wird, da sonst die Form nicht geschlossen werden kann. Im Übrigen gleicht der Schmiedevorgang ohne Grat demjenigen mit Werkstück Grat.

----------~-~I K]em~~~~k~J_H_

Neben dem Gesenkformen mit einem vom Werkzeug ganz umschlossenen Werkstück ist das Anstauchen im Gesenk ein häufig angewandtes Ver- Bild 5.30: Kopfanstauchen im Gesenk: fahren. Hierbei wird das in einer Klemmvorrich[TSC08] tung eingespannte Werkstück (meistens stabförmig) an seinem Ende örtlich ohne Grat umgeformt (Bild 5.30). Auf diese Weise werden viele Kleinteile wie Schraubenrohlinge, Bolzen, Niete, Nägel und Ventile für Verbrennungsmotoren hergestellt. Die Zahl der Bearbeitungsschritte beim Gesenkformen richtet sich nach Maschinenart und Werkstückgröße. Die Maschinen lassen sich in drei Gruppen einteilen: •

weggebundene Maschinen (Exzenter- und Kurbelpressen),

•

kraftgebundene Maschinen (hydraulische Pressen) und

•

energiegebundene Maschinen (Fall-, Gegenschlaghammer usw.)

Bei den Pressen erfolgt das Umformen in einem Arbeitshub, bei den energiegebundenen Maschinen sind dazu mehrere Hammerschläge erforderlich. Die Gesenke sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt (Spannungen bis 1000 Nzmrrr', Adhäsionsverschleiß durch Gleitbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück mit Gleitgeschwindigkeiten bis zu 50 m/s, Temperaturen bis zu 1000 °K mit Temperaturgradienten von max. 3000 0Kls). Durch Werkzeugwechsel bedingte Rüstzeiten betragen 20 % aller Maschinenstillstandszeiten. Der Anteil der Werkzeugkosten an den Herstellkosten eines Schmiedestücks liegt bei etwa 10 %. Daher kommt der Konstruktion und der Fertigung von Schmiedegesenken im Hinblick auf eine Standzeiterhöhung eine wichtige Bedeutung zu. Bei der Konstruktion von Gesenken und Schmiedestücken werden heute vielfach Simulationsmethoden, z. B. FEM (Finite-Elemente-Methode), eingesetzt, um die komplexen Vorgänge im Gesenk zu optimieren [LAN86, RUG86]. Die Herstellung der Gesenke erfolgt mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren. Der Gesenkblock (Stahl mit Ni, Cr, Mo, V und W legiert) wird entweder direkt gegossen oder aus einem vorgegossenen Block gewalzt oder geschmiedet. Die Gravur (Innenkontur des Gesenkes) wird durch Drehen, Fräsen, Erodieren (besonders bei gehärteten Werkstoffen), Warm- und Kalteinsenken oder durch chemisches Abtragen hergestellt. Oberflächenbehandlung wie Nitrieren, Hartverchromen oder Strahlläppen erhöht die Standzeit. Je nach Fertigungsverfahren erreichen die Gesenke Standzeiten zwischen 20 000 (bei kalteingesenkten Werkzeugen) und 6000 (bei spanend hergestellten Werkzeugen) Schmiedezyklen [SPU84, SCH05].

5.2 Umformen

105

5.2.1.3 Eindrücken Eindrücken ist Druckwnfonnen mit einem Werkzeug, das örtlich in ein Werkstück eindringt [DIN 8583] . Zum Eindrücken gehören Verfahren wie Körnen, Einprägen, Einsenken, Rändeln und Kordeln. Für die Fertigungstechnik ist das Kalteinsenken von Bedeutung. Bei diesem Verfahren wird ein gehärteter Stempel mit hoher Oberflächengiite unter stetig ansteigendem Druck mit geringer Geschwindigkeit (bis 0,3 mm/s) in ein Werkstück aus weichgeglühtem Stahl auf eine bestimmte Tiefe eingedrückt (Bild 5.31). Das Kalteinsenken wird auf hydraulischen Pressen eingesetzt zur Herstellung von Werkzeugen für das •

•

tmr;

Werkzeug

Spritzgießen, Blas- und Pressformen von Kunststoffen Bild 5.31: Herstellung von Gesenken durch • Prägen von Münzen Kalteindrücken • Druckgießen von Zink, Messing und Leichtmetallen Kalt- und Warmpressen von Schrauben, Muttern und Nieten

Die Innenform der auf diese Weise hergestellten Werkzeuge erfordert meistens keine Nachbearbeitung mehr. Gegenüber anderen Verfahren bringt das Kalteinsenken die Vorteile der Wirtschaftlichkeit, der hohen Maßgenauigkeit und der hohen Festigkeit und Oberflächengüte.

5.2.1.4 Durchdrücken Durchdrücken ist Druckumforrnen eines Werkstückes durch teilweises oder vollständiges Hindurchdrücken durch eine Form gebende Werkzeugöffuung unter Verminderung des Querschnittes oder des Durchmessers [DIN 8583]. Durchdrücken wird in die Fertigungsverfahren Verjüngen, Strangpressen und Fließpressen unterteilt. Das bekannteste Verfahren des Durchdrückens ist das Vorwärts-Strangpressen mit Werkstofffluss in Wirkrichtung der Maschine (Bild 5.31). Es können Voll- und Hohlprofile mit den unterschiedlichsten Querschnitten erzeugt werden. Als Presswerkstoffe können Werkstoffe auf Fe-, AI-, Cu-, Ni- und Ti-Basis verarbeitet werden. Der am häufigsten verwendete Werkstoff ist Aluminium und seine Legierungen. Ein auf Umforrnternperatur (ca, 350 bis 550 "C bei Aluminiumlegierungen) erwärmter Gussblock wird in einen Rezipienten eingelegt und von einem meist hydraulisch angetriebenen Pressstempel durch eine Pressmatrize durchgepresst. Dabei wird der Pressblock i. Allg. nicht vollständig ausgepresst, sondern es bleibt ein Rest zurück, der nach Ablauf des Pressvorganges vom Strang abgetrennt werden muss. Werkstoffabhängig wird mit einer Pressscheibe gearbeitet, die einen kleineren Durchmesser als der Rezipient aufweist, sodass nach dem Pressvorgang eine Hülse im Rezipient verbleibt. Dadurch wird z. B. verhindert, dass die Oxidhaut des Pressblocks in den Strang eingepresst wird.

106

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Stützwerkzeuge

Abschreckung

Ablängen

Pressstempel

--Schale

Pressblock

Pressmatrize mit Werkzeughalter

------------• Strecken

Nachrichten

Warmauslagern

Bild 5.32: Schematische Darstellung des Voll-Vorwärts-Strangpressens von Aluminiumwerkstoffen [SPU84]

Durch die Reibungsverhältnisse beim Pressen nimmt die Temperatur des Werkstoffes zu, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden. Der Temperaturanstieg im hinteren Bereich des Stranges kann bei empfmdlichen Werkstoffen (manche Aluminiumlegierungen) zu Grobkornbildung und zu Rissen führen. Als Gegenmaßnahme werden die Pressblöcke mit einem Temperaturprofil versehen (der Block ist hinten kälter als vom). Darüber hinaus wird die Pressgeschwindigkeit während der Pressung laufend zurückgenommen. Die Pressstranggeschwindigkeiten betragen bei leicht pressbaren Aluminiumwerkstoffen bis zu 100 mImin, bei schwer pressbaren Aluminiumlegierungen 1 bis 15 m/min (bei Stahlwerkstoffen erreichen die Geschwindigkeiten bis 350 mImin, bei Umformtemperaturen von ca. 1100 bis 1300 0C). Beim Pressen von Hohlprofilen aus Aluminiumwerkstoffen werden ein- oder zweiteilige Spezialwerkzeuge (Kammer- oder Brückenwerkzeuge) eingesetzt, deren Durchbruch für die Außenkontur des Profils einen Einsatz für die Innenkontur enthält. Das im plastischen Zustand befindliche Metall wird im Innem des Werkzeuges in mehrere Teilströme geteilt, die den Werkzeugeinsatz umfließen und im Spalt, der den Profilquerschnitt bildet, durch die dort auftretenden Kräfte zu einem Hohlprofil verschweißt.

5.2 Umformen

107

Die das Werkzeug verlassenden Stränge müssen vor dem Strecken und Richten abgekühlt und abgelängt werden. Bestimmte Aluminiumwerkstoffe werden einem Warm- oder Kaltaushärtungsprozess unterzogen. Die Oberflächenqualität der Profile hat heute einen Stand erreicht, der eine nachfolgende spanende Bearbeitung überflüssig macht. Bild 5.33 zeigt einige Beispiele von stranggepressten Profilen.

~ ~

TI

~

~ L.

J

o

Das Fließpressen ist definiert als ein Durchdrücken eines zwischen Werkzeugteilen aufgenommenen Rohlings (z. B. Stababschnitt, Blechausschnitt), vornehmlich zum Erzeugen einzelner Werkstücke [DIN 8583]. Die einzelnen Fließpressverfahren werden unterteilt nach dem Aufbau der verwendeten Werkzeuge (Fließpressen mit starren Werkzeugen bzw. Wirkmedien), nach Bild 5.33: Beispiele stranggepresster Profile der Richtung des Werkstoffflusses bezüglich der Wirkrichtung der Maschine (Vorwärts-, Rückwärts-, Quer- und kombiniertes Fließpressen) und nach der Form der hergestellten Werkstücke (Voll- und Hohlfließpressen) (Bild 5.34). Stempel

Matrize

Kontur des Rohlings

Gegenstempel Vorwärtsfließpressen

Rückwärtsfließpressen

kombiniertes Fließpressen

Bild 5.34: fließpressen

Die Herstellung von Fließpressteilen erfolgt überwiegend bei Raumtemperatur (hohe Maßgenauigkeit erreichbar) in mehreren Arbeitsschritten. Dabei können die verschiedenen Fließpressverfahren gleichzeitig oder nacheinander angewandt werden. Die zum Fließpressen geeigneten Werkstoffe müssen eine möglichst geringe Fließspannung und hohes Umformvermögen, eine geringe Neigung zur Kaltverfestigung sowie ein homogenes Gefüge aufweisen. Verarbeitet werden unlegierte und legierte Stähle bis etwa 0,45 % im weichgeglühten Zustand sowie Leicht- und Schwermeta111egierungen. Die Werkzeuge (Stempel, Gegenstempel, Matrize) sind vor allem beim Fließpressen von Stahlteilen hohen Belastungen ausgesetzt. Die Matrizen werden deshalb durch außen liegende

108

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Schrumpfringe (Armierung) in der Weise verstärkt, dass an den Matrizeninnenseiten Druckspannungen entstehen, die sich erst durch die beim Fließpressvorgang entgegengesetzt wirkenden Spannungen teilweise oder ganz abbauen, wodurch die Lebensdauer der Matrizen wesentlich verbessert wird. Die Vorteile des Kaltfließpressens sind optimale Werkstoffausnutzung, hohe Mengenleistung, hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, Festigkeitssteigerung info1ge Kaltverfestigung und der beanspruchungsgerechte Faserverlauf des Werkstoffgefiiges [KOE95, TSC08, HIN03, KL006]. Typische Fließpressteile sind Bolzen, Hülsen, Schraubenrohlinge und Werkstücke mit Außen- und Innenverzahnungen. 5.2.1.5

Thixoforming

Unter Thixotropie wird die reversible Gefiigestrukturumwandlung während der Dauer einer Scherbeanspruchung verstanden. Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen der inneren Gefiigestruktur und der Fließfähigkeit eines Werkstoffes. Thixoforming bezeichnet die Formgebung durch Umformen im teilerstarrten Werkstoffzustand. Vor der eigentlichen Umformung wird das Halbzeug erwärmt, sodass eine Suspension aus kristallisiertem Material und Schmelze vorliegt. Meta111egierungen bilden beim Erstarren in der Regel keine gleichmäßige Gefiigestruktur aus. Bei der Verformung einer Suspension aus Kristallen und Schmelze wird der flüssige Anteil zwischen den ungleich verteilten und großen Kristallen herausgepresst. Um nach der Umformung eine gleichmäßige Gefiigestruktur zu erreichen, müssen zum Zeitpunkt der Formgebung feinverteilte, kristallisierte Bestandteile in zusammenhängende Schmelzbereiche eingebettet sein. Dieser Ausgangsgefiigezustand kann durch verschiedene Methoden der Materialvorbehandlung erreicht werden. Die in der industriellen Anwendung am meisten verbreiteten Methoden sind die chemische Komfeinung und das elektromagnetische Rühren. Um bei der anschließenden Wiedererwärmung vor dem Umformen eine Grobkombildung zu vermeiden, muss diese sehr schnell stattfinden. In der Industrie hat sich daher die induktive Erwärmung durchgesetzt.

Das Thixoforming lässt sich je nach Art der Werkstoffeinbringung in das Werkzeug in die Verfahren Thixogießen und Thixoschmieden mit den Verfahrensvarianten Thixoquerfließpressen und Thixostrangpressen unterteilen. Beim Thixogießen wird der noch mechanisch manipulierbare, halbfeste Werkstoff über einen Gießzylinder mittels eines Kolbens in ein bereits geschlossenes Werkzeug gedrückt. Der zur Formfiillung notwendige Druck wird nur über die Eintrittsöffnung des Werkzeugs durch den Kolben eingebracht. Beim Thixoschmieden wird das manipulierbare Rohteil in ein geöffnetes Gesenk gelegt. Durch Schließen des Gesenkes wird das Rohteil in seine Endform gepresst. Die Krafteinleitung erfolgt über das Werkzeug und somit über die gesamte Formoberfläche. Bei der Verfahrensvariante des Thixoquerfließpressens wird das Rohteil in ein bereits geschlossenes Gesenk gedrückt. Im Gegensatz zum Thixogießen taucht hierbei der Stempel in das Werkstück ein und hat somit direkten Einfluss auf die Formgebung. Thixostrangpressen ist Durchdrücken durch eine Pressmatrize mit teilerstarrtem Rohteil. In Bild 5.35 ist die Prozessfolge der verschiedenen Verfahren des Thixoforming schematisch dargestellt.

5.2 Umformen

109

Materialvorbehandlung

_

Erwärmung

------------------... Fonngebung

Thlxogleßen

ChemlSCh~

J:L

Komfelnung

c:::

~

~

A

Thlxoschrnleden

~

Induktive Erwärmung

Elektromagnetisches Rühren

Thixoquerflleßpressen

Thlxostrangpressen

Bild 5.35: Prozessfolge beim Thixofotming

Thixoforming kommt in den meisten Fällen im Leichtbau zum Einsatz. Durch die Formgebung mittels Thixoforming können Bauteile mit gleicher Festigkeit, z. B. aus Aluminium anstelle von Stahl, gefertigt werden, was zu einer Gewichtsreduzierung führt. Dies ist auch der Grund weshalb in erster Linie Alurninium- und Magnesiurnlegierungen eingesetzt werden. Typische Bauteile in der industriellen Anwendung sind Radaufhängungen und Zylinderdeckel im Fahrzeug- und Motorenbau, sowie Flansche, Hebel und druckdichte Körper.

5.2.2

Zugdruckumformen

Zugdruckumformen ist Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im wesentlichen durch eine Zug- und Druckbeanspruchung herbeigeführt wird [DIN 8584]. Die wichtigsten Verfahren sind Durchziehen, Tiefziehen und Drücken.

5.2.2.1

Durchziehen

Durchziehen ist Zugdruckumformen durch Ziehen eines Werkstückes durch eine in Ziehrichtung verengte Werkzeugöffnung [DIN 8584]. Das Durchziehen wird in zwei Verfahren unterteilt, das Gleitziehen und das Walzziehen. Das Gleitziehen wird überwiegend als Kaltumformverfahren zur Herstellung von Draht, Stäben, Rohren (meist mit Verwendung von Domen) und Profilen unterschiedlichster Art aus Eisen- und Nichteisen-Metallwerkstoffen angewendet. Das Ziehwerkzeug (Ziehstein, Ziehring) ist hohen Belastungen durch Druck- und Reibungskräften und hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass nur hochfeste Werkstoffe wie Hartmetall, Diamant und Keramik eine ausreichende Verschleißfestigkeit bieten. Zur Verringerung der Reibungskräfte zwischen Werkzeug und Werkstück werden Schmierstoffe eingesetzt, die meist auch eine Oberflächenverbesserung bewirken.

110

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Der Ziehvorgang erfolgt in der Regel in mehreren Stufen. Die möglichen Formänderungen je Stufe, die Umformgrade cp (cp = In ).JA!; ~ ist der Querschnitt vor, At der Querschnitt nach dem Umformen), sind werkstoffabhängig und liegen zwischen 0,2 und 0,3. Vor allem bei Stahlwerkstoffen erfolgt eine Kaltverfestigung des Werkstoffes, sodass fast nach jedem Zug eine Warmbehandlung (Rekristallisationsglühen) durchgeführt werden muss. Bei der Drahtherstellung können Feinstdrähte mit Durchmessern bis zu 0,003 mm gezogen werden. Die Ziehgeschwindigkeiten betragen bis zu 20 m/s. Bei der Rohrherstellung im Gleitziehverfahren sind grundsätzlich drei Verfahrensvarianten im Einsatz (Bild 5.36). Beim Hohlzug kann nur eine Durchmesserreduktion erfolgen. Beim Stopfenzug wird neben der Durchmesser- auch eine Wanddickenreduktion erzielt. Der Stangenzug ist nur für die Wanddickenreduktion geeignet, da der Innendurchmesser durch die im Rohr befindliche Stange fest vorgegeben ist.

zange

----8Ohne Dom

Fester Dom

Mitlaufende Stange

Bild 5.36: Herstellung von Rohren im Gleitziehverfahren [TSC08]

5.2.2.2

Tiefziehen

Tiefziehen ist Zugdruckumformen eines Blechzuschnittes zu einem Hohlkörper (Erstzug) oder Zugdruckumformen eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang (Weiterzug) ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke [DIN 8584]. Das Tiefziehen kann mit starren Werkzeugen (Matrize und Ziehstempel), nachgiebigem Werkzeug (Ziehstempel und Gummikissen), Wirkmedium (Flüssigkeiten, Gase) und Wirkenergie (magnet. Feld) erfolgen. Das Tiefziehen mit starren Werkzeugen wird am Beispiel eines zylindrischen Hohlkörpers (Napf) erläutert. Die Ausgangsform für das Werkstück mit dem Durchmesser d! ist eine ebene Blechronde mit dem Durchmesser do. Über den Stempel, den Napfboden und die Zarge wird die Ziehkraft in die eigentliche Umformzone zwischen Matrize und Blechhalter (der Blechhalter verhindert die Faltenbildung) eingeleitet (Bild 5.37).

5.2 Umformen

111

Tiefziehen ohne Blechhaltung

Tiefziehen mit Blechhaltung Stempel

Faltenbildung Ziehring

kr: Fließspannung 0",:

radiale Zugspannung

0"1:

tangentiale Druckspannung

O"n :

Normalspannung

FN : Niederhalterkraft Fz: Ziehkraft

Bild 5.37: Prinzip des Tiefziehens mit starren Werkzeugen [SPU85a]

Die Umformung geschieht durch Stauchen des Werkstoffes in der Randzone (im Flansch des Napfes) und durch Strecken im zylindrischen Bereich. Zwischen Matrizenoberseite und Blechhalter wirken radiale Zug- und tangentiale Druckspannungen, zwischen Ziehkante und Napfboden axiale Zugspannungen. Die axiale Zugspannung darf den Betrag der Reißfestigkeit des Werkstoffes nicht überschreiten. Die radiale Zugspannung im Flansch erreicht an der Ziehkante ihren Maximalwert und geht am Rondenrand aufNu11 zurück (Bild 5.37). Werkstoffe zum Tiefziehen müssen einem breiten Anforderungsprofil genügen. Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe hinsichtlich ihres Verhaltens beim Tiefziehen werden meist mit aus Zugversuchen gewonnenen Größen charakterisiert. Darüber hinaus muss noch die Richtungsabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften (Anisotropie), die sich aus der Tatsache ergibt, dass die zum Tiefziehen verwendeten Werkstoffe gewalzte Bleche sind, in Form eines Anisotropiekennwertes ermittelt werden. Durch verfahrensbezogene Prüfverfahren (z. B. Napfziehen) kann die Tiefziehtauglichkeit eines Werkstoffes beurteilt werden. Sie wird durch das Grenzziehverhältnis ßmax angegeben. Das Ziehverhältnis ß ist definiert als das Verhältnis des Rondendurchmessers ~ zum Ziehstempeldurchmesser d, (ß = doId,). Bei zu groß gewähltem Ziehverhältnis wird die zur Umformung erforderliche Ziehkraft so groß, dass sie vom Werkstoff nicht mehr übertragen werden kann. Der Werkstoff reißt am Naptboden. Das Ziehverhältnis bei dem gerade noch kein Bodenreißer auftritt wird als das Grenzziehverhältnis ßmax (ßmax = ~,max/d,) bezeichnet [SPU85a, SeROS].

112

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die Werkzeuge zum Tiefziehen werden nach der Gesamtsmckzahl der zu fertigenden Werkstücke und damit nach dem erforderlichen Automatisierungsgrad in vier Güteklassen eingeteilt. Ein Werkzeug der Güteklasse IV ist z. B. für die Produktion von über 500 000 Teilen ausgelegt. Bei dieser Stückzahl ist das Werkzeug einem adhäsiven Verschleiß ausgesetzt, insbesondere dann, wenn der Gitteraufbau von Werkstück- und Werkzeugwerkstoff ähnlich ist. Durch eine entsprechende Materialpaarung oder durch eine Oberflächenbehandlung kann der Verschleiß gemindert werden. Das Tiefziehen ist für die Blechumformung ein wichtiges Verfahren. Die meisten Blechteile, die im Fahrzeugbau verwendet werden wie Karosserieteile, Achs- und Getriebeteile, Ölwannen, Filtergehäuse usw. sind durch Tiefziehen hergestellt. Darüber hinaus werden auch Teile wie Badewannen, Spülen, Töpfe, Konservendosen usw. gezogen.

5.2.2.3

I>rücken

Drücken ist Zugdruckumformen eines Blechzuschnittes zu einem Hohlkörper oder Verändern des Umfangs eines Hohlkörpers, wobei ein Werkzeugteil (Drückform, Drückfutter) die Form des Werkstückes enthält und mit diesem umläuft, während das Gegenwerkzeug (Drückwalze, Drückstab) nur örtlich angreift. Eine Veränderung der Blechdicke ist nicht beabsichtigt. In besonderen Fällen kann auf eine Drückform verzichtet werden [DIN 8584]. Beim Drücken werden die Verfahrensvarianten Drücken von Hohlkörpern, Weiten durch Drücken und Engen durch Drücken unterschieden. Das Drücken von Hohlkörpern erfolgt auf CNC-gesteuerten Druckmaschinen (Bild 5.38), die im Aufbau Drehmaschinen ähnlich sind. Aus meist ebenen Ronden werden je nach Werkstoff und Umformgrad in einem Arbeitsgang oder schrittweise Hohlkörper mit nahezu beliebiger Mantellinie geformt. Kreuzsupport

B---Spindel

Drückwerkzeug

Bild 5.38: Schematische Darstellung einer CNC-Drückmaschine

5.2 Umformen

113

Die Spannungsverteilung in der Umformzone entspricht derjenigen beim Tiefziehen. Analog zum Ziehverhältnis kann das Druckverhältnis als ß = doId1 (dn: Ausgangsdurchmesser der Blechronde, d.: Durchmesser eines zylindrischen Werkstückes nach dem Umformvorgang) definiert werden. Das maximale Druckverhältnis ßmax liegt bei Tiefziehstahlblechen zwischen 1,6 und 1,7 und wird durch drei Versagensmöglichkeiten des Werkstoffes bestimmt: • • •

Faltenbildung, die wegen eines fehlenden Blechhalters leichter entsteht als beim Tiefziehen Bildung von Tangentialrissen am Übergang Flansch-Zarge bei großem ß Bildung von Radialrissen im äußersten Teil des Flansches als Folge von Biegewechselspannungen beim Überwalzen bereits vorhandener Falten

Die Leistungsfähigkeit moderner Druckmaschinen ermöglicht eine flexible und wirtschaftliche Fertigung rotationssymmetrischer Werkstücke (Fässer, Pkw- und Lkw-Felgen, Trommeln, Lampenschirme, Töpfe, Hülsen usw.) aus Fein- und Mittelblechen im Bereich kleiner und mittlerer Durchmesser und aus Dickblechen im Bereich von großen Durchmessern (bis zu 5 m). Beim Drucken von Dickblech-Stahlronden für Behälterbauteile für die chemische Industrie und den Reaktorbau kann eine partielle Erwärmung durch Gasbrenner (Warmumformen) erfolgen. Vor allem in der Fertigung von großen Bauteilen ist das Drucken ohne Konkurrenz.

5.2.2.4 Innenhochdruckumformen Innenhochdruckumformen (IHU) ist Umformen mittels flüssiger Wirkmedien. Das flüssige Druckmedium befmdet sich hierbei in dem von dem umzuformenden Rohteil und der Anlage gebildeten Hohlraum. Die Formgebung kann sowohl frei als auch formgebunden durch ein umschließendes Werkzeug realisiert werden. Die Umformung kann zusätzlich zum Innendruck durch von außen auf das Rohteil wirkende Kräfte ergänzt werden. Nach der Richtlinie VDI 3146 wird das Verfahren nach der Art des eingesetzten Halbzeugs (Rohteil) unterteilt in: • •

Innenhochdruckumformen von Blechen und Innenhochdruckumformen von Hohlprofilen.

Unter Innenhochdruckumformen von Blechen wird nach DIN 8580 im Gegensatz zum Tiefziehen von Blechen mit Wirkmedien das Umformen von zwei oder mehr Blechen verstanden, zwischen denen nach der Umformung ein Hohlraum mittels Wirkmedium erzeugt wird. Es können sowohl im Randbereich miteinander verschweißte Bleche als auch unverschweißte Bleche umgeformt werden. Das Innenhochdruckumformen von Hohlprofilen wird in erster Linie für geschweißte oder nahtlos gezogene Rohre und Strangpressprofile durchgeführt. Es können hierbei sowohl geradlinige als auch vorgebogene Halbzeuge umgeformt werden. Mittels Innenhochdruckumformung werden Bauteile durch Aufweiten, Aufweitstauchen, Biegen und Durchsetzten erzeugt oder kalibriert. In Bild 5.39 werden beispielhaft drei Verfahrensprinzipien des Innenhochdruckumformens aufgezeigt.

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

114

Innenhochdruckumformung zweier Bleche

...

Innenhochdruckumformung eines Hohlprofils

I

+~+ t~t

...

I

•

Innenhochdruckumformung mit Vorformung durch bewegliche Werkzeugteile

Bild 5.39: Verfahrensbeispiele zum Innenhochdruckumformen

5.2.3

Zugumformen

Zugumfonnen ist Umfonnen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im wesentlichen durch ein- oder mehrachsige Zugbeanspruchung herbeigeführt wird [DIN 8585]. Die Verfahren des Zugumfonnens werden in Längen, Weiten und Tiefen unterteilt. Die wichtigsten Verfahren des Zugumfonnens sind das Streckziehen und das Hohlprägen. Sie gehören beide zur Untergruppe Tiefen.

5.2.3.1

Streckziehen

Streckziehen ist das Tiefen eines Blechzuschnittes mit einem starren Stempel, wobei das Werkstück am Rand fest eingespannt ist [DIN 8585]. Das Werkstück kann entweder zwischen starren Werkzeugteilen oder mithilfe von Spannzangen eingespannt werden (einfaches Streckziehen, Bild 5.40 a). Die Spannzangen können eine zusätzliche Zugbeanspruchung aufbringen (Tangentialstreckziehen, Bild 5.40 b).

~~ng.

a

1

Werkstück

Spannzange

.. gg

:

Werkstück

L

~ ..

r:;i~~ Formblock

b

Bild 5.40: Einfaches Streckziehen (a) und Tangentialstreckziehen (b) [DIN 8585-4]

5.3 Trennen

115

Beim einfachen Streckziehen wird das Blech in drehbar gelagerten Spannzangen eingespannt. Die Zugbeanspruchung wird indirekt von einem hydraulisch angetriebenen Stempel aufgebracht. Je nach den auftretenden Reibungsverhältnissen kommt es dabei zu unterschiedlichen Dehnungsverhältnissen im Werkstück. Beim Tangentialstreckziehen erfolgt die Umformung in zwei Schritten. Das eingespannte Blech wird zunächst bis in den plastischen Bereich direkt gestreckt (gleichmäßige Dehnung von ca. 20 %) und dann bei der anschließenden Formgebung so an das Werkzeug angelegt, dass eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück weitgehend vermieden wird . Das Streckziehen findet seine Anwendung hauptsächlich im Karosseriebau bei der Herstellung von flachen Teilen wie Türen, Dächern sowie Aufbauten für Lkw und Busse und Blechteilen für die Luftfahrtindustrie. Wegen der billigen und einfachen Werkzeuge (Holz, Kunststoff, Grauguss) ist das Verfahren auch für mittlere und kleine Stückzahlen (Sonderkarosseriebau, Bau von Prototypen usw.) geeignet.

5.2.3.2

Hohlprägen

Hohlprägen ist Tiefen mit einem unelastischen beweglichen Stempel in ein Gegenwerkzeug (Matrize) hinein, wobei die Vertiefung gegenüber der Abmessung des Werkstückes klein ist [DIN 8585]. Die Matrize kann starr oder nachgiebig (Gummikissen) sein. Bei fester Matrize bilden Prägestempel und Matrize im geschlossenen Zustand einen über der gesamten Prägefläche konstanten Zwischenraum. Das Hohlprägen wird z. B. beim Prägen von Schildern oder beim Versteifen von Blechwandungen im Behälterbau eingesetzt.

5.3

Trennen

Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, d. h. im Ganzen vermindert wird. Dabei ist die Endform des Werkstücks in der Ausgangsform enthalten . Dem Trennen ist auch das Zerlegen zusammengesetzter Körper und das Reinigen zugeordnet (Bild 5.41).

Bild 5.41: Einteilung der Hauptgruppe Trennen [DIN 8580]

116

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Der eigentliche Vorgang des Trennens erfolgt an einer Stelle, der sog. Wirkstelle, wo das Werkzeug auf das Werkstück einwirkt. Werkzeug und Werkstück werden als Wirkpaar bezeichnet. Zum Ablauf des Trennvorgangs sind zwischen Werkzeug und Werkstück Relativbewegungen (Schnitt-, Vorschub- und Zustellbewegungen) erforderlich, die von einem oder beiden Partnern des Wirkpaares ausgeführt werden. Die dem Trennvorgang von außen zugeführte Energie bzw. Leistung wird an der Wirkstelle in Trenn-, Verformungs- und Reibleistung umgewandelt und über das Wirkpaar als Wärme abgeführt.

5.3.1

Zerteilen

Zerteilen ist mechanisches Trennen von Werkstücken ohne Entstehen von formlosem Stoff, also auch ohne Späne [DIN 8588]. Die Gruppe Zerteilen wird in die Untergruppen Scherschneiden, Messerschneiden, Beißschneiden, Spalten, Reißen und Brechen unterteilt. Von den Verfahren hat das Scherschneiden die größte wirtschaftliche Bedeutung und kommt hauptsächlich in der Blechbearbeitung zum Einsatz.

5.3.1.1

Einfaches Scherschneiden

Scherschneiden ist Zerteilen von Werkstücken zwischen zwei Schneiden, die sich aneinander vorbeibewegen [DIN 8588]. Die Verfahren des Scherschneidens lassen sich nach den Kriterien Aufbau und Geometrie der Werkzeuge sowie Lage der Schnittfläche zur Werkstückbegrenzung unterteilen. Nach ihrer Geometrie werden die Werkzeuge in Scherschneidmesser, die den Werkstoff durch eine oder mehrere Hubbewegungen trennen, und in Rollschneidmesser, die den Werkstoff fortlaufend durch eine Drehbewegung trennen, eingeteilt. Nach der Form der Schneiden in der Projektion auf die Werkstückoberfläche werden bei den Scherschneidmessern Werkzeuge zum Offenschneiden und zum Geschlossenschneiden unterschieden (Bild 5.42). Beim Offenschneiden wird das Werkstück durch eine offene Schnittlinie getrennt (Hebelschere), während beim Geschlossenschneiden das Werkzeug eine geschlossene Kontur besitzt und aus dem Werkstück ein Teil mit geschlossener Kontur ausschneidet. Die Schneiden können auf zwei unterschiedliche Weisen zueinander angeordnet werden. Beim Vollkantig-Schneiden haben die Schneiden in der Schnittebene überall den gleichen Abstand, sodass sie entlang der ganzen Schnittlinie zum Eingriff kommen. Beim Kreuzend-Schneiden kreuzen sich die Schneiden in der Schnittebene, sodass sie nur allmählich in das Werkstück eindringen. Beim Kreuzend-Schneiden ist die maximale Schneidkraft wesentlich geringer. Es entsteht allerdings auch eine Kraftkomponente, die das Schnittteil verformt. Nach der Lage der Schnittfläche zur Werkstückbegrenzung werden u. a. die Verfahren Ausschneiden, Lochen, Abschneiden, Ausklinken, Nachschneiden und Beschneiden unterschieden. Oberstes Gebot, vor allem beim Ausschneiden, ist die optimale Werkstoffausnutzung. Sie kann z. B. durch eine flächenschlüssige Anordnung der Schnitteile und der damit verbundenen Abfallminimierung erreicht werden.

5.3 Trennen

117

vollkanlig

vollkanlig

~ Fs

Offenschneiden kreuzend

Geschlossenschneiden kreuzend

DJ

f

Fs

DJ

Slempelweg

~~ Bild 5.42: Verfahrensvarianten des Scherschneidens nach Werkzeuggeometrie [GR004, SPU85b]

Schneidvorgang und Kräfte Der Schneidvorgang ist in Bild 5.43 dargestellt. Beim Aufsetzen des Werkzeuges erfolgt zunächst ein elastisches und dann ein plastisches Verformen des Bleches. Das Werkzeug dringt in den Werkstoff ein, wobei beiderseits des Bleches ein Kanteneinzug und eine Schnittzone entstehen. Mit fortschreitendem Eindringen nimmt die Schneidkraft zu und die Schubspannung im Werkstoff steigt. Beim Erreichen der maximalen Schubspannung reißt der Werkstoff ausgehend von beiden Schneidkanten; es bildet sich eine Bruchzone und aufjeder Seite des getrennten Bleches ein scharfkantiger Grat.

Blechslreifen Schneidslempel ...,.,--------. Kanteneinzug Schnitlzone

Bruchzone Grathöhe Bruchzonenbreite

Schneid platte

Bild 5.43: Schneidvorgang beim Scherschneiden [SPU85]

118

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die maximale Schneidkraft Fs,max ist für die Auswahl der Presse eine wichtige Kenngröße. Sie wird beeinflusst durch die Blechdicke (s), die Schnittlinienlänge (L) und den Schneidwiderstand (k.). Der Schneidwiderstand k, ist keine konstante Größe, sondern eine Funktion von Schneidspalt (mit zunehmendem Schneidspalt nimmt k, ab), Werkstoffeigenschaften, Blechdicke, Werkzeugverschleiß, Schnittlinienform und Schmierung.

Maschinen und Werkzeuge Beim Offenschneiden werden Maschinenscheren mit Kurbe1-, Exzenter- oder ölhydraulischem Antrieb eingesetzt. Beliebige Formen können mit Nibbelmaschinen (Knabbermaschinen) durch kurze, schnell aufeinander folgende Scherhübe mit Kurzmessern geschnitten werden. Beim Geschlossenschneiden werden die Werkzeuge nach ihrer Führungsart unterschieden (Bild 5.44). Freischneidwerkzeug

Plattenführungs-

a Schneidstempel b Schneidplatle c Abstreifer d Führungsleiste

,

h

b

b

Säulenführungswerkzeug

wer~eug

,

e Oberteil f Führungsbuchse 9 Führungssäule

h Grundplatte j WerKstück k Führungsplatle

Bild 5.44: Bauarten von Schneidwerkzeugen zum Geschlossenschneiden

Das Freischneidwerkzeug wird nur durch den Stößel der Presse geführt. Die erreichbaren Toleranzen hängen von der Genauigkeit der Führung des Werkzeugträgers im Gestell und von seiner Steifigkeit ab. Beim Plattenfiihrungswerkzeug wird der Stempel durch eine Platte geführt, die den gleichen Durchbruch wie die Schneidplatte hat. Die Führungsplatte verhindert ein Aufsetzen der Schneidkanten, ein Ausknicken dünner Stempel und dient gleichzeitig als Abstreifer. Beim Säulenjührungswerkzeug wird der Stempel mit einer Führungsplatte durch Kugelführungsbuchsen auf Säulen spielfrei geführt. Die präzise Führung ermöglicht die Herstellung sehr genauer Werkstücke. Die Einstellung des Schneidspaltes erfolgt im Werkzeug und nicht in der Maschine, deren Genauigkeit bei diesem Verfahren von untergeordneter Bedeutung ist.

5.3.1.2

Sonderverfahren des Scherschneidens

An Schnitteile, deren Schnittflächen als Funktionsflächen ausgebildet sind (z. B. Verzahnungen), werden hohe Anforderungen hinsichtlich Maßgenauigkeit und Schnittflächenqualität (glatt, riss- und gratfrei) gestellt. Solche Teile müssen entweder nachgearbeitet oder mithilfe von Sonderverfahren ausgeschnitten werden.

5.3 Trennen

119

Beim Nachschneiden werden die ausgeschnittenen Werkstücke in einem zweiten Arbeitsgang durch eine Schneidplatte hindurchgepresst, deren Durchbruchmaße ca. um die zweifache Dicke der abzutrennenden Schicht kleiner als das Werkstück sind. Das Konterschneiden ist ein Verfahren, bei dem der Werkstoff mit zwei oder drei gegenläufigen Schneidbewegungen gratfrei getrennt wird. In der ersten Stufe wird soweit angeschnitten, dass gerade noch kein Anriss auftritt. Mit einem zweiten gegenläufigen Vorgang erfolgt der Anschnitt bzw. das Durchtrennen von der Gegenseite des Werkstückes. Sofern in der zweiten Stufe nur ein Anschnitt erfolgte, wird in der dritten Stufe das Werkstück getrennt. Das Feinschneiden hat gerade in letzter Zeit in der Serienfertigung von Blechteilen große Bedeutung gewonnen. Die Werkzeugkosten betragen zwar ein Vielfaches der Kosten herkömmlicher Schneidwerkzeuge, es werden jedoch Schnitteile mit einem Arbeitshub hergestellt, deren Schnittflächen ohne Nacharbeit als Funktionsflächen (z. B. Zahnflanken) verwendet werden können. Die erreichbaren Toleranzen liegen zwischen IT 7 und IT 8. Das Prinzip des Feinschneidens ist in Bild 5.45 dargestellt. Mit einer Druckplatte wird in den Werkstoff zunächst eine im konstanten Abstand zur Schnittlinie verlaufende Ringzacke eingepresst. Die Ringzacke verhindert beim Schneidvorgang ein Nachfließen (Hineinziehen) des Werkstoffes in den Schneidspalt und bewirkt durch die entstehenden Druckspannungen, dass die zum Reißen erforderliche Schubbruchspannung größer wird als die Schubfließspannung, die den Fließ-Schervorgang herbeifiihrt. Ein Gegenstempel, der gleichzeitig als Auswerfer dient, verhindert das Durchbiegen des Schnittteils während des Schneidvorgangs. Das Feinschneiden lässt sich mit dem Umformen kombinieren. Hergestellt werden Teile mit komplizierter Geometrie in großen Stückzahlen (z. B. Getriebe und Kupplungsteile), die früher als Dreh- und Frästeile konzipiert waren. Die Werkzeuge sind als Folgeverbundwerkzeuge (Werkstück wird in mehreren Schritten hintereinander geschnitten) oder Gesamtschneidwerkzeuge (Werkstück wird mit einem Hub geschnitten) ausgefiihrt und mit einem oder mehreren Umformwerkzeugen ergänzt [HAA89, BlR02]. Schneidstempel Schneidkraft

Ausstoßbolzen

Ringzacke

Druckbolzen Gegenkraft

Innenformstempel

Bild 5.45: Schematische Darstellung des Feinschneidens [SPU85b]

120

5.3.2

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden

Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ist Spanen, bei dem ein Werkzeug verwendet wird, dessen Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmt sind. Hierbei werden von einem Werkstück Werkstoffschichten in Form von Spänen zur Änderung der Werkstückform und/oder der Werkstückobertläche mechanisch abgetrennt [DlN 8589]. Eine Übersicht der Verfahren ist in Bild 5.46 dargestellt.

Bild 5.46: Einteilung der Fertigungsverfahren Spanen mit geometri sch bestimmten Schneiden [DIN 8589]

Die Verfahren des Spanens mit geometrisch bestimmten Schneiden werden zur Fertigbearbeitung von Werkstücken nach dem Ur- und Umformen eingesetzt. Dabei sind kleine Form- , Lage- und Maßtoleranzen erreichbar. Die Festigkeit der Werkstücke wird jedoch durch Zerteilen der Werkstofffasem gemindert. Die verschiedenen Werkstoffe weisen eine unterschiedliche Zerspanbarkeit auf. Die Zerspanbarkeit drückt die Eigenschaft eines Werkstoffes aus, einer spanenden Bearbeitung Widerstand entgegenzusetzen und das Ergebnis qualitätsmäßig zu beeinflussen. "Gut zerspanbar" bedeutet i. Allg . kurze Bearbeitung durch hohe Schnittgeschwindigkeiten, geringer Energieaufwand, geringer Werkzeugverschleiß, hohe Oberflächengüte, enge Maßtoleranzen und kurze Späne . Die Begriffe der Zerspantechnik, die Kinematik und die Geometrie am Schneidkeil der Werkzeuge sind in DIN 6580 und 6581 festgelegt. Die wichtigsten Grundlagen werden in diesem Abschnitt in gekürzter Form am Beispiel Drehen dargestellt. Die meisten Grundlagen gelten allgemein und können auch auf andere Verfahren dieser Gruppe übertragen werden.

Werkzeuggeometrie Das Abtrennen von Spänen erfolgt durch den Schneidkeil mit seiner geometrisch eindeutig definierten Gestalt. In Bild 5.47 sind die für den Zerspanprozess wichtigsten Winkel an einem vereinfachten Schneidkeil dargestellt. Auf die exakte Zuordnung der Winkel zu den verschie-

5.3 Trennen

121

denen Bezugssystemen und -ebenen des Werkzeuges wird verzichtet, sodass die Winkel ohne Indizes angegeben werden.

SchnitlA-B

a+l}+y=90°

+ a = Freiwinkel

I} = Keilwinkel

y= Spanwinkel

1C=

E=

Einstellwinkel

Eckenwinkel

Bild 5.47: Geometrie am Schneidkeil eines Drehwerkzeuges [FRI05]

Der Freiwinkel a verhindert ein Reiben der Freifläche des Werkzeuges am Werkstück. Er muss bei jedem Schneidkeil vorhanden und ausreichend groß sein. Bei einem Drehwerkzeug beträgt der Freiwinkel je nach Werkzeug- und Werkstückwerkstoff 5-10°. Der Keilwinkel ß bestimmt die Stabilität des Werkzeuges. Große Keilwinkel sind für eine gute Wärmeableitung von der Wirkstelle vorteilhaft. Der Keilwinkel ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:

a + ß + y= 90°

(5.3)

Der Spanwinkel y beeinflusst den Spannungszustand im Schneidkeil und in der Spanwurzel und damit die Spanbildung. Der Spanwinkel kann positive oder negative (bei Wendeschneidplatten) Werte annehmen. Je nach Werkstückwerkstoffbeträgt er bei Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl oder bei Hartmetallschneiden 5-30°. Mit kleiner werdenden Spanwinkeln steigen die Schnittkräfte an, insbesondere bei negativen Spanwinkeln. Ein großer Eckenwinkel E trägt zur Stabilität der Schneidecke bei. Er beträgt bei Werkzeugen für das Längs- und Plandrehen häufig 90°. Der Einstellwinkel 1C beeinflusst bei gegebener Schnitttiefe die belastete Breite der Schneide und geht in die Berechnung der Schnittkraft mit ein.

Bewegungen und Kräfte Die Bewegungen und Kräfte beim Zerspanen sind in Bild 5,48 dargestellt. Die Schnittbewegung bewirkt eine einmalige Spanabnahme je Umdrehung oder Hub. Die Vorschubbewegung ermöglicht zusammen mit der Schnittbewegung eine stetige Spanabnahme. Die Wirkbewegung ergibt sich als Resultierende der Schnitt- und Vorschubbewegung.

122

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Vc :

Schnittgeschwindigkeit

vr: Vorschubgeschwindigkeit va : Wirkgeschwindigkeit

Fe : Schnitlkraft Fr : Vorschubkraft

F

f

F. : Aktivkraft Fp : Passivkraft

Fe : Zerspankraft , _

__<__ ..... ,

cp : Vorschubrlchlungswinkel

F

a

Tl : WIrkrichtungswinkel

Bild 5.48: Kräfte und Geschwindigkeitsvektoren beim Drehen

'-

---.,~~.:--+-_----l.

ap

Fe : Schnitlkraft [N] A : Spanungsquerschnltl [mm:!] a p : Schnitlliefe [mm] f h

kc

1C

C

: Vorschub je Umdrehung [mm] : Spanungsdicke [mm] : Auf den Spanungsquerschnitl f' a = 1mm' 1mm bezogene Schnitlkraft, im Versuch ennittelt [NImm:!] : Einstellwinkel [0] : Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit

Bild 5.49: Berechnung der Schnittkraft beim Drehen [FRI05]

Die Zerspanlcraft F setzt sich aus der Schnittkraft Fe, der Vorschubkraft F f und der Passivlcraft

F, zusammen. Die Schnittkraft und die Vorschubkraft ergeben zusammen die Aktivkraft Fa. Die Schnittkraft ist die größte Komponente und bestimmt die Schnittleistung. Sie hängt vom Spanungsquerschnitt und von der spezifischen Schnittkraft ab, die ihrerseits eine Funktion der Schnittbedingungen ist. Die Berechnung der Schnittkraft erfolgt anhand der im Bild 5.49 dargestellten geometrischen Verhältnisse und Gleichungen. Die Schnittleistung P, ergibt sich aus der Schnittkraft und der Schnittgeschwindigkeit nach der Beziehung: P,

=

Fe' v;

mit

v; =

1t .

d n

(5.4)

5.3 Trennen

123

wobei d den Werkstückdurchmesser und n die Drehzahl bedeuten. Die Antriebs1eistung der Maschine erhält man aus der Schnittleistung unter Berücksichtigung des Antriebswirkungsgrades.

Spanbildung Der Schneidkeil bewirkt in der Spanwurzel (Scherzone) einen Spannungszustand, der zum Überschreiten der Fließgrenze bzw. der Schubbruchspannung (bei spröden Werkstoffen) und damit zur Spanabtrennung führt. Die entstehenden Späne können zusammenhängend sein (Fließspan) oder aus einzelnen Bruchstücken (Reiß span) bestehen. Darüber hinaus sind alle Zwischenformen möglich. Die Spanbildung wird von Größen wie Werkstoff, Schnittbedingungen, Schneidstoff, Werkzeugwinkel, Zerspantemperatur usw. beeinflusst. Bild 5.50 zeigt die Spanbildung in Abhängigkeit des Spanwinkels. Der Reißspan entsteht besonders bei spröden Werkstoffen durch Abreißen der einzelnen Spanteile in der Scherzone. Die Werkstückoberfläche wird raub. Der Scherspan entsteht bei zähen Werkstoffen aus Spanteilen, die nach vorherigem Fließen in der Scherzone getrennt werden. Die schuppenförmigen Spanteile verschweißen teilweise wieder miteinander. Der Fließspan entsteht bei weichen und zähen Werkstoffen durch einen Fließvorgang in der Scherzone, ohne dass dabei eine Trennung des Spanes eintritt. Er bewirkt eine gute Werkstückoberfläche, bereitet allerdings Schwierigkeiten bei der Spanabfuhr. In Bild 5.51 sind verschiedene Spanformen der drei Spankategorien (Reiß-, Scher- und Fließspan) dargestellt.

t

Rel&epan

Schal'llpan

FllaBapan

ybisS'

ybis 17'

ybis30'

Bild 5.50: Spanarten

l(( 1~ BandspAne

WirTspäne

.,

d U 'I • 0

~

lange kurze Flach- SchrägSpiralzyI. zyI. wendel- wendel- Wendel- Wendel- wendel· späne späne späne späne späne

[J!a

. .. .

I'

Bild 5.51: Spanformen

0 (Q, 6j Spiralspäne

n ....

,

I~)

Spanlocken

'.~ ...

~ u ~~

o~

{' . ~ f",

Bröcklllspane

124

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Schneidstoffe Der Schneidstoffbeeinflusst die Werkstückqualität und die Wirtschaftlichkeit des Zerspanvorgangs. Folgende Schneidstoffe sind gebräuchlich [SPU79, SCH002]: •

Werkzeugstähle Legierte und unlegierte Werkzeugstähle sind die ältesten, industriell eingesetzten Schneidstoffe. Ihre Härte bekommen sie durch eine gezielte Wärmebehandlung. Der Einsatz ist nur bei niedrigen Temperaturen möglich.

•

Hochleistungs- und Schnellarbeitsstähle (HHS) Diese Schneidstoffe enthalten Wolfram-, Chrom-, Molybdän- oder Vanadin-Karbide. Sie zeichnen sich gegenüber Werkzeugstählen durch eine verbesserte Anlassbeständigkeit und eine höhere Härte aus. Beispiele für HSS-Werkzeuge sind Bohrer, Fräser und Räumwerkzeuge.

•

Hartmetalle Hartmetalle sind Sinterwerkstoffe aus Wolfram-, Titan-, Tantalkarbid, Kobalt und Nickel. Hartmetalle bieten den Vorteil hoher Härte und Verschleißfestigkeit (Hartmetall hat bei 1000°C die gleiche Härte wie Schnellarbeitsstahl bei Raumtemperatur). Hartmetalle werden als Schneidplatten (geklemmt oder gelötet) bei Dreh-, Fräs-, Hobel- und Räumwerkzeugen eingesetzt.

•

Schneidkeramik Bei der Schneidkeramik werden Keramiken auf Aluminiumoxid-Basis (Ah03, engl. Bezeichnung: ceramics) und Mischkeramiken aus Aluminiumoxid mit relativ hohem Anteil an Metallkarbiden (engl. Bezeichnung: cermets) unterschieden. Die Herstellung von Schneidkeramik erfolgt durch Sintern. Bei Verwendung von Schneidkeramik sind hohe Schnittgeschwindigkeiten möglich (über 1000 m/min). Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit bleibt die Schneidplatte während des Zerspanvorgangs nahezu kalt. Die entstehende Wärme wird über das Werkstück und die Späne abgeführt. Schneidkeramik ist stoßempfindlich. Es wird ohne Kühlschmierung gearbeitet.

•

Diamant Monokristalline (natürliche oder synthetische) Diamanten werden zur Feinbearbeitung von NE-Werkstoffen eingesetzt. Polykristalline Diamanten, als Schichten auf Hartmetallträgern aufgebracht, dienen zum Leistungszerspanen von NE-Werkstoffen.

Viele Werkzeuge aus HSS und Hartmetall werden mit dünnen Karbid-, Oxid- und Nitridschichten (wenige um) zur Standzeiterhöhung überzogen.

Kühlschmierstoffe Bei vielen Zerspanungsprozessen werden Kühlschmierstoffe (Öle, Emulsionen und Lösungen) eingesetzt. Die Art und Zusammensetzung des Kühlschmierstoffes richtet sich nach Faktoren wie zu bearbeitender Werkstoff, Werkzeugwerkstoff, Schnittgeschwindigkeit, Zerspanungsvolumen und nach der Umweltverträglichkeit. Vereinfacht lassen sich drei Hauptaufgaben der Kühlschmierstoffe darstellen: • •

Kühlung von Werkzeug und Werkstück Schmierung zur Herabsetzung von Reibungswärme, Schnittkräften und Werkzeugverschleiß

5.3 Trennen

•

125

Reinigung von Werkstück und Werkzeug durch Wegspülen von Spänen und Verunreinigungen.

Verschleiß und Standzeit der Werkzeuge Die für die Zerspanung aufgewendete mechanische Energie wird fast vollständig in Wärmeenergie umgewandelt. Obwohl der größte Anteil der Wärme von Span und Werkstück abgeführt wird, ist der Schneidkeil hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Während des Zerspanvorganges treten am Schneidkeil Verschleißerscheinungen auf, die sich je nach Belastungsart und -dauer unterschiedlich ausbilden. Die Standzeit T eines Werkzeuges ist definiert als diejenige Zeit in Minuten, während der ein Werkzeug vom Anschliff bis zum Unbrauchbarwerden aufgrund eines vorgegebenen Standkriteriums unter bestimmten Zerspanbedingungen Zerspanarbeit leistet. Die Standzeitwerte werden in Versuchen ermittelt.

-~

c iii

.!. C

j

Fertigungskosten

'.\

,

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< /"

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... "'.........

_.-.-.--

.•<....

.; "",'/

/

Werkzeug- und Werkzeugwechselkosten

"'?'-------Maschinen- u. Lohnkosten

Schnittgeschwindigkeit v [mImin] Die heutigen Bearbeitungszentren stellen kostenoptimale Schnittgeschwindigkeit hohe Investitionen dar. Der wirtschaftliche Einsatz solcher Maschinen erfordert eine Bild 5.52: Kostenoptimale Schnittgeschwindigkeit hohe Mengenleistung und entsprechend hohe Schnittgeschwindigkeiten. Dabei wird eine kurze Standzeit der Werkzeuge bewusst in Kauf genommen. Die grafische Ermittlung der kostenoptimalen Schnittgeschwindigkeit ist in Bild 5.52 dargestellt.

5.3.2.1

Drehen

Drehen ist Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Schnittrichtung liegender Vorschubbewegung [DIN 8589]. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei (Drehachse ist werkstückgebunden). Die Definition lässt offen, ob die Schnittbewegung durch ein sich drehendes Werkstück oder durch ein umlaufendes Werkzeug ausgeführt wird und hat somit allgemeine Gültigkeit.

Verfahren Die Vielzahl der Drehverfahren kann nach Form, Lage und Güte der zu bearbeitenden Oberfläche sowie nach der Kinematik des Zerspanvorgangs eingeteilt werden (Bild 5.53). Nach Form der Oberfläche werden das Plandrehen (Erzeugung einer ebenen, senkrecht zur Drehachse des Werkstückes liegenden Fläche), Runddrehen (Erzeugung einer kreiszylindrisehen, zur Drehachse des Werkstücks koaxial liegenden Fläche), Schraubdrehen (Erzeugung von Schraubflächen mit einem Profilwerkzeug), Wälzdrehen (Erzeugung von rotationssymmetrischen Wälzflächen, wobei das Profilwerkzeug eine mit der Vorschubbewegung simultane Wälzbewegung ausführt), Profildrehen (das Profilwerkzeug wird im Werkstück abgebildet) und das Formdrehen (Werkstückform wird durch Steuerung der Vorschub- und Schnittbewe-

126

5 Ferti.gungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

gung erzeugt) untenchieden. Nach Lage der Oberfläche werden die Drehverfahren in das Außen- und Innendrehen, nach der Oberflächengüte in Schrupp-, Schlicht- und Feindrehen eingeteilt. Nach der lünematik des Zerspanungsvorgangs werden die Verfahren Längsdrehen, Qu.erdrehen, Formdrehen, Wälzdrehen sowie Rund- und Unrunddrehen unterschieden.

Llngs-Runddrehen

Quer-Runddrehen

Kegeldrehen

LAnglI-PlBndl'8h8n

Quer-Plandrehen

Quer-Abstechdrehen

Gewindedrehen

LJ.ngs-Prollkhhen

Gewlndeslrehlen

Quel'-Unl\lnddrehen

Gewllldeschn"'n

Quer-ProfIldrehen

BDd5.53: Drehverfahren beim Außcndrehen [DIN 8589-1]

Werkzeuge Zum Einsatz kommen Außen- und Innendrehwerkzeuge aus Werkzeugstahl bzw. auf Werkzeugschaft geklebte, gelötete oder geklemmte Schneidplatten aus Hartmetall, Oxidkeramik oder Diamant in verschiedenen Formen. Werkzeugformen sind in DIN-BlAttern und VDIRichtlinien genormt. Bild 5.54 zeigt zwei mit Wendeschneidplatten bestückte Werkzeuge zum Außen- und Innendrehen.

DUd 554: W _ fik AuS en• (linloo) und Innendrehen (rechts)

5.3 Trennen

127

Maschinen Die Auswahl von Drehmaschinen erfolgt hauptsächlich nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Für kleine Losgrößen und eine werkstattorientierte Fertigung ist die Universaldrehmaschine die am häufigsten vertretene Fertigungseinrichtung. Für große Stückzahlen kommen Revolver-, Nachformdrehmaschinen sowie Ein- und Mehrspindeldrehautomaten in Betracht Als flexible Fertigungssysteme werden Bearbeitungszentren für Dreh-, Bohr- und Fräsarbeiten mit Werkzeugmagazinen und Handhabungssystemen eingesetzt. Revolverdrehmaschinen besitzen drehbare Werkzeugmagazine (Revolver), deren Werkzeuge nacheinander zum Eingriff gebracht werden. Nachformdrehmaschinen dienen zur selbständigen Bearbeitung von Werkstücken nach einer vorgegebenen Form (Schablone), die von einem Nachformsystem abgetastet und auf das Werkstück übertragen wird. Ein- und Mehrspindeldrehautomaten sind für Stangenarbeiten mit automatischem Arbeitsablauf und Massenfertigung geeignet. Sie werden mit CNCBahnsteuerungen ausgerüstet. Die Werkzeuge können in Revolvermagazinen aufgenommen werden.

5.3.2.2 Bohren, Senken, Reiben Bohren ist Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung, bei dem die Drehachse des Werkzeuges und die Achse der zu erzeugenden Innenfläche identisch sind und die Vorschubbewegung in Richtung dieser Achse verläuft. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vorschubbewegung bei. Senken ist Bohren zur Erzeugung von senkrecht zur Drehachse liegenden Planflächen oder symmetrisch zur Drehachse liegenden Kegelflächen, bei meist gleichzeitiger Erzeugung von zylindrischen Innenflächen. Reiben ist Aufbohren mit geringer Spanungsdicke zur Erhöhung der Oberflächengüte [DIN 8589] .

Verfahren Bobrverfahren werden entsprechend der zu erzeugenden Oberfläche, Werkzeugform und Kinematik des Zerspanvorgangs geordnet (Bild 5.55).

PlanSenke~nlanein senken

Gewind&bohren

..........-+-..... ~~:tJ_ 1.L.....<~4-J.L...o:'-'-'

Profilbohren ins Volle

Bild 5.55: Bohrverfahren [DIN 8589-2]

Rundbohren ist ein Vorgang zur Erzeugung einer kreiszylindrischen Innenfläche, die koaxial zur Drehachse des Werkzeuges liegt. Es wird unterschieden zwischen Bohren ins Volle, Vorbohren, Aufbohren und Reiben. Beim Bohren ins Volle, insbesondere bei größeren Durchmes-

128

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

sem, ist zu beachten, dass die Schnittgeschwindigkeit in der Bohrerachse gleich Null ist, sodass die Schneide an dieser Stelle nicht schneidet, sondern den Werkstoff durch Umformen verdrängt, wodurch die Vorschubkräfte stark ansteigen. Kernbohren ist Bohren, bei dem das Werkzeug den Werkstoff ringförmig zerspant, wobei gleichzeitig mit der Bohrung ein kreiszylindrischer Kern entsteht. Da nicht der gesamte Werkstoff zerspant werden muss, ist die Zerspanleistung geringer als beim Bohren ins Volle (bei gleichem Durchmesser). Das Verfahren kann nur bei Durchgangsbohrungen angewendet werden.

Unter Aujbohren ist ein Bohrvorgang zur Durchmesservergrößerung vorgebohrter oder vorgegossener Löcher zu verstehen. Plansenken (Planan- und Planeinsenken) ist das mit einem Flachsenker durchgeführte Bohrverfahren zur Herstellung senkrecht zur Drehachse der Schnittbewegung liegender ebener Flächen. Planeinsenken wird zum Versenken von Innensechskantschrauben verwendet. Schraubbohren dient zur Erzeugung von Innenschraubflächen (z. B. Gewinden). Dabei sind Vorschubgeschwindigkeit und Schnittgeschwindigkeit miteinander gekoppelt. Profilbohren ist ein Verfahren zur Erzeugung rotationssymmetrischer Innenflächen, die durch das Hauptschneidenprofil des Werkzeuges bestimmt sind. Hierzu gehören z. B. das Herstellen von Zentrier- und Stufenbohrungen sowie das Versenken von Linsensenkschrauben. Reiben ist ein Aufbohren mit geringer Spanungsdicke zur Herstellung maß- und formgenauer Innenflächen (z. B. Passungen) mit hohen Oberflächengüten (erreichbare Rautiefe R, beim Bohren: 250-16 11m; beim Reiben: 25--0,4 11m).

Werkzeuge Je nach Bohrverfahren und Verwendungszweck haben die Bohrwerkzeuge die unterschiedlichsten Formen. Für das Bohren ins Volle, das Vor- und das Autbohren werden Wendelbohrer eingesetzt. Der Schneidenteil des Bohrers entsteht durch einen geeigneten Anschliff des wendelförmigen Grundkörpers (abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff). Jeder Schneidenteil besitzt eine Haupt- und Nebenschneide. Die Werkzeuggeometrie ist inDIN 6581 genormt. Die serienmäßig gefertigten Bohrer lassen sich unterteilen nach: • • • •

Art der Einspannung (Zylinderschaft, Morsekegel) Größe des Spitzenwinkels 0' (Stahl 0' = 118°, Aluminium 0' Drallrichtung (rechts- oder linksschneidend) Schneidstoff (Werkzeugstahl, HSS, Hartmetall)

=

140°, Kunststoffe 0' = 60-80°)

Daneben gibt es noch eine Reihe von Sonderwerkzeugen wie Wendelbohrer mit innerer Kühlmittelzufuhr, Wendeschneidplattenbohrer, überlange Bohrer usw.

Maschinen Die Maschinenauswahl erfolgt nach Gesichtspunkten wie Spann- und Arbeitsbereich, Nennbohrleistung, Drehzahl- und Vorschubbereich, Genauigkeit, Zahl- und Lage der Bohrungen und Automatisierungsgrad. Es werden die Maschinenarten Tisch-, Säulen-, Ständer-, Mehrspindel-, Revolver-, Schwenk-, Koordinaten-, Fein-, Tief- und Sonderbohrmaschinen unterschieden.

5.3 Trennen

5.3.2.3

129

Fräsen

Fräsen ist Spanen mit einem meist mehrzahnigen Werkzeug mit kreisförmiger, zugeordneter Schnittbewegung und mit senkrecht oder auch schräg zur Drehachse des Werkzeuges verlaufender Vorschubbewegung zur Erzeugung beliebiger Werkstückoberflächen [DIN8589]. Die Vorschub- und die Zustellbewegung werden je nach Bauart der Fräsmaschine vom Werkzeug und/oder Werkstück durchgeführt. Die Schneiden der Werkzeuge befmden sich intermittierend im Eingriff. Dabei entstehen Späne mit nicht konstanter Spanungsdicke, sog. Kommaspäne. Eine Besonderheit der Fräsverfahren ist die Änderung des Winkels zwischen Schnittgeschwindigkeits- und Vorschubgeschwindigkeitsvektor während des Zerspanvorgangs.

Verfahren Die Fräsverfahren können nach der zu erzeugenden Werkstückgeometrie eingeteilt werden in: • • • •

• •

Planfräsen mit geradliniger Vorschubbewegung zur Erzeugung ebener Flächen Rundfräsen mit kreisförmiger Vorschubbewegung zur Erzeugung kreiszylindrischer Flächen Schraubfräsen mit wendeiförmiger Vorschubbewegung zur Erzeugung von schraubenförmigen Flächen (z. B. Gewinde und Schneckenräder) Wälzfräsen, bei dem ein Fräswerkzeug mit Bezugsprofil während des Zerspanvorganges eine mit der Vorschubbewegung simultane Wälzbewegung ausführt (Herstellung von Zahnrädern) Profilfräsen, bei dem sich das Profil des Fräsers im Werkstück abbildet (Herstellung von Nuten aller Art) Formfräsen mit gesteuerter Vorschubbewegung (Kopierfräsen, z. B. im Formenbau)

Beim Planfräsen werden je nach Stellung der Werkzeugachse bzw. danach, ob die am Umfang liegenden Hauptschneiden oder die an der Stirnseite liegenden Nebenschneiden im Eingriff sind, zwei grundsätzliche Fräsverfahren, das Umfangsfräsen (Walzenfräsen) und das Stirnfräsen unterschieden (Bild 5.56). Das Umfangsfräsen kann im Gleich- und Gegenlau/erfolgen. Glelchlauffräsan

Stlmfräsen

V, : Vorschubgeschwlndlgke~

v. : Wlrkgeschwlndlgke~ v, : Schnittgeschwindigkeit

cp : Vorschubrlchlungswlnkel 1] : WIrkrichtungswinkel

Bild 5.56: Grundlegende Verfahren beim Fräsen

130

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Beim Gleichlauffräsen sind die Drehrichtung des Fräsers und die Vorschubrichtung des Werkstückes gleichgerichtet. Der Vorschubrichtungswinkel nimmt Werte zwischen 90° ~

Werkzeuge Die Wahl des Werkzeuges richtet sich nach der erwünschten Geometrie der Arbeitsfläche. Verschiedene Profile können mit gefrästen Urnfangsfräsern oder mit entsprechend zusammengesetzten, mit Wendeschneidplatten bestückten Satzfräsern erzeugt werden. Durch den unterbrochenen Eingriff der Schneiden muss der Schneidstoff zäh und temperaturwechselbeständig sein. Bild 5.57 zeigt einen Schaftfräser und einen Messerkopf, die beide mit beschichteten Wendeschneidplatten ausgerüstet sind.

Maschinen Die Maschinen werden in Konsol- und BettBild 5.57: Fräser mit Wendeschneidplatten fräsmaschinen eingeteilt. Bei Konsolmaschinen ist die Frässpindel ortsfest fixiert , wobei der Tisch alle translatorischen Bewegungen ausführt. Konsolmaschinen werden als Horizontal-, Vertikal- und Universalfräsmaschinen ausgeführt. Die Universalmaschine bietet durch ein Baukastensystem die Möglichkeit, neben fräsen auch bohren, drehen und schleifen zu können. Bei Bettfräsmaschinen wird die Vertikalbewegung durch die Spindel ausgeführt. Bettfräsmaschinen (Ein- und Zweiständermaschinen) sind für große und schwere Werkstücke geeignet. Nachformfräsmaschinen eignen sich zur Herstellung komplizierter Raumformen, die von einem Modell mit einem Taster abgetastet und auf das Werkzeug übertragen werden.

5.3 Trennen

5.3.2.4

131

Fläurnen

Räumen ist Spanen mit einem mehrzahnigen Werkzeug, dessen Schneidzähne hintereinander liegen und jeweils um eine Spanungsdicke gestaffelt sind. Die Vorschubbewegung wird durch die Staffelung der Schneidzähne ersetzt. Die letzten Zähne haben das am Werkstück gewünschte Profil. Der Arbeitsvorgang ist nach einem Durchlauf des Räumwerkzeuges beendet und die Werkstückoberfläche gleichzeitig fertig bearbeitet [DIN 8589].

Verfahren

Werkzeug

Je nach Lage und Form der bearbeiteten Oberfläche werden die Verfahren Außenund Innenräumen sowie Plan-, Rund-, Schraub-, Profil- und Formräumen unterschieden. Das Außen-Planräumen (Bild 5.58) ist das einfachste Räumverfahren. Es wird z. B. im Motorenbau beim Räumen der Trennflächen zwischen Motorblock und Zylinderkopf angewendet. Das Rundräumen wird relativ selten angewendet. Das Schraubräumen wird als Innen- und Außenräumen zur Erzeugung von schraubenförmigen Flächen eingesetzt. Dabei wird die Translationsbewegung durch das Werkzeug, die Rotationsbewegung durch das Werkstück oder das Werkzeug ausgeführt. Das Profilräumen zur Fertigung nahezu beliebiger Außenund Innenprofile (Bild 5.59) ist das häufigste Räumverfahren.

I : Länge b : Breite t : Zahnteilung hz : Spanungsdicke je Zahn vc : Schnittgeschwindigkeit

Bild 5.58: Außen-Planräumen

• eee Lenkmutter

Die Ausgangsform für das InnenProfilräumen ist eine Bohrung, durch die das Werkzeug hindurch gezogen wird (es können nur durchgehende Bohrungen bearbeitet werden). Bei bestimmten Außenprofilen wird das Tubusräumen (Bild 5.60) mit vom Werkzeug allseitig Bild 5.59: Beispiele für geräumte Außen- und Innenumschlossenem Werkstück angewandt. profile [SPU80] Beim Formräumen wird durch eine kreisförmige Schnittbewegung eine Formfläche erzeugt. Ein Verfahren des Formräumens ist das neu entwickelte Drehräumen. Dabei wird ein sich drehendes Werkstück von einem sich ebenfalls drehenden Werkzeug bearbeitet. Anwendung fmdet das Verfahren beim Drehräumen der Hauptlager von Kurbelwellen, die alle zur gleichen Zeit bearbeitet werden [FEL90, KOE08].

132

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Werkzeuge Räumwerkzeuge werden vorwiegend aus Wer1<stück nach der Bearbeitupg: Schnellarbeitsstahl als Vollwerkzeuge hergestellt. Es sind jedoch auch gebaute WerkWerkstück zeuge mit Hartmetallschneiden oder diamantbelegte Räumwerkzeuge im Einsatz Werkstück vor der Tubus Bearbeitung: [LAU87]. Werkzeuge für das Innenräumen (Räumnadeln) sind stabförrnig mit Schrupp-, "$ " _ : i Druckstange Schlicht- und Reservezähnen. Der Aufbau . Vorschub , . .. ~.....nsätze und die Schneidengeometrie gehen aus Bild 5.61 hervor. Die Spanabnahme je Schneide ist begrenzt, da der Span während der Bearbeitung nicht abgeführt werden kann. Die Spanungsdicke h liegt zwischen 0,0025 mm Bild 5.60: Tubusräumen beim Schlichten und 0,04 mm beim Schruppen. Räumwerkzeuge sind teure Präzisionswerkzeuge. die erreichbare Qualität beim Innenräumen beträgt IT 7.

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Warkstl1ckprafll

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ts

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f:Fasenbreite

s: Spantlafa

t : Zshntailung

Bild 5.61: Aufbau eines Räumwerkzeuges

Maschinen Die Kinematik der Räummaschinen ist verhältnismäßig einfach und dient der Erzeugung der meist linearen Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Nach Lage der Werkzeugachse werden Waagrecht- und Senkrecht-Räummaschinen unterschieden. Kettenräummaschinen sind für große Stückzahlen von nicht zu großen Werkstücken geeignet, die sich gut einspannen lassen. Sie werden an einem Kettenband an feststehenden Werkzeugen vorbeigeführt und bearbeitet. Maschinen für das neu entwickelte Verfahrendes Drehräumens besitzen zwei Antriebe für die Drehbewegungen des Werkstückes und des Werkzeuges.

5.3 Trennen

5.3.2.5

133

IIochleisnrngszerspanlUlg

Eine effiziente Produktion spielt in einem modemen Unternehmen eine immer entscheidendere Rolle. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, ist ein kontinuierlicher Optimierungsprozess der eigenen Fertigung unabdingbar. Ein wesentlicher Anteil an der Fertigung nimmt die Zerspanung ein. Der Verlagerung der wertschöpfenden Produktion in Billiglohnländer kann mit technologischer Weiterentwicklung und einer Steigerung der Produktivität entgegengewirkt werden. Durch eine systematische Variation und Steigerung der Zerspanparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, usw.) kann das erhebliche Potential im Zerspanprozess ausgeschöpft und somit eine Reduzierung der Stückkosten bewirkt werden. Die so erreichten höheren, aber konstanteren Bearbeitungstemperaturen führten zu einer Verringerung der Schnittkräfte und verlängerten so die Standzeiten der Werkzeuge. Durch eine gezielte Kombination der Minimalmengenschmierung (gezielte Zuführung von geringen Mengen an Kühlschmierstoff) mit dem Einsatz von Hochgeschwindigkeitsspindeln gelang es, das Leistungspotential einer modemen Werkzeugmaschine besser auszunutzen. Auf diese Weise kann die Hauptbearbeitungszeit (reine Zerspanzeit, ohne Werkzeugwechse1, Hochlauf der Spindel, Wegezeiten, usw.) für z. B. kubische Bauteile aus Grauguss, Stahl oder Aluminium um 40-60 % gesenkt werden. Diese Erfolge können nur durch gezielte Optimierung aller beteiligten Prozess- und Systemkomponenten realisiert werden. So mussten z. B. Minimalmengenschmiersysteme prozesssicher gestaltet und in Werkzeugmaschinen integriert werden. Die Werkzeugmaschinen mussten in ihrem konstruktiven Aufbau an den Spanfall, die Spanentsorgung, die Belüftung und die Reinigung angepasst werden. Die Zerspanwerkzeuge wurden den neuen Herausforderungen entsprechend in Geometrie, Werkstoff und Beschichtung modifiziert. Eine reine Verkürzung der Hauptzeiten führt aber noch nicht zu einer optimalen Ausnutzung des Leistungspotentials einer Werkzeugmaschine. Nebenprozesse, wie der Hochlauf der Spindel auf Zerspangeschwindigkeit, das Beschleunigen und Verfahren der Vorschubachsen aber vor allem der Werkzeugwechsel nehmen heute bei aufwendigen Bauteilen 70-80 % der Gesamtbearbeitungszeit in Anspruch. Ziel zukünftiger Entwicklungen wird es daher sein, die Nebenzeiten zu reduzieren und somit die Produktivität von Werkzeugmaschinen weiter zu steigern [EIS02, ADA03, UHL03, TSC05].

5.3.3

Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden

Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden ist Spanen, bei dem ein Werkzeug verwendet wird, dessen Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück unbestimmt sind [DIN 8589]. Die Schneidkeile werden durch Schneidkörner gebildet, die entweder in einem Werkzeug gebunden vorliegen (Schleifen, Honen, Gleitspanen) oder in loser Form als Suspension oder Paste eingesetzt werden (Läppen, Strahlspanen). Als Schneidstoffe werden Komwerkstoffe mit großer Härte verwendet, die entweder in der Natur vorkommen oder synthetisch hergestellt werden. Gängige Komwerkstoffe sind (jeweils nach zunehmender Härte geordnet): • •

Quarz, Korund und Diamant als natürliche Schneidstoffe, Elektrokorund (Alz0 3) , Siliciumkarbid (SiC), Borkarbid (B4C), kubisches Bornitrid (CBN) und Diamant als synthetische Schneidstoffe.

134

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die Einteilung der Schleitkömer in Größenklassen erfolgt durch Absieben oder durch Sedimentation. Die Körnungsnummer entspricht der Maschenzahl je Linear-Zoll. Nach DIN ISO 525 werden die Kömungen grob (4-24), mittel (30-60), fein (70-220) und sehr fein (2301200) unterschieden. Übliche mittlere Komdurchmesser betragen beim • • •

80-380 um, 30-280 um und 5-60 um [SAL89].

Schleifen Honen Läppen

Beim Spanen mit gebundenem Kom kann die Bindung an den Anwendungsfall angepasst werden. Die Aufgabe der Bindung ist es, die Schleitkömer bis zum Erstumpfen festzuhalten. Als Bindungsarten werden keramische, mineralische und metallische Bindungen, Kunstharz-, Gummi- und Leimbindungen eingesetzt. 5.3.3.1

Schleifen

Schleifen ist ein spanendes Fertigungsverfahren mit vielschneidigen Werkzeugen, deren geometrisch unbestimmte Schneiden von einer Vielzahl gebundener Schleitkömer aus natürlichen oder synthetischen Schleifmitteln gebildet werden und mit hoher Geschwindigkeit, meist unter nichtständiger Berührung zwischen Werkstück und Schleitkom den Werkstoff abtrennen [DlN 8589].

Verfahren Schleifverfahren werden in der Fertigungstechnik zur Änderung der Form und der Abmessungen von Werkstücken, zur Verbesserung ihrer Oberflächengüte, als Trennverfahren (Trennschleifen), zum Entgraten und zum Scharfschleifen von Werkzeugen eingesetzt. Nach Werkzeugart werden die Schleifverfahren in Schleifen mit rotierendem Werkzeug, Bandschleifen und Hubschleifen unterteilt. Bild 5.62 zeigt einige wichtige Schleifverfahren.

cm

~

-mbovc 1!f

ffi

Vf -

Umfangsplanschleifen

Stirnplanschleifen

Profilschleifen

-ROv

c

~OVfu Außenrund-Längsschleifen

Wälzschleifen mit Schleifschnecke Vc : Vfu :

Innenrund-Längsschleifen

Spitzen loses Schleifen

Schnittgeschwindigkeit VI: Vorschubgeschwindigkeit Urnfangs-Vorschubgeschwindigkeit

Bild 5.62: Schleifverfahren [MEIN89]

Gewindeschleifen rnit Einprofilscheibe

Bandschleifen

vft: Längs-Vorschubgeschwlndigkeit

5.3 Trennen

135

Das Planschleifen ist Schleifen zur Erzeugung ebener Flächen. Es kann als Umfang- oder Stirnschleifen durchgeführt werden. Beim Umfangschleifen sind in der Praxis zwei Varianten im Einsatz, das Pendelschleifen (hohe Tischgeschwindigkeit, geringe Zustellung) mit abwechselndem Gleich- und Gegenlaufund das Vollschleifen (geringe Tischgeschwindigkeit und hohe Zustellung), das vorzugsweise im Gegenlauf erfolgen sollte. Das Stirnschleifen ist bei Werkstücken mit größeren Bohrungen, Ausschnitten und Vertiefungen empfehlenswert. Die thermische Belastung der Werkstücke ist beim Stirnschleifen größer als beim Umfangschleifen. Rundschleifen ist Schleifen zur Erzeugung kreiszylindrischer Außen- und Innenflächen. Die Vorschubbewegung wird durch eine Drehbewegung des Werkstückes durchgeführt. Beim Rund-Längsschleifen wird zusätzlich eine Längsvorschubbewegung überlagert. Profilschleifen erfordert entsprechend geformte Schleifscheiben, deren Geometrie auf dem Werkstück abgebildet wird.

Das Gewindeschleifen ist ein Schraubschleifen. Es wird mit Ein- oder Mehrprofilwerkzeugen durchgeführt. Längsvorschub und Werkstückdrehzahl müssen im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Das Wälzschleifen ist Schleifen zur Erzeugung von Flächen, die aus einem BezugsprofilWerkzeug im Abwälzverfahren entstehen. Spitzenloses Schleifen ist Rundschleifen, wobei die rotationssymmetrischen Werkstücke ohne feste Einspannung nur durch die Auflage, die Regelscheibe und die Schleifscheibe geführt werden (Drei-Punkt- oder Drei-Linien-Auflage). Die tangentiale Vorschubbewegung erfolgt durch Reibung an der Regelscheibe. Bei einer geringen Schrägstellung der Regelscheibe ergibt sich eine axiale Vorschubbewegung des Werkstückes (spitzenloses Durchgangsschleifen). Die Vorteile des spitzenlosen Schleifens sind die hohe Form- (Rundheits-) und Maßgenauigkeit der Werkstücke (keine Durchbiegung) und das Entfallen von Zentrierbohrungen [SCHU86].

Beim Bandschleifen wird ein schleifmittelbesetzter Träger durch Scheiben an das Werkstück angedrückt. Vorteilhaft sind die erreichbaren hohen Schnittgeschwindigkeiten bei kleinen bewegten Massen und die verhältnismäßig geringen Schleifmittelkosten. Schleifverfahren arbeiten mit Schnittgeschwindigkeiten zwischen 25 und 60 m/s (bei Stahl). Die entstehende Wärme wird nicht mit den Spänen abgeführt, sondern verbleibt im Werkstück, sodass in den meisten Fällen eine intensive Kühlschmierung erforderlich ist. Werkzeuge

Da die Werkzeuge durch das Ausbrechen der Körner einem Verschleiß unterliegen, der zu Maß- und Formabweichungen führt, ist ein Abrichten der Schleifscheiben nach einer gewissen Zeit erforderlich. Das Abrichten muss aber auch dann erfolgen, wenn die Schleifscheibe durch ungünstig gewählte Zerspanbedingungen mit Werkstückwerkstoff zugesetzt ist, sodass ein einwandfreier Zerspanprozess nicht mehr gewährleistet ist. Das Abrichten erfolgt mit diamantbesetzten, entsprechend profilierten Werkzeugen, die ein gezieltes Absplittern und Herausbrechen von Schneidkörnern herbeiführen, wodurch die Schleifscheibe wieder auf ihre SollGeometrie gebracht wird.

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

136

Maschinen Für die verschiedenen Schleifverfahren stehen entsprechende Maschinen zur Verfügung. Hauptgesichtspunkt zur Einteilung der Maschinen ist die zu erzeugende Fläche am Werkstück. Als weiteres Ordnungskriterium wird die Außen- oder Innenbearbeitung herangezogen. Flachschleifmaschinen gibt es mit horizontaler und vertikaler Anordnung der Arbeitsspindel und mit einem Längs- oder Drehtisch. Die Einführung des Hochgeschwindigkeitsschleifens erfordert höhere Steifigkeit der Maschinen, hohe Antriebsleistungen, verbesserte Spindellagerungen, Kühlschmiersysteme und Sicherheitseinrichtungen. Die Lagerung der Arbeitsspindeln wird häufig als hydrodynamische Gleitlagerung ausgeführt.

5.3.3.2

Honen

Honen ist Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden, wobei die vielschneidigen Werkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, von denen mindestens eine Komponente hin- und hergehend ist, sodass die bearbeitete Oberfläche überkreuzende Spuren aufweist [DIN 8589].

Verfahren Die Verfahren werden nach der Form und Lage der Werkstückoberfläche (Außen-, Innenhonen, Planhonen, Rundhonen usw.) und nach der Kinematik (Langhub- und Kurzhubhonen) eingeteilt. Zur Maß- und Oberflächenverbesserung wird das Honen mit formschlüssig in Honwerkzeugen eingelegten Honsteinen durchgeführt. Mit kraftschlüssigen Honsteinen kann nur eine Oberflächenverbesserung erzielt werden. Beim Langhub-Innenhonen führt das Werkzeug, die Honahle (Bild 5.63), eine Dreh- und Längsbewegung aus, mit einer daraus resultierenden Schnittgeschwindigkeit von etwa 30 m/min. Die erzielbare Genauigkeit beträgt IT 3.

Honstein

Honahle

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Beim Kurzhubhonen (Superfinish) wird der rotie" , renden und hin- und hergehenden Bewegung des Langhubhonens noch eine Schwingbewegung (Frequenz bis 250 Hz, geringe Amplitude) überWerkstück \'...... -' lagert. Die Bearbeitungszugaben sind geringer als beim Langhubhonen, die spiegelnde Oberfläche weist allerdings einen hohen Traganteil auf. Das Bild 5.63: Innen-Honahle mit formschlüssig Kurzhubhonen wird bei kurzen Bohrungen angelagerten Honsteinen gewandt.

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Honleisten bestehen, ähnlich wie Schleifscheiben, aus körnigen Schneidstoffen, die in eine Bindung eingebettet sind. Bei den konventionellen Werkstoffen gelangen die Kornarten Normal- und Edelkorund (Aluminiumoxid) sowie Siliciumcarbid zur Anwendung. Für das Honen keramischer Werkstücke kommen im Wesentlichen nur die superharten Schleifmittel Diamant und kubisch-krista1lines Bornitrid (eBN) in Betracht. Beim Honen mit hochharten Schneidstoffen werden derzeit Metall- und Kunststofibindungen eingesetzt. Für konventionelle Honleisten kommen auch keramische Bindungen in Betracht.

5.3 Trennen

137

Dabei gilt, dass bei leicht zerspanbaren Werkstoffen verschleißfeste Bindungen verwendet werden, damit die abgetrennten Späne die Bindung nicht zu sehr zerstören und somit die einzelnen Körner nicht vor Erreichen einer gewissen verschleißbedingten Abrundung herausbrechen. Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen, zu denen auch die keramischen zählen, müssen folglich leicht verschleißende Bindungen zur Anwendung kommen, damit durch rechtzeitige Freigabe der Diamantkörner stets eine ausreichende Zahl scharfer Schneidkanten zur Verfügung steht. Eine wichtige Funktion zum Erreichen hoher, reproduzierbarer Oberflächengüten kommt dem Kühlschmiermittel zu. Diese müssen beim Honen hauptsächlich Späne transportieren, die Schneiden schmieren und die Reibungswärme abführen. Büßt das Honwerkzeug seine Schneidfähigkeit oder seine Formgenauigkeit ein, so ist wie beim Schleifen ein Profilier- und Schleifvorgang erforderlich.

5.3.3.3

Läppen

Läppen ist Spanen mit losem, in einer Paste oder Flüssigkeit verteiltem Kom, dem Läppgemisch, das auf einem meist formübertragenden Gegenstück (Läppwerkzeug) bei möglichst ungeordneten Schneidbahnen der einzelnen Körner geführt wird. Durch Läppen werden Oberflächen geglättet wobei enge Toleranzen eingehalten werden können. Das Läppen wird in das Plan-, Schraub-, Wälz- und Profilläppen sowie die Sonderläppverfahren eingeteilt [DIN8589-15]. Beim Planläppen werden die Werkstücke zwischen zwei gegensinnig rotierenden Läppscheiben eingelegt (Bild 5.64). Während des Bearbeitungsprozesses wird das Läppmittel der Kontaktzone zwischen Werkstück und Scheibe zugeführt. Infolge der aufgebrachten Normalkraft FN werden die Läppkörner zwischen Läppscheibe und Werkstück eingeklemmt. Die Relativbewegung zwischen Scheibe und Werkstück bewirkt, dass die Körner eine Rollbewegung ausführen. Dabei dringen die Kornspitzen senkrecht zur Oberfläche in das Werkstück ein und induzieren dort Mikrorisse. Mikroskopisch kleine Werkstoffpartikel brechen aus und führen in der Summe zu dem im Prozess messbaren Materialabtrag.

Läppmitlelzuführung untere Läppscheibe

Werkstücke

Bild 5.64: Planläppen

Läppkom

Oberflächenrisse

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

138

Läppwerkzeuge bestehen meist aus feinkörnigem Grauguss. Sie werden ebenso bearbeitet wie die Werkstücke. Bei entsprechender Formgebung der Werkzeuge können Werkstücke wie Wellen, Bohrungen, Ventilsitze, und Wälzkörper (z. B. Kugeln für Kugellager, Bild 5.65) geläppt werden. Mit dem Läppen sind Toleranzen bis IT I und gemittelte Rauhtiefen unter 0,1 11m erreichbar. Das Läppen wird dann eingesetzt, wenn sehr hohe Anforderungen an die Bauteile hinsichtlich Oberflächenqualität und Formgenauigkeit gestellt werden. Das Läppen bietet eine mehrfach gestufte Prozessführung, wenn nacheinander Läppmittel mit abnehmendem Korndurchmesser verwendet werden. Nach einem Spülvorgang zur Beseitigung des ursprünglichen Korns aus der Kontaktzone kann der Läppprozess mit der geringeren Korngröße fortgesetzt werden. Das Läppmittel wird zudem nach einmaligem Durchlaufen Bild 5.65: Kugelläppen der Kontaktzone nicht wieder verwendet und muss deshalb nur wenig härter sein als der zu bearbeitende Werkstoff. Von großer Bedeutung sind auch die nach dem Läppen auf der Werkstückoberfläche vorliegenden, ungerichteten Bearbeitungsspuren. Schließlich bietet das Verfahren die Möglichkeit, mehrere Werkstücke gleichzeitig und von beiden Seiten zu bearbeiten. Sonderverfahren sind das Druckfließläppen und das (Ultraschall-) Schwingläppen. Das Druckfließläppen wird zur Innenbearbeitung enger Bohrungen eingesetzt. Dabei wird das Läppmittel in einem Arbeitszylinder von zwei gegenläufigen Kolben durch die Bohrungen des in einer Vorrichtung eingespannten Werkstückes alternierend hindurchgepresst. Das Ultraschallschwingläppen wird im Folgenden vorgestellt.

Ultraschallschwingläppen Beim Ultraschallschwingläppen wird wie beim PlanparalleIläppen, mit losem Kom gearbeitet. Das Läppmittel erhält dabei Impulse über ein mit Frequenzen im Ultraschallbereich schwingendes Formwerkzeug (Bild 5.66). ~!!!!!!!!~- Formwerkzeug

Schwlng~==!==~ kopf

I

~7,~ Hartsloffkömer

Werkstück elastisch plastische !~ Verformung ~

Stufensonotrode

Suspensions-

~augung

Exponentialc...-----'....,,~.,--~ sonotrode Suspenslons-

Werkstück

ZUführun~ I

t

Risse

tI~" !!!!I!!i!'r

Formzeugverschleiß Verrundung der Hartstoffkömer Kavitationsblasen

I

Implosion der Kavitationsblasen Werkstoffparlikel

Bild 5.66: Ultraschallschwingläppen

5.3 Trennen

139

Die für die Materialbearbeitung benötigten mechanischen Schwingungen werden durch einen mit dem piezoelektrischen Effekt arbeitenden Schwingkopf erzeugt. Dieser wandelt die anliegende elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. An beiden Enden des mittig eingespannten Kopfes liegt die Eingangsamplitude vor. Für die Materialbearbeitung ist diese Amplitude noch zu gering, sodass eine Verstärkung notwendig wird. Dies geschieht mithilfe sog. Sonotroden, über deren abnehmenden Querschnitt die Amplitude ansteigt. Der Werkstoffabtrennmechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Es wird davon ausgegangen, dass das Formwerkzeug infolge seiner longitudinalen Schwingungen die in dem Läppmittel dispergierten Läppkörner mit ihren Spitzen stoßartig in die Werkstückrandzone eingreifen lässt, sodass kleinste WerkstofIpartikel infolge Mikrorissbildung und fluiddynamischer Effekte abgetrennt und mit der Läppsuspension aus dem Wirkspalt gespült werden. Mit zunehmendem Arbeitsfortschritt führen die Mikrorisse zur Abbildung des Profilwerkzeuges im Werkstück. Neben der Rissinduzierung infolge der Einwirkung der Läppkörner spielen auch kavitationsbedingte Abtrennmechanismen eine Rolle. Beim Abheben des Formwerkzeuges aus der Kontaktzone entsteht ein Unterdruck, durch den weitere WerkstofIpartikel aus der Werkstückoberfläche herausgerissen werden. Dabei kommt es zur Bildung von Kavitationsblasen, die beim erneuten Senken des Formwerkzeuges implodieren und so zusätzlich den Materialabtrag unterstützen.

5.3.3.4 Strahlspanen Strahlspanen (Strahlen) ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Strahlmittel (als Werkzeuge) in Strahlgeräten unterschiedlicher Strahlsysteme beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstückes (Strahlgut) gebracht werden [DIN 8200]. Beim Strahlen ändern feste Strahlmittel ihre Korngröße, Kornform und ggf. ihre mechanischen Eigenschaften. Die Strahlgeräte unterliegen dabei einem Verschleiß durch die Strahlmittel. Aus der Menge der Strahlverfahren soll hier die Anwendung des Hochdruckwasserstrahls zum Trennen behandelt werden. Bei allen Verfahren der Wasserstrahltechnik wird die hohe Energie des Wasserstrahls zum Bearbeiten genutzt. Je nach Verfahren wirkt er dabei als reiner Wasserstrahl direkt am Werkstück oder dient zum Transport (Suspensionsstrahl) oder zur Beschleunigung von Abrasivpartikeln (Injektorstrahl), die am Werkstück eine wesentlich größere Wirkung erzielen (Bild 5.67). Beim Wasserabrasivstrahl werden zwei Verfahrensarten eingesetzt, die sich in der Art der Zumischung des Abrasivmittels unterscheiden. Wasserstrahl

Wasserabrasivstrahl Injektorslrahl

[ 1=

Hochdruckrohr Wasserdüse

Suspenslonsatrahl Abraslvstoff druckbehäller

Abraslv

- - Wasserstrahl Mischkammer Fokussierrohr

Bild 5.67: Erzeugung von Wasser- und Wasserabrasivstrahlen

Suspensionsdüse

140

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Beim Wasserabrasivsuspensionsstrahl (WASS) wird das Abrasivmittel direkt auf der Hochdruckseite im Abrasivstoffdruckbehälter beigemengt und mit dem Wasser an der Düse beschleunigt. Aufgrund verfahrenstechnischer Probleme fmdet diese Variante aber bislang kaum industrielle Anwendung. Beim Wasserabrasivinjektorstrahl (WAlS) wird das Abrasivmittel durch Unterdruck angesaugt und mit dem Wasserstrahl durch Impulsübertragung beschleunigt. Es hat sich als wirkungsvolles Werkzeug im industriellen Umfeld etabliert, wobei es hauptsächlich zum Schneiden von Plattenmaterial eingesetzt wird. Als Strahlmedium wird im Allgemeinen enthärtetes Wasser eingesetzt, es ist nicht nur kostengünstig und chemisch neutral, sondern verfügt auch über vorteilhafte Strömungseigenschaften. Prinzipiell kann jedoch, je nach Anforderung an die Bearbeitung, jede druckstabile Flüssigkeit eingesetzt werden. Als Abrasivmittel kommen hauptsächlich mineralische Stoffe wie Quarzsand, Granat und Korund zum Einsatz. Diese sind sehr hart und verfügen durch ihre Kristallstruktur über eine große Anzahl von Schneiden. Die zum Wasserstrahlschneiden erforderlichen hohen Drücke Ge nach Werkstoff bis zu 4000 bar) werden überwiegend mit Druckübersetzerpumpen erzeugt. Die Wirkungsweise von Hochdruckwasserstrahl-Schneidanlagen geht aus Bild 5.68 hervor. In einem offenen Ölkreislauf wird durch eine Kolbenpumpe abwechselnd, durch ein VierWege-Ventil gesteuert, Drucköl den beiden Seiten eines Stufenkolbens zugeführt. Je nach Verhältnis der Flächen des Stufenkolbens im Druckübersetzer wird dort das drucklos angesaugte Wasser auf den eingestellten Arbeitsdruck verdichtet. Die von der diskontinuierlichen Kolbenbewegung hervorgerufenen Druckschwankungen in der Hochdruckleitung werden in einem Druckspeicher geglättet. Die im Wasser gespeicherte Druckenergie wird im Schneidkopf in kinetische Energie umgewandelt. Dieser setzt sich aus einem pneumatisch geschalteten Hochdruckventil und einer Wasserdüse aus Saphir bzw. Diamant mit Düsendurchmessern zwischen 80 und 350 um zusammen. In dieser wird der Wasserstrahl entspannt, und erfährt hierbei eine Beschleunigung auffast 3-fache Schallgeschwindigkeit.

Druckübersetzer (nach Flow Systems, Kent)

Hochdruckleitung

Ölbad

Bild 5.68: Funktionsschema einer HochdruckwasserstraW-Schneidanlage [SCHL86]

5.3 Trennen

141

Beim Wasserabrasivstrahl kommt zusätzlich noch eine Mischkammer mit Fokussierrohr hinzu. Hier wird das Abrasivmittel durch den Venturi-Effekt des Wasserstrahls angesaugt und per Impulsübertragung im Hartmetallfokussierrohr beschleunigt. Im Fokussierrohr erfolgt auch die erneute Ausrichtung und Bündelung des Strahls. Der Strahldurchmesser beim Wasserabrasivinjektorstrahl wird somit durch den Fokussierdurchmesser (0,5-1,5 mm) bestimmt. Die verfahrensspezifischen Eigenschaften der Wasserstrahltechnologie ergeben für die Bearbeitung von technischen Materialien eine Reihe von Vorteilen. Bei der Bearbeitung treten weder thermische noch mechanische Belastungen auf, wodurch nahezu alle Werkstoffe bearbeitet werden können. Als Folge des "kalten" Prozesses entstehen weder Gefügeveränderungen oder Entmischungen im Werkstoff noch chemische Reaktionsprodukte wie Gase, Dämpfe oder Stäube. Die geringen Reaktionskräfte sowie der in alle Richtungen scharfe Strahl lassen die Bearbeitung labiler und filigraner Strukturen zu. Bedingt durch die einfache Strahlführung ist eine Ankoppelung an bestehende CAD/CAM-Systeme problemlos realisierbar. Die Integrationsfähigkeit der Technologie in sämtliche Führungssysteme ermöglicht eine flexible Strahlführung und die Bearbeitung dreidimensionaler Werkstücke. Die Hochdruckwasserstrahltechnik setzt die natürlichen Betriebsstoffe Wasser und Sand ein und ist bei geringem Werkzeugverschleiß ein universell einsetzbares Werkzeug.

5.3.4

Abtragen

Abtragen ist Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen von einem festen Körper aufnichtmechanischem Wege. Das Abtragen bezieht sich sowohl auf das Entfernen von WerkstoffSchichten, als auch auf das Abtrennen von Werkstückteilen [DIN 8590]. Das Abtragen wird nach dem Vorgang in der Wirkzone in die drei Untergruppen thermisches, chemisches und elektrochemisches Abtragen unterteilt.

5.3.4.1 Thermisches Abtragen Thermisches Abtragen ist Abtrennen von Werkstoffteilchen in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Wärmevorgänge sowie Entfernen dieser Teilchen durch mechanische und! oder elektromagnetische Kräfte [DIN 8590]. In diesem Abschnitt werden die Verfahren funkenerosives Abtragen und Abtragen mit Elektronen- und Laserstrahl behandelt.

Funkenerosives Abtragen Das Prinzip des funkenerosiven Abtragens beruht auf der erodierenden Wirkung periodischer, räumlich und zeitlich getrennter, elektrischer Entladungsvorgänge zwischen zwei Elektroden in einer dielektrischen Flüssigkeit. Die Funktionsweise des Verfahrens ist in Bild 5.69 dargestellt. In einem Behälter mit einer elektrisch nicht leitenden (dielektrischen) Flüssigkeit werden ein Werkzeug und ein Werkstück einander soweit angenähert, bis durch die angelegte Spannung die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums erreicht und eine Entladung ausgelöst wird. Die Entladung kann in drei Phasen unterteilt werden, in: •

eine Zündphase, während der eine Ionisation der Entladestrecke erfolgt,

142

•

•

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

eine Phase, bei der ein Plasmakanal gebildet wird und die Umsetzung der elektrischen in thermische Energie erfolgt, die zum Schmelzen und Verdampfen des Werkstückwerkstoffes führt und eine Abschaltphase, die zum Zusammenbruch des Plasmakanals und zum Herausschleudern des Werkstoffes führt.

Regeleinrichtung

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c: ::;, c: c:

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A.A.A.

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Erosionsgenerator

Ut~

.(

Bild 5.69: Aufbau einer Anlage zur funkenerosiven Bearbeitung (funkenerosives Senken)

Die Impulsfrequenz der einzelnen, über die gesamte Bearbeitungsfläche verteilten Einzelentladungen liegt in einem Bereich zwischen 0,2 und 500 kHz, bei einer Arbeitsspannung zwischen 60 und 300 V und einem Arbeitsstrom bis 400 A. Der Arbeitsspalt beträgt 0,005 bis 0,5 mm und wird durch einen Werkzeugvorschub geregelt. Das abgetragene Material wird durch das Dielektrikum aus dem Arbeitsspalt herausgespült. Die spezifischen Abtragsleistungen sind von den Bearbeitungspararnetern abhängig und liegen zwischen 5 und 15 mm 3/Amin [SPU98b].

Beimfunkenerosiven Senken können nahezu beliebige Werkzeugkonturen im Werkstück abgebildet und profilierte Durchbrüche erzeugt werden. Je nach Polarität (Werkstück wird meist als Anode geschaltet) und Werkstoffpaarung wird die Werkzeugelektrode unterschiedlich stark abgetragen. Mit Rücksicht auf diesen Verschleiß werden die Werkzeugelektroden aus leicht bearbeitbaren Werkstoffen wie Graphit oder Elektrolytkupfer gefertigt. Graphitelektroden werden z. B. durch Kopierfräsen, Kupferelektroden elektrolytisch durch Galvanoformung hergestellt. Das funkenerosive Senken fmdet seine Hauptanwendung im Formenbau zur Herstellung von Druckgießformen, Gesenken, Spritzgießformen für Kunststoffteile usw. Besonders vorteilhaft ist hier die Tatsache, dass harte (gehärtete) Werkstoffe bearbeitet werden können. In der Randschicht des Werkstückes nimmt, bedingt durch die Wärmevorgänge, die Härte noch zu. Dabei können jedoch Mikrorisse entstehen. Die Oberflächenrauhigkeit kann in weiten Grenzen ge-

5.3 Trennen

143

steuert werden. Wird dem Erodierwerkzeug neben der vertikalen Vorschubbewegung zusätzlich eine horizontale Bewegung überlagert oder wird das Werkzeug in eine Drehbewegung versetzt, kann das Verfahren zumfunkenerosiven Schleifen oder Polieren eingesetzt werden. Beim funkenerosiven Schneiden wird als Werkzeug eine vertikal ablaufende Drahtelektrode (Durchmesser zwischen 0,02 und 0,25 mm) eingesetzt. Die Drahtelektrode wird vom Dielektrikum umspült. Der Drahtverschleiß spielt keine Rolle, da er durch Abwickeln von einer Rolle ständig erneuert wird. Das Werkstück wird zur Erzeugung einer beliebigen Schnittlinie (in der zum Draht senkrechten Ebene) mit einer Bahnsteuerung bewegt. Moderne Anlagen erlauben eine Schrägstellung des Drahtes zur Erzielung schräger Schnitte. Das Verfahren findet z. B. bei der Herstellung von Schneidplatten zum Geschlossenschneiden Anwendung.

5.3.4.2

Abtragen mit Laserstrahlen

Das für die Fertigung wichtigste Verfahren ist das Laserstrahlschneiden. Der entscheidende Vorteil des Laserschneidens ist dessen Flexibilität, da die Form nicht über das Werkzeug, sondern über die Führung des StrahIs abgebildet wird. Mit einem Laserstrahl können die verschiedensten Werkstoffe wie Metalle (Stahl, Aluminium, Titan), sowie organische (Textilien) und anorganische Werkstoffe (Keramik) wirtschaftlich geschnitten werden. Die Materialdicken betragen z. B. bei Baustahl bis zu 25 mm [HUE09]. Das aufgeschmolzene Metall wird beim Schmelzschneiden durch ein Inertgas (Schutzgas) lediglich ausgetrieben (Bild 5.70). Beim Brennschneiden hingegen wird das Aufschmelzen durch die Verwendung von Sauerstoff als Schneidgas unterstützt, da dieser durch eine exotherme Reaktion zusätzlich Wärme freisetzt [HUE09].

Gas

1 ! Vorschub

......-

Bild 5.70: Schneiden mit dem Laserstrahl [HUE09] Der Laserstrahl kann auch zur Herstellung von Bohrungen mit kleinsten Durchmessern in harten Werkstoffen eingesetzt werden, z. B. beim Bohren von Diamantziehsteinen oder in der Mikrobearbeitung. Bild 5.71 zeigt schematisch den Aufbau einer LaserstrahlBearbeitungsanlage mit einem COrLaser. Das aktive Gas dieses Lasers wird mit einer Pumpe umgewälzt und in einem Wärmetauseher gekühlt.

144

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Hochspannungserzeuger

Laser

.-----.,;:~-----.

I

Prozesskontrolle

Strahlformung

D

Schutzgas

I Werkstück I

y

Bild 5.71: Laserstrahl-Bearbeitungsanlage [nach W. König, RWTH Aachen]

5.3.4.3

Abtragen mit Elektronenstrahlen

Als Strahlerzeuger werden in Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlagen (Bild 5.72) meist DreiElektroden-Systeme eingesetzt. Die Elektronen werden von einer Glühkathode emittiert, von einer gegenüber der Kathode negativ vorgespannten Steuerelektrode vorfokussiert und zu einer durchbohrten Anode beschleunigt. Die Beschleunigungsspannung beträgt 25 bis 150 kV. Die Elektronen gelangen zum Werkstück, wo sie ihre hohe kinetische Energie abgeben. Die Strahlleistungsdichte und der kleinste Fokusdurchmesser sind mit den Werten der Laserstrahlanlagen vergleichbar. Da Elektronen, verglichen mit Photonen, eine Masse (m, = 9,108· 10-31 kg) und eine elektrische Ladung (e = 1,602· 10-19 As) besitzen, ergibt sich ein zu Laserstrahlen unterschiedliches Verhalten hinsichtlich Energietransport und Wirkung an der Werkstückoberfläche. Um eine vorzeitige Energieabgabe durch Zusammenstöße der Elektronen mit Gasmolekülen zu verhindern, müssen die Elektronenstrahl-BearbeitungsanIagen evakuiert werden. Das Fokussieren erfolgt mithilfe von Magnetfeldern, die von Strom durchflossenen Spulen, sog. Magnetlinsen erzeugt werden. Elektronenstrahlen dringen wesentlich tiefer in das Werkstück ein als Laserstrahlen. Sie geben ihre Energie durch Kollisionen mit den Hüllenelektronen ab. Verglichen mit Laserstrahlanlagen sind Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlagen aufwendiger und eignen sich durch die Begrenzung des Arbeitsraumes auf die Strahlkammer nur für spezielle Anwendungen, wo die Vorteile der Tiefenwirkung, der hohen Impulsfrequenz und der Möglichkeit der schnellen Strahlablenkung durch gezielte Steuerung der Magnetfelder zur Geltung kommen. Dies ist beim Bohren der Fall, wo sehr viele Bohrungen mit kleinen Durchmessern (Bohrungsdurchmesser mit wenigen um sind möglich) pro Zeiteinheit hergestellt

5.3 Trennen

145

werden können, ohne dass eine Bewegung des Werkstückes erforderlich ist (max. Perforationsraten bei dünnen Folien und kleinen Bohrungsdurchmessern betragen 10 000 Bohrungen/s). Typische Arbeitsbeispiele sind Brennkammerköpfe für Flugzeugtriebwerke (schwer bearbeitbare Koba1t1egierung, mehrere tausend Bohrungen) oder Spinnköpfe für die Glasfaserherstellung, in deren 5 mm dicke Wandungen 6000 Bohrungen mit 0,8 mm Durchmesser in nur 40 min gebohrt werden [SPU98b]. Nachteilig wirkt sich bei den Anlagen die Entstehung von Röntgenstrahlen (über 80 kV Beschleunigungsspannung) aus, die abgeschirmt werden müssen.

""?

Anode

Justiersysteme

Stigmator Ablenksteuerung l---=!:::;::::!:..:r--j-Tischantrieb Bild 5.72: Schema einer Elektronenstrahlanlage [SPU98b]

5.3.4.4

Chemisches Abtragen

Chemisches Abtragen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem die Werkstoffteilchen dadurch abgetrennt werden, dass sich der Werkstoff des Werkstückes in einer chemischen Reaktion mit dem Wirkmedium zu einer Verbindung umsetzt, die flüchtig ist oder sich leicht entfernen lässt. Mindestens eine der Komponenten (Werkstück oder Wirkmedium) ist elektrisch nicht leitend. Die chemische Umsetzung erfolgt ausschließlich durch direkte Reaktion [DIN 8590]. Die Verfahren des chemischen Abtragens sind das Ätzabtragen (z. B. Ätzen von Leiterplatten mit einer Säure oder Lauge, Bild 5.73), das thermisch-chemische Entgraten (die Grate werden in einer Kammer durch die Wärme einer Knallgasexplosion abgebrannt) und das chemisch-thermische Abtragen (Brennschneiden mit Sauerstoffiiberschuss). Im Folgenden werden die Verfahren des nasschemischen Ätzens und des Trockenätzens am Beispiel der Leiterplattenherstellung vorgestellt. Hierbei hat das Ätzen die Aufgabe einer Strukturübertragung der lithographisch erzeugten Maskenmuster auf die Siliciumscheibe. In der heutigen Halbleiterfertigung wird hierzu hauptsächlich das nassehemisehe Ä·tzen eingesetzt, wobei TrockenätzverJahren mit gasförmigen Medien sich trotz höherer Anlagekosten immer stärker durchsetzen.

146

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Das nasschemische Verfahren dient zur Überführung von abzutragendem Material von einer Siliciumscheibe in eine flüssige Verbindung unter Anwendung unterschiedlicher chemischer Lösungen. Der nasschemische Ätzprozess läuft meist nach den folgenden drei Schritten ab. Zuerst wird eine nasschemische, u. U. mehrstufige Behandlung der Siliciumscheiben in einem oder in mehreren Becken bei kompletter Bedeckung der Siliciumscheiben durch eine Ätzlösung durchgeführt. Zur Beendigung des Ätzprozesses werden die Siliciumscheiben aus dem Ätzbecken entnommen und in einem Überlaufbecken in Reinstwasser gespült. Das Spülen umfasst meist zwei Durchgänge mit 5 bis 10 Minuten Spülzeit bei einem Wasserdurchsatz von 10 bis 20 l/min. Für den abschließenden Trocknungsprozess werden Zentrifugen verwendet. Zur Unterstützung des Trocknungsprozesses kann Stickstoff oder Raumluft in die Zentrifuge eingeblasen werden.

Photolack Abdecken mit Photolack

Ätzen

Entfernen des Photolacks

Bild 5.73: Ätzen von Leiterplatten

Das nasschemische Verfahren wird aber zukünftig durch das Trockenätzverfahren abgelöst werden (Bild 5.74). Dieses ist im Vergleich zum nasschemischen Ätzen besser in der Lage, die immer kleiner werdenden Maskenstrukturen exakter auf eine Siliciumscheibe zu übertragen. Das Trockenätzverfahren nutzt Niederdruckplasmen im Unterdruckbereich von 1 Pa bis 100 Pa, die mit einem hochfrequenten Wechselfeld (typ. 13,56 MHz) erzeugt werden. Abhängig von den verwendeten Gasen laufen zwei unterschiedliche Prozesse ab.

---r I I I I

HF-Generato Anpassungsnetzwerk

Thermostat Durchflussregler Gasversor un Bild 5.74: Komponenten eines Parallelplattenreaktors zum Trockenätzen

147

5.4 Fügen

Bei Verwendung von reaktiven Gasen findet ein chemischer Materialabtrag in den nicht maskierten Bereichen der Siliciumscheibe statt. Im Gegensatz hierzu wird beim Einsatz von inerten Gasen der Materialabtrag nur aufgrund des Herausschlagens von Atomen bzw. Molekülen aus der zu ätzenden Scheibenschicht verursacht (Bild 5.75). Bei diesem Ätzprozess werden als Gase hauptsächlich Fluor- und Chlorverbindungen eingesetzt.

5.3.4.5

11

Fotolacke 1

1

Fotolacke

I

I

SiO?

Si02

Si

Bild 5.75: Schichtstruktur bei einer Trockenätzung

Elektrochemisches Abtragen

Elektrochemisches Abtragen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem metallischer Werkstoff unter Einwirkung eines elektrischen Stromes und einer Elektrolytlösung anodisch aufgelöst wird. Der Stromfluss kann entweder durch Anschluss an eine äußere Stromquelle oder aufgrund von Lokalelementbildung am Werkstück (Ätzen) bewirkt werden [DIN 8590]. Zu dieser Untergruppe gehören die Verfahren elektrochemisches Formabtragen, elektrochemisches Oberflächenabtragen und elektrochemisches .,ftzen. Beim elektrochemischen Formabtragen (EC-Senken) wird ein kathodisch gepoltes Bearbeitungswerkzeug mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit in das anodisch gepolte Werkstück eingesenkt. Durch den Arbeitsspalt zwischen Werkzeug und Werkstück wird eine Elektrolytlösung (z. B. NaCI, NaN0 3) mit einem Druck von bis zu 20 bar durchgepresst. Sie führt dabei die Abtragprodukte ab. Das Werkzeug arbeitet verschleißfrei. Als Werkzeugwerkstoffe werden vorzugsweise Kupfer, Messing, rostfreier Stahl und Titanlegierungen eingesetzt. Das Verfahren wird bei der Herstellung profilierter Durchbrüche und Bohrungen mit großem lid-Verhältnis angewendet. Die Arbeitsspannung beträgt 5-30 V, die Stromdichte 0,5-5 A1mm2 und die spezifische Abtragleistung 1-2,5 mm 3/Amin.

5.4

Fügen

Fügen ist das auf Dauer angelegte Verbinden oder sonstige Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter Form, oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird jeweils der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt [DIN 8593]. Eine durch Fügen hergestellte Verbindung kann lösbar oder unlösbar sein. Lösbare Verbindungen lassen sich ohne Beschädigung der gefügten Teile wieder trennen, bei unlösbaren Verbindungen muss eine Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile in Kauf genommen werden. Die Unterteilung der Fertigungsverfahren der Hauptgruppe Fügen erfolgt nach Art des Zusammenhalts unter Berücksichtigung der Art der Erzeugung (Bild 5.76) [DIN 8593].

148

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

.. . . -

Bild 5.76: Einteilung der Hauptgruppe Fügen [DlN 8593]

Fügen ist nicht mit Montieren gleichzusetzen. Montieren wird zwar stets unter Anwendung von Fügeverfahren durchgeführt, es schließt jedoch zusätzlich auch alle Handhabungs- und Hilfsvorgänge einschließlich des Messens und Prüfens mit ein. Spannen (Einspannen) zum Zwecke des Bearbeitens oder Vermessens eines Werkstückes ist nicht Fügen im Sinne eines Fertigungsverfahrens.

5.4.1

Schweißen

Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft mit oder ohne Schweißzusatz. Es kann durch Schweißhilfsstoffe, z. B. Schutzgase, Schweißpulver oder Pasten ermöglicht oder erleichtert werden. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt [DIN 1910]. Die Einteilung der Schweißverfahren erfolgt nach Art des von außen auf das Werkstück einwirkenden Energieträgers (Schweißen durch festen Körper, Flüssigkeit, Gas, elektrische Gasentladung, Strahl, Bewegung oder elektrischen Strom), der Art des Grundwerkstoffes (Schweißen von Metallen oder Kunststoffen), dem Zweck des Schweißens (Verbindungsschweißen, Auftragsschweißen), dem physikalischen Ablauf des Schweißens (Pressschweißen, Schmelzschweißen) und der Art der Fertigung (Handschweißen, teil- und vollmechanisches Schweißen, automatisches Schweißen) . Bei der Konstruktion und Herstellung von geschweißten Bauteilen steht die Schweißbarkeit im Vordergrund. Die Schweißbarkeit eines Bauteils aus metallischem Werkstoff ist vorhanden, wenn der Stoffschluss durch Schweißen mit einem gegebenen Schweißverfahren bei Beachtung eines geeigneten Fertigungsablaufes erreicht werden kann. Dabei müssen die Schweißun-

5.4 Fügen

149

gen hinsichtlich ihrer örtlichen Eigenschaften und ihres Einflusses auf die Konstruktion, deren Teil sie sind, die gestellten Anforderungen erfüllen. Die Schweißbarkeit hängt von den drei Einflussgrößen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung ab [DlN EN lüll]. Zwischen den Einflussgrößen und der Schweißbarkeit eines Bauteils stehen die Eigenschaften (Bild 5.77) • • •

Schweißeignung des Werkstoffes, Schweißsicherheit der Konstruktion und Schweißmöglichkeit in der Fertigung.

Jede dieser Eigenschaften hängt wiederum von Werkstoff, Konstruktion und Fertigung ab [SPU98a] . Die Schweißeignung eines Werkstoffes wird wesentlich beeinflusst durch seine chemische Zusammensetzung sowie (vor allem bei Eisenwerkstoffen) durch die Erschmelzungs- und Vergießungsart.

Schweißeignung

Schweißmöglichkeil

Schweißsicherheil

Bild 5.77: Darstellung der Schweißbarkeit [KLEOl]

Baustähle nach DIN EN 10025 weisen eine gute Schweißeignung auf (z. B. S275JR). Eingeschränkt schweißbar ist z. B. S235JR. Besondere Maßnahmen wie Vorwärmung und Nachbehandlung müssen bei den Stählen E295 und E335 getroffen werden. E360 ist kaum schweißbar . Niedrig legierte Stähle sind gut schweißbar, wenn ihr Kohlenstoffgehalt unter 0,22 % und ihr Phosphor- und Schwefelgehalt unter 0,06 % liegt. Die Schweißbarkeit wird durch Legierungselemente wie Chrom, Mangan und Nickel erschwert. Bei den hochlegierten Stählen sind austenitische Stähle besser schweißbar als ferritische Stähle. Vorwärmen und Spannungsarmglühen sind erforderlich. Unter Einhaltung bestimmter Bedingungen lassen sich bei GJL Reparaturschweißungen, bei GJS und GJMW außerdem auch Festigkeitsschweißungen durchführen. GJMB ist nicht schweißbar. Nachteilig für die Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen wirkt sich die Oxidschicht (Ah03) mit ihrem hohen Schmelzpunkt (2050 "C) aus. Aluminiumlegierungen wie AlMg 3, AlMg s, AlMgMn, AlMg 3Si usw. sind gut schweißbar. Kupfer und Kupferlegierungen sind

150

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

ebenfalls gut schweißbar. Probleme können durch die gute Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und sich daraus ergebende Dehnungen und Schrumpfungen entstehen. Bei Messing nimmt die Schweißbarkeit mit zunehmendem Zinkgehalt ab [MEIN89]. Die Schweißsicherheit erfordert bei der Konstruktion der Bauteile die Beachtung verschiedener Gestaltungsrichtlinien. Die wichtigsten betreffen: •

• • •

die Nahtanordnung und den Kraftfluss (z. B. Nahtkreuzungen und -anhäufungen vermeiden, wenige und dünne Nähte verwenden, die Naht nicht in hoch beanspruchte Bereiche legen), die Werkstoffeigenschaften (Änderungen des Gefüges und der Werkstoffeigenschaften wie Grobkornbildung und Aufkohlen beachten), mechanische, thermische und korrosive Beanspruchungen sowie die Verformungs- und Eigenspannungszustände (Behinderung der Ausdehnung bzw. Schrumpfung).

Die Schweißmäglichkeit ist dann gegeben, wenn die an einer Konstruktion aus gegebenem Werkstoff vorgesehenen Schweißverbindungen unter den gegebenen Fertigungsbedingungen fachgerecht ausgeführt werden können. Die Schweißmöglichkeit wird u. a. durch die Faktoren Nahtvorbereitung, Schweißposition, Zugänglichkeit, Schweißtechnologie und Wärmevor- bzw. -nachbehandlung beeinflusst. Alle Angaben, die zur Herstellung eines geschweißten Bauteils erforderlich sind, können einem Schweißfolgeplan entnommen werden. Dieser stellt die örtliche und zeitliche Reihenfolge des Schweißens von Bauteilen und Baugruppen dar. Der Schweißfolgeplan enthält Angaben über Grundwerkstoff, Abmessungen und Gewicht, Nahtart und -vorbereitung, Schweißverfahren, Schweißzusatzwerkstoff, Prüfgruppe des Schweißers, Reihenfolge des Zusammenbaus, Schweißfolge und -richtung, Schweißposition, Schweißvorrichtung und Schweißnahtprüfung. Um eine möglichst hohe Qualität der Schweißnaht zu erzielen, ist in vielen Fällen eine Schweißnahtvorbereitung erforderlich. Sie beinhaltet neben der Entfernung von Rost, Zunder und Schmutz im wesentlichen die Herstellung einer geeigneten Fugenform [DIN 8552]. Eine Nachbearbeitung der Schweißnaht durch Abschleifen der Nahtüberhöhung und der Einbrandkerben oder eine Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen) führt zum Aufbau günstigerer Eigenspannungszustände.

5.4.1.1

Pressschweißen

Pressschweißen ist Schweißen unter Anwendung von Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Durch örtlich begrenztes Erwärmen (u. U. bis zum Schmelzen) wird das Schweißen ermöglicht oder erleichtert [DIN 1910]. Wichtige Pressschweißverfahren sind Widerstands-, Lichtbogenund Gaspressschweißen sowie Reibschweißen, Ultraschallschweißen und Kaltpressschweißen.

Widerstandspressschweißen Die zum Schweißen erforderliche Wärme wird durch Stromfluss über den elektrischen Widerstand der Schweißzone erzeugt (Widerstandswärme, Joulesehe Wärme). Die Verfahren können nach Art der Stromübertragung (konduktiv über Elektroden oder induktiv durch Induktoren), nach Art des Stromes (Gleich- oder Wechselstrom) und nach dem zeitlichen Verlauf von Strom und Kraft eingeteilt werden [DIN 1910 Teil S]. Zum Widerstandspressschweißen gehören u. a.

5.4 Fügen

151

das Punkt-, Rollennaht-, Stumpf- und Buckelschweißen sowie das induktive Widerstandspressschweißen. Das wichtigste Verfahren stellt das Punktschweißen dar. Je nach Art der Stromzufuhr werden das einseitige Punktschweißen (Stromzufuhr durch zwei nebeneinander stehende Elektroden) und das zweiseitige Punktschweißen (Stromzufuhr durch zwei gegeneinander stehende Elektroden von beiden Werkstückseiten, Bild 5.78) unterschieden. Die Stromzufuhr kann mit einem oder mehreren Impulsen erfolgen. Der Schweißstrom und die Kraft werden mit wassergekühlten Elektroden auf einer kleinen, meist runden Berührungsfläche auf das Werkstück übertragen. Nach Aufbringen der Elektrodenkraft wird der Schweißstrom eingeschaltet. Das Werkstück erwärmt sich aufgrund des Kontakt- und Stoffwiderstandes an der Berührungsstelle der zu verbindenden Teile auf Schmelztemperatur. Es entsteht eine linsenförmige Verbindung, die als Schweißpunkt bezeichnet wird. Nach der Schweißung wird zuerst der Schweißstrom abgeschaltet und dann, nach dem Erstarren des Schweißpunktes, die Elektrodenkraft aufgehoben. Um die Energieverluste und die Wärmeeinflusszone im Werkstück gering zu halten, wird mit hohen Strömen (bis zu 100 kA, bei Spannungen im Sekundärkreis von bis zu 20 V) und möglichst kurzen Schweißzeiten gearbeitet. Diese liegen in der Regel bei einigen Zehntel Sekunden [SPU98a]. An Punktschweißelektroden werden hohe Anforderungen hinsichtlich guter elektrischer Leitfähigkeit, Festigkeit, geringer Legierungsneigung zum Werkstückwerkstoff usw. gestellt. Diese Anforderungen werden am besten von Kupferwerkstoffen erfüllt.

8toffwiderstände

-;:::7' Elektrode

Das Punktschweißen ist prinzipiell bei allen Werkstoffen anwendbar, die sich beim Stromdurchgang erwärmen. Gut schweißbar sind niedriglegierte Stähle mit weniger als Bild 5.78: Zweiseitiges Punkt0,12 % C wie z. B. Tiefziehbleche. Verzinkte Stahlbleche schweißen führen zur Legierungsbildung an den Elektroden und erfordern häufiges Nacharbeiten. Mit Einschränkungen lassen sich auch Aluminium- und Kupferlegierungen schweißen. Die schweißbaren Dicken (Gesamtdicken) betragen bei Stahl bis zu 20 mm und bei Buntmetallen bis zu 5 mm. Aufgrund der guten Automatisierbarkeit und der hohen Flexibilität hat das Punktschweißen einen wichtigen Platz in der modemen Fertigung, hauptsächlich in der Fahrzeugindustrie gefunden. Hier werden Karosserien mit Vielpunktschweißmaschinen und Industrierobotern geschweißt. Beim Rollennahtschweißen werden anstelle von Punktelektroden Rollenelektroden verwendet, die durch schnell aufeinander folgende Stromimpulse viele Schweißpunkte setzen. Bei sich überlappenden Schweißpunkten entsteht eine Dichtnaht, bei größeren Punktabständen eine sog. Rollenpunktnaht. Rollennaht-Dichtschweißen findet z. B. im Behälterbau sowie beim Schweißen von Heizungsradiatoren und Zargen für Fässer Anwendung. Beim Stumpfschweißen werden die Verfahren Pressstumpfschweißen und Abbrennstumpf schweißen unterschieden. Pressstumpfschweißen erfordert saubere, parallel ausgerichtete Werkstückteile, damit eine gleichmäßige Stromverteilung erzielt werden kann. Die Werkstückteile werden mit einem hohen Druck zusammengepresst. Anschließend wird der Strom eingeschaltet, die Teile erwärmen sich und verschweißen unter Bildung eines starken Wulstes. Beim

152

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Erreichen eines bestimmten Stauchwegs wird der Strom abgeschaltet. Der Wulst muss abgearbeitet werden. Das Verfahren wird bei Vollprofilen mit verhältnismäßig kleinen Querschnittsflächen angewendet, wie z. B. beim Verschweißen von Kettengliedern. Beim Abbrennstumpfschweißen werden die unebenen Stoßflächen der zu verbindenden Teile mit geringem Druck zusammengepresst. Nach Einschalten des Schweißstromes erfolgt an den einzelnen Kontaktstellen durch die hohe Stromdichte ein starkes Erhitzen und schnelles Schmelzen des Werkstoffes. Die Kontaktbrücken zerplatzen explosionsartig und werden aus der Stoßfuge herausgeschleudert, wodurch zusammen mit dem Vorschub zahlreiche neue Kontaktstellen entstehen, bis die gesamte Stoßfläche aufgeschmolzen ist. Danach werden die Werkstücke unter hohem Druck zusammengepresst. Es bildet sich ein scharfkantiger Grat. Das Abbrennstumpfschweißen ist geeignet für kleine und große Querschnittsflächen. Anwendungsbeispiele sind das Verschweißen von Pipelinerohren, Leichtmetallprofilen bei der Türen- und Fensterherstellung, Kettengliedern und Großkurbelwellen aus mehreren Schmiedeteilen. Beim Buckelschweißen wird der Strom über großflächige Elektroden auf die zu verschweißenden Werkstücke übertragen. Die Werkstücke berühren sich an eingeprägten Buckeln, wo die Erwärmung und Verschweißung erfolgt. Dabei werden die Buckel teilweise oder ganz eingeebnet. Das Verfahren eignet sich für große Stückzahlen und wird z. B. zum Schweißen von Schweißmuttem und Verstärkungsblechen eingesetzt. Das induktive Widerstandsschweißen wird als Längsnahtschweißverfahren bei der Herstellung von Rohren verwendet. Der Strom für die Widerstandserwärmung wird im Werkstück induziert, wobei der stab- oder ringförmige Induktor das Werkstück nicht berührt und deshalb verschleißfrei arbeitet. Die Kraft wird mit Druckrollen übertragen (Bild 5.79).

Lichtbogen- und Gaspressschweißen

Druckrollen

A.L

Schweiß- Schnitt,A-B: , ;:; druckstelle

1 /:i~_

SChlilzrohr

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Heizinduktor

Beim Lichtbogenpressschweißen wird die Wärme Bild 5.79: InduktivesWiderstandspressdurch einen Lichtbogen erzeugt, der kurzzeitig schweißen zwischen den Stoßflächen der Teile brennt und diese anschmilzt. Beim Verschweißen von dünnwandigen Rohren, Hohlwellen und Profilen wird der Lichtbogen unter Schutzgas durch Magnetfelder bewegt. Dabei kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit erzielt werden. Eine Variante des Lichtbogenpressschweißens ist das Bolzenschweißen. Das Verfahren dient zum Aufschweißen von bolzen- oder stiftförmigen Teilen mit bis zu 25 mm Durchmesser. Beim Gaspressschweißen werden die Werkstücke an den Stoßflächen mit oder ohne Stoßflächenabstand durch Brenngas-Sauerstoff-Flammen erwärmt und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Unterschieden werden zwei Verfahren, das offene (Bild 5.80) und das geschlossene Gaspressschweißen. Die Stauchkräfte werden mit handbedienten mechanischen Einrichtungen oder maschinell in Pressen erzeugt. Die Vorteile sind die geringe Investition, die Mobilität und die sehr gute Qualität der Schweißungen. Das Verfahren wird z. B. im Stahlbetonbau, beim Verschweißen von Fahroberleitungen und Eisenbahnschienen eingesetzt.

5.4 Fügen

153

Reibschweißen

Schweiß-

brenner Die beim Reibschweißen benötigte Wärme wird durch Relativbewegung gegeneinander gepresster Werkstücke erzeugt. In den meisten Fällen wird dazu das eine Teil in Rotation versetzt, während das andere in einer axial verschiebbaren Vorrichtung fest eingespannt ist und gegen das rotierende Teil gepresst wird. Beim Erreichen der zum Schweißen erforderlichen Temperatur (örtlich kann Schmelztemperatur auftreten) und Plastizität, wird das rotierende Teil abgebremst und gleichzeitig der Anpressdruck erhöht (Bild 5.81). In dieser Stauchphase erfolgt die Verbindung. Dabei bildet sich ein Bild 5.80: Offenes Gaspressschweißen Wulst, der anschließend abgedreht wird.

-

,, rotierender Fügepartner

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, i - - - ' slillstehendes

rotierendes Spannwerkzeug

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Spannwerkzeug

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Bremse

Bild 5.81: Prinzip des Reibschweißens [SPU98a]

Das kombinierte Reibschweißen (Hybrid-Reibschweißen) hat die weiteste Verbreitung gefunden. Bei diesem Verfahren können die wichtigsten Schweißparameter wie Drehzahl, flächenbezogene Reibkraft, Reibzeit, Brems- und Stauchzeitpunkt sowie die flächenbezogene Stauchkraft und Stauchzeit frei gewählt werden. Die Maschinen sind mit CNC-Steuerungen ausgerüstet. Der Schweißvorgang und die Handhabung der Werkstücke können voll automatisiert werden. Schweißbar sind legierte und unlegierte Stähle, Grauguss, Sinterwerkstoffe, NE-Metalle und thermoplastische Kunststoffe. Die Vorteile liegen in der hervorragenden Schweißqualität und in der Möglichkeit, unterschiedliche Werkstoffe, die sonst mit kaum einem anderen Verfahren schweißbar sind, miteinander zu verschweißen, wie z. B. Stahl mit Aluminium und Stahl mit Kupfer [GRU83, NEUM91]. Zum Reibschweißen sind alle rohr-, stab- und scheibenförmigen

154

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Werkstücke geeignet. Es wird in der Automobilindustrie z. B. zum Verschweißen von Achs-, Gelenk- und Antriebswellen sowie Kolbenstangen eingesetzt.

Ultraschallschweißen Die Werkstücke werden an den Stoßflächen durch Einwirkung von Ultraschall ohne oder mit gleichzeitiger Wärmezufuhr unter Anwendung von Kraft vorzugsweise ohne Schweißzusatz geschweißt. Schwingungsrichtung des Ultraschalls und Kraftrichtung verlaufen senkrecht zueinander, wobei die Stoßflächen der Werkstücke aufeinander reiben. Die Kraft wird i. Allg. über das schwingende Werkzeug aufgebracht (Bild 5.82). Je nach Ausbildung des Werkzeugs und Art der Berührung können Punkte oder Liniennähte geschweißt werden [DIN 1910]. Die Maschinen zum Ultraschallschweißen bestehen im wesentlichen aus den Komponenten Schweißpresse (meist pneumatisch angetrieben) mit Werkstückaufnahme und ggf. Vorschubsystem, HochfrequenzGenerator und Schallwandler. Die Arbeitsfrequenzen betragen in der Regel 20 kHz, in Sonderfallen bis 60 kHz. Die Werkzeugamplituden liegen im Bereich zwischen 15 und 40 um,

Wandler

Ultraschall schwingung

Schweißnaht

Das Ultraschallschweißen wird zum Ver- Bild 5.82: Ultraschallschweißen [DIN 1910, Teil 2] binden von thermoplastischen Kunststoffen und von Metallen eingesetzt. Beispiele von geschweißten Kunststoffteilen sind in allen Industriezweigen zu fmden. Beispiele von Metallverbindungen sind das Schweißen von Folien und dünnen Blechen aus Aluminium und Kupfer, das Kontaktieren von Drähten und das Verschweißen von Elektrolytkondensatoren.

Kaltpressschweißen Prinzipiell ließen sich metallische Werkstoffe im festen Zustand ohne Kraft- und Wärmeanwendung miteinander verschweißen, wenn eine Annäherung von bis zu atomaren Abmessungen (10-4 um) spiegelbildlichen, von Verunreinigungen freien Oberflächen auf atomare Abstände erfolgte. Diese Bedingungen sind bei den technischen Werkstoffen nicht erfüllt, sodass sie unter Druck, durch den die auf den Oberflächen befindlichen Fremdschichten aufreißen, geschweißt werden. An den freigelegten Metallbereichen können nun die atomaren Bindungskräfte wirksam werden. Bei dem Stauchvorgang treten jedoch erhebliche plastische Verformungenauf. Der Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit, verschiedene Metalle miteinander verschweißen zu können, bei einer Festigkeit der Verbindung, die über der Ausgangsfestigkeit der Werkstoffe liegt. Dies ist auf die Kaltverfestigung zurückzuführen. Das Kaltpressschweißen kann als Stumpf- und Überlappschweißen oder durch einen Fließ- oder Ziehvorgang erfolgen [SPU98a].

5.4 Fügen

5.4.1.2

155

Schmelzschweißen

Schmelzschweißen ist Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft mit oder ohne Schweißzusatz [DIN 1910]. Die Schweißverfahren für Metalle werden nach Art der Erwärmung, des Schutzes der Schweißstelle und der Zuführung des Schweißzusatzwerkstoffes unterschieden. Ein äußerst wichtiger Gesichtspunkt, insbesondere beim Schmelzschweißen, ist die Beachtung der entsprechenden Unfallverhütungsvorschriften. Beim Gasschweißen ist die Explosionsgefahr der Gemische von Sauerstoff/Luft mit Wasserstoff/Acetylen zu beachten. Beim Lichtbogenschweißen liegt die Hauptgefahr in der Wirkung der UV-Strahlung auf Augen und Haut. Bei bestimmten Werkstoffen (Zink, Messing, Blei) können giftige Gase entstehen. Beim Schweißen von Behältern sind Rückstände des Inhalts zu entfernen.

Gasschmelzschweißen (Gasschweißen) Das Schweißbad entsteht durch unmittelbares örtlich begrenztes Einwirken einer BrenngasSauerstoff- oder Brenngas-Luft-Flamme. Wärme und Schweißzusatz werden i. Allg. getrennt zugeführt [DIN 1910]. Für Eisenwerkstoffe wird als Brenngas Acetylen im Volumenverhältnis 1:1 mit Sauerstoff gemischt. Das Gasschweißen wird meistens als Handschweißen im handwerklichen Bereich eingesetzt. Durch die im Vergleich zum Lichtbogenschweißen niedrigere Temperatur ergeben sich niedrigere Schweißgeschwindigkeiten und größere Wärmeeinflusszonen. Das Gasschweißen bringt jedoch auch einige Vorteile, wie die kontrollierte Wärmeeinbringung durch das Nachlinks- oder Nachrechts-Schweißen, die Möglichkeit (durch die Wahl des Mischungsverhältnisses) der Flamme einen neutralen, oxidierenden oder reduzierenden Charakter zu geben, die Unabhängigkeit von Versorgungseinrichtungen sowie der sich daraus ergebenden Mobilität. Beim Nachrechts-Schweißen (NR) wird der Schweißzusatz hinter dem Schweißbrenner zugeführt (Bild 5.83). Die Schweißflamme ist auf die fertige Naht gerichtet. Die Wärmeeinbringung ist verhältnismäßig groß, sodass diese Art des Schweißens bei Wanddicken über 3 mm eingesetzt wird. Beim Nachlinks-Schweißen (NL) wird der Schweißzusatz vor dem Brenner geführt. Die Flamme bläst in die offene Fuge. Daher ist die Wärmeeinbringung geringer; das Verfahren eignet sich für dünnere Wanddicken. Brenngas und Sauerstoff oder Luft

Gasflamme Schweißzusatz , .....J - - -

Schweißnaht

Bild 5.83: Gasschmelzschweißen (Nachrechts-Schweißen)

Schweißbrenner

156

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Nach dem Zünden der Flamme bilden sich ein Flammkegel sowie eine Primär- und Sekundärflamme (Bild 5.84). Im Flammkegel zerfällt das Acetylen (C2HV in Kohlenstoff und Wasserstoffunter Wärmeabgabe. Der Kohlenstoff verbrennt in der Primärflamme mit dem zugemischten Sauerstoff zu Kohlenmonoxid (1. Verbrennungsstufe). Diese Zone bildet die eigentliche Schweißzone, in der die höchste Temperatur (3050-3200 "C) erreicht wird. In der Sekundärflamme verbrennt das Kohlenmonoxid mit dem aus der Umgebung eindiffundierten Sauerstoff zu Kohlendioxid, der Wasserstoff verbindet sich mit Sauerstoff zu Wasser. Diese zweite Verbrennungsstufe ist zum Schweißen ungeeignet, da hier der Werkstückwerkstoff oxidiert werden kann. Bei einem Mischungsverhältnis von 1:1 (neutrale Flamme) können in der Schweißzone durch die Gase CO und H 2 Metalloxide reduziert werden. Ein Sauerstoffüberschuss bewirkt dort eine Oxidation, ein Brenngasüberschuss eine Aufkohlung des Werkstückwerkstoffes. 3200 °C

2100 °C 1500 °C

600°C 300°C

--------------- . - . - . - . - - - - - l _.....

Kegel mit leuchtender Hülle

2

3

reduzierende Zone

2C2 + H2 + O2 --2CO + H2 Streuflamme, oxidierend

4CO + 2H2 + 302

-

4C02 + 2H20

2

3

Bild 5.84: Temperaturverlaufund Reaktionen in der Schweißflarnme beim Gasschweißen [MEIN89]

Die häufigsten Schweißbrenner sind Wechselbrenner, die nach dem Injektorprinzip arbeiten (Bild 5.85). Der aus der Düse des Injektors mit hoher Geschwindigkeit austretende Sauerstoff erzeugt einen Unterdruck, durch den Acetylen angesaugt wird. In der Mischdüse werden die beiden Gase homogen gemischt. Die Arbeitsdrücke (Überdrücke) betragen bei Acetylen 0,2 bar und bei Sauerstoff 2,5 bar. Sie werden durch Druckminderer an der Gasversorgung (in der Regel Stahlflaschen) eingestellt. Beim Zünden der Flamme wird zuerst das Sauerstoffventil und danndas Acetylenventil geöffnet, beim Löschen der Flamme wird zuerst das Acetylenventil geschlossen.

5.4 Fügen

157

Oberwurfmutter

Sauerstoffvenlil

Druckdüse Mischdüse

I

~= Einsatz

-

Brennermundslück

Injektor

Acetylenventil Griffrohr

Bild 5.85: Injektorbrenner [SPU98a]

Lichtbogenschmelzschweißen Das Schweißbad entsteht durch Einwirken eines oder mehrerer Lichtbögen. Der Lichtbogen brennt zwischen einer Elektrode und dem Werkstück, zwischen zwei Elektroden undIoder zwischen den Werkstücken. Bei Verwendung einer abschmelzenden Elektrode ist diese gleichzeitig Schweißzusatz [DIN 1910]. Zum Lichtbogenschweißen gehören u. a. die Verfahren Lichtbogenhandschweißen, Schutzgasschweißen und Plasmaschweißen. Das Lichtbogenhandschweißen ist trotz zunehmender Automatisierung noch immer das häufigste Schweißverfahren, was auf die einfache Handhabung und Gerätetechnik zurückzuführen ist.

Energiequelle

I~

Elektrodenhalter

Der Schweißvorgang ist in Bild 5.86 dargestellt. Durch Aufsetzen der Elektrode und anschließendes Abheben wird der Lichtbogen gezündet (Kurzschlusszündung). Er bewirkt ein Aufschmelzen des Grundwerkstoffes und der umhüllten Elektrode. Der Fügeparlner SChlacke flüssige Elektrodenwerkstoff wird durch die im Lichtbogen wirksamen Kräfte zum Werk- Bild 5.86: Lichtbogenhandschweißen [SPU98a] stück übertragen (auch entgegen der Schwerkraft). Der Lichtbogen brennt in einer lokalen Schutzgasatmosphäre, die durch Verdampfung der Elektrodenumhüllung entsteht. Weitere Aufgaben der Umhüllung sind die Bildung leicht ionisierbarer Elemente zur Stabilisierung des Lichtbogens und die Bildung von Schlacke, die die Schweißnaht vor atmosphärischen Einflüssen schützt. Die Elektroden weisen verschiedene Zusammensetzungen und Dicken der Umhüllung auf und erlauben dadurch eine große Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Schweißaufgaben. Die Wahl der Elektrode richtet sich nach dem zu schweißenden Grundwerkstoff, der Blechdicke, den geforderten Gütewerten und der Schweißposition. Stabelektroden für das Lichtbogenschmelzschweißen sind in DIN EN ISO 2560 genormt. Zum Lichtbogenhandschweißen werden Gleichstrornquellen und Wechselstromquellen eingesetzt. Sie müssen Anforderungen wie ungefährliche Leerlaufspannung, begrenzter Kurz-

158

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

schlussstrom, Unterdrückung von Stromspitzen beim Zünden (wegen Vermeidung von Spritzern) und eine steil fallende statische Kennlinie U = f (I) erfüllen. Bei einer steil fallenden statischen Kennlinie (siehe Bild 5.86) bleibt der Schweißstrom und damit die Abschmelzleistung trotz Spannungs schwankungen, bedingt durch Längenänderungen des Lichtbogens, die beim Handschweißen unvermeidbar sind, nahezu konstant. Die zum Schweißen erforderlichen Stromstärken liegen im Bereich zwischen 20 und 500 A bei Lichtbogenspannungen von 15 bis 35V. Bei den Schutzgasschweißverfahren werden die Elektrode, der zwischen Elektrode und Werkstück brennende Lichtbogen und das Schmelzbad gegen die Atmosphäre durch ein dem Schweißprozess zuzuführendes inertes oder aktives Schutzgas abgeschirmt. Die Verfahren werden nach Art des Brenners, der Elektrode und des Schutzgases unterschieden. Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) brennt der Lichtbogen zwischen einer ___ Schutzgas nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück. Ein Hochfrequenzzündgerät macht berührungsloses ZünWolframden des Lichtbogens möglich, wodurch Elektrode - - Schweißrichtung die Elektrodenspitze geschont wird. Durch den wasser- oder luftgekühlten Brenner wird konzentrisch das Schutzgas (meist Argon, bei Leichtmetallen ArgonHelium-Gemisch oder reines Helium) Schweißgut Fügepartner zugeführt. Dünne Bleche können ohne Schmelzbad Zusatzwerkstoff geschweißt werden, bei dickeren Teilen ist ein Zusatzwerkstoff Bild 5.87: WIG-Schweißen erforderlich (Bild 5.87). Da das Verfahren häufig als Handschweißen durchgeführt wird, haben die Stromquellen eine steil fallende statische Kennlinie. Das WIG-Schweißen zeichnet sich durch eine hohe Schweißqualität aus. Die Abschmelzleistung ist jedoch relativ niedrig. Es wird deshalb vorwiegend beim Dünnblechschweißen, beim Erstellen von Wurzellagen und beim Aluminiumschweißen eingesetzt.

~

Zum Metall-Schutzgasschweißen (MSG) gehören die beiden Verfahrensvarianten MetallInertgasschweißen (MIG) und Metall-Aktivgasschweißen (MAG). Bei beiden Verfahren brennt der Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden, mit konstantem Vorschub zugeführten Elektrode und dem Werkstück. Der Lichtbogen wird durch Kontakt der positiv gepolten Elektrode mit dem Werkstück gezündet (Kontaktzündung). Als Schweißstromquelle werden Gleichstromquellen verwendet. Die gut automatisierbaren Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Abschmelzleistung aus. Aufgrund der hohen Gaskosten wird das MIG-Verfahren nur bei Schweißaufgaben eingesetzt, die mit dem MAG-Schweißen nicht mit ausreichender Qualität auszuführen sind. Dazu zählt das Schweißen von Aluminiumwerkstoffen und austenitischen Stählen. Beim MAG-Verfahren werden je nach Art des Schutzgases die Varianten MAGC (Schutzgas CO2) und MAGM (Schutzgas Argon-Cö--Gemisch) unterschieden. Das CO2 dissoziiert im Lichtbogen zu CO und O2, wodurch sich eine aufkohlende und oxidierende Wirkung ergibt. Das MAGC verliert an Bedeutung, während sich das MAGM-Verfahren mehr und mehr durchsetzt. Anwendung findet das MAG-Schweißen im Schienenfahrzeug-, Automobil-, Stahl-, Brückenbau und im allgemeinen Maschinenbau [SPU98a, STE83, CEROl]. Bei allen Schutz-

5.4 Fügen

159

gas-Schweißverfahren muss bei ihrer Anwendung darauf geachtet werden, dass das Schutzgas nicht durch äußere Einflüsse, wie z. B. Wind, von der Schweißstelle entfernt wird. Die Plasmaschweißverfahren stellen eine Weiterentwicklung des Schutzgasschweißens dar. Entsprechend dazu gibt es beim Plasmaschweißen die Varianten Wolfram-Plasmaschweißen (WP) und Plasma-Metall-Schutzgasschweißen (MSGP). Beim WP-Schweißen werden nach Art des Lichtbogens die Verfahren mit übertragendem (Bild 5.88) und nicht übertragendem Lichtbogen unterschieden. Fokussiergas (Ar-H2-Gemisch)

Wolframelektrode Wasserkühlung

Plasmagasl -............... Schutzgas ~ Plasma-Lichtbogen (Argon)

Werkstück

Bild 5.88: Wolfram-Plasmaschweißen

Die Wolfram-Elektrode des WP-Brenners ist von einem wassergekühlten Düsenkörper umgeben, durch den das Plasmagas (meist Argon) zugeführt und im Lichtbogen ionisiert wird. Durch die enge Düse wird das Plasma auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, Über das äußere Brennergehäuse wird das Schutzgas (Argon-Hj-Gemisch, Argon-Cö--Gemisch) und eventuell ein Fokussiergas zum Einschnüren des Plasmastrahls zugeführt. Der übertragende Lichtbogen, der zwischen Wolfram-Elektrode und Werkstück brennt, wird durch einen mit Hochfrequenz gezündeten Hilfslichtbogen erzeugt. Das WP-Schweißen erweitert den Einsatzbereich des WIGSchweißens sowohl auf kleinere (Mikroplasmaverfahren, Blechdicke 0,01-1 mm) als auch auf größere (Plasma-Stichlochtechnik, Blechdicken 3-10 mm) Blechdicken.

Strahlschweißen Zu den Strahlschweißverfahren gehören das Laser- und Elektronenstrahlschweißen (EBSchweißen). Da die Entstehung der Strahlen und der Anlagenaufbau bereits besprochen wurden, wird in diesem Abschnitt nur auf Besonderheiten und Anwendungen beim Fügen eingegangen. Die Absorption von Laserstrahlen findet bei Metallen auf der Oberfläche (0,1-1 um dicke Schicht) statt. Bei Leistungsdichten von über 2 MW/cm2 zündet an der Werkstückoberfläche ein Plasma, das zu einer erhöhten Einkoppelung der Laserstrahlung und damit zu einem Tiefschweißeffekt führt. Wird die Leistungsdichte weiter gesteigert, verliert das Plasma diese positive Eigenschaft und beginnt die Laserstrahlung stark zu absorbieren bis zu einer völligen Abschirmung des Werkstückes.

160

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Der Druck des abströmenden Metalldampfes erzeugt im Werkstoff einen Damptkanal, das so genannte "keyhole", das einige Milimeter tief ins Material vordringt (siehe Bild 5.89). Wandert das keyhole ab, fließt dahinter die Schmelze zusammen. Der aufgeschmolzene und durchmischte Werkstoff kühlt ab und die Schmelze erstarrt zu einer schmalen Schweißnaht. Während der Bearbeitung wird die Schweißnaht durch ein Schutzgas vor Reaktionen mit der Luft geschützt, während die Arbeitsgase den Prozess unterstützen und steuern können [LEI06]. Der Vorteil beim Laserstrahlschweißen ist die Bearbeitung von Werkstücken mit nahezu beliebiger Geometrie. Die Werkstücke können entweder mit einem Industrieroboter (IR) an einem ortsfesten Laser gehandhabt werden oder von einem IR-geführten Laserstrahl geschweißt werden. Beispiele aus der Automobilindustrie sind das Schweißen von hydraulischen Tassenstößeln, Getriebe-Blechteilen und Nähten an Türen, Dach- und Bodengruppen [PETZ86, KNE06, BEH89, AND89, MAT08, HEI93]. Dampfkapillare Schmelze Mithilfe der Technologie des Laserscannerschweißens Bild 5.89: Schweißen mit demLaserwird die Bearbeitungszeit drastisch verringert, da strahl [HUE09] Spiegel den Laserstrahl direkt an die Bearbeitungsstelle führen. Durch den wesentlich größeren Abstand zwischen der Schweißoptik und Bauteil entfallt das aufwendige Bewegen von Werkstück oder Schweißkopf. Unproduktive Positionierzeiten der Schweißoptik entfallen. Gleichzeitig wird die Qualität der gefertigten Bauteile verbessert. Dies gilt sowohl für das Punkt- als auch für das Nahtschweißen. Die Besonderheit bei diesem Verfahren liegt in der Schweissnaht, die an das Punktschweißen erinnert. Hierbei bestehen die Schweißpunkte jedoch aus einer geometrischen Form, die eine Werkstoffdeformierung durch Überhitzung des Materials verhindert. Der Einsatz von Industrierobotern erlaubt darüber hinaus die 3D-Bearbeitung komplexer Werkstücke [LEI06]. Beim Elektronenstrahlschweißen treffen die auf 2/3 der Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Elektronen auf das Werkstück und werden in einer Tiefe von bis zu 50 um abgebremst. Durch die dabei entstehende Wärme setzt ein Schmelz- und Verdampfungsvorgang ein. Durch den hohen Dampfdruck wird die Schmelze zur Seite gedrückt, so dass der Strahl in der entstandenen Damptkapillare tiefer eindringen kann. Darauf beruht die große Tiefenwirkung der Elektronenstrahlen (Schweißtiefe bis 200 mm bei einem TiefelBreite-Verhältnis von 50:1) [BER03a]. Ein Nachteil von Elektronenstrahlanlagen ist die Tatsache, dass meist im Vakuum oder Hochvakuum gearbeitet werden muss. Es sind jedoch auch Anwendungsfalle bekannt, bei denen in der Atmosphäre gearbeitet wird. Dabei werden die Elektronen allerdings stark gestreut, sodass hohe Beschleunigungsspannungen bei geringen Arbeitsabständen erforderlich sind. Mit dem Elektronenstrahlschweißen lassen sich viele verschiedene Metallwerkstoffe verbinden. Beispiele sind Leichtmetall-Kolben für Verbrennungsmotoren, Getriebeteile, Katalysatoren, Bimetall-Bänder für Bandsägen, Turbinenteile und Treibstofftanks, Teile für Kernreaktoren und die Elektro- und Feinwerktechnik [AND89, MAT08].

5.4 Fügen

5.4.2

161

Löten

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen oder Beschichten von Werkstoffen mithilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalles (Lotes) unter Verwendung von Flussmitteln und/oder Lötschutzgasen. Die Schmelztemperatur des Lotes liegt unterhalb derjenigen der zu verbindenden Grundwerkstoffe. Diese werden benetzt, ohne geschmolzen zu werden. Der Bindungsvorgang hängt vom System Lot-Grundwerkstoff, der Löttemperatur und Lötzeit ab. Bei Metallen ohne gegenseitige Löslichkeit beruht die Bindung auf Adhäsionskräften (Oberflächenbindungen durch freie Valenzen). Bei geringer gegenseitiger Löslichkeit von Lot und Grundmetall erfolgt eine Diffusion im Grenzbereich, bei guter gegenseitiger Löslichkeit entstehen räumliche Diffusionsbindungen. Die Diffusionszone ist umso dünner, je größer der Schmelztemperaturunterschied von Grund- und Lotwerkstoff ist. Die Unterteilung der Verfahren wird nach der Schmelztemperatur der Lotwerkstoffe vorgenommen. Beim Weichlöten liegt die Temperatur unter 450°C, beim Hartlöten oberhalb 450°C und beim Hochtemperaturlöten oberhalb 900°C. Bei Weichlötverbindungen stehen dichtende oder elektrisch leitende Eigenschaften im Vordergrund. Müssen Festigkeitsanforderungen erfüllt werden, sind entsprechende konstruktive Maßnahmen (z. B. Falzen der Verbindungsstelle) zu treffen. Die überwiegende Anzahl der Weichlote ist auf Zinnund/oder auf Bleibasis aufgebaut. Die Energiezufuhr kann mit Lötkolben, Flamme, Lotbad (Wellenlöten von bestückten Leiterplatten, Bild 5.90), Warmgas, Ultraschall, im Ofen und durch elektrischen Strom (Induktions-, Widerstandslöten) erfolgen.

Durchzugswlnkel ?"

Latbad mit Latwelle

Flussmitlelbad (Fluxer mit Schaumwelle )

Bild 5.90: Wellenlöten [DIN8505 T3]

Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Bauteile und der Leiterplatten wurde eine neue Bestückungs- und Löttechnik (SMT, Abk. für Surface Mount Technology) entwickelt. Dabei werden die Bauteile nicht mehr wie früher mit ihren Anschlussdrähten durch die Leiterplatte durchgesteckt und von unten verlötet, sondern auf der Oberfläche der Leiterplatten befestigt (Bild 5.91).

Die Bauteile werden entweder in eine durch Siebdruck aufgebrachte Lötpaste eingebettet und dann im Reflow-Lötverfahren gelötet oder auf die Leiterplatte aufgeklebt und dann durch Wellen- bzw. Schwalllöten mit den Leiterbahnen verbunden. Die zweite Methode hat den Vorteil, dass die Bauteile auf beiden Seiten der Leiterplatte befestigt werden können. Die Vorteile dieser Technik sind der bis zu 50 % kleinere Platzbedarf der Bauteile durch Wegfall der Anschlussdrähte, die kleinere Masse und die daraus resultierende geringere Anfälligkeit für Schwingungsschäden (wichtig bei der Kfz-Elektronik) sowie die bessere Automatisierbarkeit der Bestückung.

162

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Einsteckmontage

Oberflächenmontage Surface Mount Technology

Leiterplatte

Bild 5.91: Konventionell- und SMT-bestückte Leiterplatte

Die Festigkeit hartgelöteter Verbindungen hängt in erster Linie von der lötgerechten Konstruktion und dem angewandten Lötverfahren ab. In vielen Fällen erreicht sie die Festigkeit der Grundwerkstoffe. Für Schwermetalle werden vorwiegend kupferhaltige, oft auch edelmetallhaltige NE-Legierungen als Lotwerkstoffe verwendet. Für Leichtmetalle stehen AluminiumSilicium-Hartlote zur Verfügung. Das Angebot geeigneter Energie-Träger ist sehr breit und reicht vom einfachen Flammlöten bis zu den beim Schweißen behandelten Strahlverfahren. Das Hartlöten wird z. B. bei der Herstellung von Leichtmetall-Wärmetauschern (Fahrzeugkühler) eingesetzt. Sowohl beim Weich- als auch beim Hartlöten werden Flussmittel verwendet. Flussmittel dienen dem Abbau (Reduktion) der auf Metalloberflächen befindlichen Oxidschichten und ermöglichen dadurch eine einwandfreie Benetzung. Flussmittel sind i. Allg. Säuren oder Substanzen, die beim Erhitzen Säuren abspalten. Nach dem Löten müssen Flussmittelreste entfernt werden, da sonst Korrosionsgefahr besteht. Das Hochtemperaturlöten erfolgt flussmittelfrei im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre. Die Festigkeit der Verbindungen aus niedrig- bis hochlegierten Stählen erreicht die Festigkeit der Grundwerkstoffe. Die am meisten verwendeten Lote sind Nickel-, Gold-Nickel und Kupferbasislote. Die wichtigsten Anwendungsgebiete für das Hochtemperaturlöten fmden sich in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Triebwerks- und Turbinenbau, in der Kerntechnik und beim Bau von Wärmetauschem.

5.4.2.1

Bleifreie Lote

Seit 1. Juli 2006 müssen laut den Richtlinien 2002/95/EG (RoHS) und 2002/96/EG (WEEE) Elektronikfertigungen, vom Gesetz ausgenommen sind nur wenige Produktbereiche, auf bleifrei Lote umgestellt werden. Ziel der Richtlinien ist es die Gesundheit von Mensch und Tier und die Umwelt zu schützen indem umweltfreundliche Stoffe Verwendung fmden [llIK06]. 5.4.2.1.1

Löttemperatur

Herkömmliche Zinn-Blei-Lote schmelzen bei einer Temperatur von 183 Grad Celsius. Bleifrei Legierungen hingegen besitzen einen höheren Schmelzpunkt. Ein Zinn-Kupfer-Lot z. B. schmilzt erst bei 227 Grad Celsius. Zur Benetzung und Bindung wird häufig eine Spur Silber hinzugefügt. Der erhöhte Schmelzpunkt für zur Beachtung folgender Punkte [IHK06]:

5.4 Fügen

• •

163

Die Temperatur des Lötkolbens muss entsprechend erhöht werden Empfohlen werden temperaturrege1bare Lötstationen Leiterplatten und elektronische Bauelemente müssen so beschaffen sein, dass sie durch die höheren Löttemperaturen nicht beschädigt oder zerstört werden

5.4.2.1.2

Lötkomponenten

Nur Komponenten deren Oberflächen keinerlei Verunreinigungen mit Blei enthalten, können zuverlässig bleifrei miteinander verlötet werden [llIK06]. 5.4.2.1.3

Bewertung von Lötverbindungen

Vergleicht man Zinn-Blei-Lötstellen mit bleifrei gelöteten stellt man folgende Unterschiede fest [IHK06]: • • •

Die Lötstelle ist matt bei Zinn-Blei-Verbindungen und glänzend bei bleifreien Verbindungen Der Lotverlauf ist geringer, was zu steilen Kontaktwinkeln an den Lötstellenrändem führt Laut Studien ist eine bleifreie Lötverbindung zuverlässiger als die einer Zinn-Blei-Lötstelle.

5.4.3

Umformtechnisches Fügen

Der Trend zum Leichtbau führt an vielen Stellen weg von massiven Stahl- und Gussbauteilen hin zu Leichtbaukonstruktionen aus Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen. Der Einsatz dieser Leichtbauwerkstoffe und eine Kombination verschiedener Werkstoffe innerhalb eines Produkts oder Bauteils stellen neue Anforderungen an die Fügetechnik. Aspekte wie Prozesssicherheit, Montagefreundlichkeit, Festigkeit der Verbindungsstellen und Recyclingfähigkeit führen gerade im Leichtbau und der blechverarbeitenden Industrie wieder zu einer stärkeren Verbreitung der umformtechnischen Fügeverfahren, Klebetechniken und eine Kombination aus beiden. Hierbei sind vor allem das Blind-, Stanznieten und Durchsetzfügen in der industriellen Anwendung von Bedeutung. Eine Übersicht über alle Verfahren ist in DIN 8593 Teil 5 dargestellt. Gegenüber zuvor beschriebenen Verbindungsmethoden wie z. B. dem Punktschweißen bieten Fügetechniken durch Umformen folgende Vorteile: • • • • • •

Anforderungsangepasster Werkstoffeinsatz durch Kombinationsmöglichkeit verschiedener Werkstoffe innerhalb eines Bauteils möglich Verbindung beschichteter (metallisch, organisch oder anorganisch) Fügepartner realisierbar Zwischenschichten aus Kunst- und Klebstoffen sind prozessverträglich Vor- und Nachbearbeitung der Fügestellen nicht erforderlich Legierte Werkstoffe werden nicht beschädigt (z. B. durch Verbrennung eines Legierungselements) Keine gesundheitsgefährdenden Rauch- und Gasentwicklungen während des Fertigungsprozesses

164

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Der größte Nachteil gegenüber Schweißverbindungen stellt die Tatsache dar, dass zu jeder Fügestelle ein Niet zugeführt werden muss . In der automatisierten Fertigung wird dies mithilfe von Bandmagazinen (z, B. Kunststoffgurte), Linearschiebeförderern (über Versorgungsleitungen mit dem Werkzeug verbunden) und kleinen, direkt am Roboterarm, bzw. Werkzeug montierten Vorratsbehältern realisiert. Als Werkzeuge sind heute von rein mechanischen Hand-Setzwerkzeugen über elektrisch unterstütze Akku-Setzwerkzeuge und pneumatisch-hydraulische Setzwerkzeuge bis hin zum vollautomatisierten Industrierobotersetzwerkzeug verschiedene Werkzeugausführungen im industriellen Einsatz. Nietverbindungen kommen in erster Linie im Fahrzeug-, Flugzeug- und Leichtbau sowie deren Zulieferbetrieben, der Blech verarbeitenden Industrie, dem Bau- und Baunebengewerbe und der Heizungs- und Klimatechnik zum Einsatz.

5.4.3.1

Blindnieten

Für verschiedene Anwendungsgebiete wurden im Laufe der Jahre eine Vielzahl von BlindnietAusfiihrungen entwickelt Die Blindnietvarianten Senk-, Flachkopfuieten, Einnietmuttern und Einzelbolzen werden heute hauptsächlich industriell eingesetzt. Um eine dauerhafte und sichere Verbindung zu gewährleisten, muss das Niet-Material, der Nietdurchmesser und die Nietlänge auf den Werkstoff und die Geometrie der zu fügenden Teile abgestimmt sein. Bild 5.92 zeigt den Nietvorgang einer klassischen Blindniete. Die zu fügenden Bauteile müssen axial gelocht werden. Dies geschieht in der Regel durch Bohren oder Stanzen. Der Durchmesser der Bohrung sollte dem Nietdurchmesser entsprechen. In diese Bohrung wird die Niete eingesetzt und mit einer Nietzange der Nietdom aus der Niete gezogenen. Der Nietkopf wird hierbei von der Nietzange auf das Bauteil gepresst. Die Verdickung am Ende des Nietdoms wird hierbei in die Niethillse gezogen, sodass diese sich aufweitet. Ist der Nietschließkopf vollständig ausgeformt, bricht der Nietdom automatisch an der Sollbruchstelle. Hiermit ist der Nietvorgang abgeschlossen und die Qualität der Fügeverbindung kann optisch begutachtet werden. Fehlerhafte Nieten können aufgebohrt und erneuert werden. Nietdom

I

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Nie1zange, i ,

i

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Vorbohren

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Niet einsetzen

~ !

Nieldom brachen

Bild 5.91: Fügeprozess beim Blindnieten

! Nieldom ziehen

~

Nlefachlleßkopf

i

Nietverbindung kon1rolliel'Bn

5.4 Fügen

165

In der industriellen Anwendung von Blindnieten ist der Einsatz von Einnietmuttem im Flug- und Fahrzeugbau stark verbreitet. Das Funktionsprinzip ist dem oben für klassische Nietverbindungen beschriebenen sehr ähnlich. Einnietmutter besitzen keinen Nietdom, sondem ein Innengewinde, in den zum Fügen ein Gewindedom eingedreht wird. Dieses Innengewinde bleibt nach dem Fügen und Ausdrehen des Gewindedoms funktionsfähig und kann als Muttemgewinde genutzt werden. Somit wird die Einnietmutter nicht nur zum Fügen zweier oder mehrerer Bauteile, sondem auch zur Befestigung von Muttemoder Bolzengewinden an dünnwandigen Werkstücken eingesetzt (Bild 5.93).

5.4.3.2

Bild 5.93: Einnietmutter vor und nach dem Fügen

Stanznieten

Beim Stanznieten dringen die Nieten ohne Vorlochen in die Fügeteile ein. Die zu fügenden Bauteile müssen von beiden Seiten für das Nietwerkzeug zugänglich sein, da zur Umformung eine Gegenmatrize notwendig ist. Es wird zwischen Halbhohl- und Vollniet unterschieden. Die Fügeverbindung wird entweder durch Umformen des Nietes (Halbhohlniet) oder der Fügeteile (Vollniet) geschaffen. Beim Stanznieten mit Vollniet werden die Fügeteile durchstanzt. Durch die Kontur der Gegenmatrize wird das an den Niet angrenzende Material der Fügeteile in den konkaven Bereich des Niets gedrückt und somit eine kraft- und formschlüssige Verbindung geschaffen. Beim Stanznieten mit Halbhohlniet (Bild 5.94) wird der erste FügepartIler durchstanzt, der zweite zusammen mit dem Unterteil der Niete in der Gegenmatrize zu einem Schließkopf ausgeformt. Halbhohlniet

n~&empel I

! '\ I

~

Fügeteile

Gegenmatrize Klemmen der Werkstücke

Stanzniet setzen

Nietverbindung prüfen

Bild 5.94: Fügeprozess beim Stanznieten mit Halbhohlniet

Beim Stanznieten wird kein Nietdom benötigt. Dies ist gerade bei der automatisierten Serienanwendung ein großer Vorteil, da nach dem Fügen kein Nietdom abgeführt werden muss.

166

5.4.3.3

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Durchsetzfügen

Unter Durchsetzfügen (Clinchen) wird nach DIN 8593 Fügen durch Kaltumformung mittels eines Stempels und einer Matrize von überlappend angeordneten Blechen, Profil- oder Rohrteilen verstanden. Die Fügepartner werden hierbei partiell (punktweise) durchsetzt und anschließend gestaucht. Auf diese Weise entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung. In besonderen Fällen kann es auch zum Stoffschluss kommen. Zum Fügen mittels Durchsetzen werden keine Verbindungselemente, Zusatz- oder Hilfsstoffe wie beispielsweise beim Nieten, Schweißen oder Löten benötigt. Es können zwei oder mehrlagige Verbindungen geschaffen werden. Das Fügen von beschichteten oder vorlackierten Blechen ist ohne eine Beschädigung der Oberfläche möglich. Durchsetzfügen lässt sich in zwei Teilschritte gliedern. Zunächst wird die Geometrie der Fügestelle aus den Fügepartnern durch einen kombinierten Scherschneid- und Durchsetzvorgang geschnitten und senkrecht zur Oberfläche herausgedrückt. Im zweiten Schritt wird diese dann gestaucht, um eine formschlüssige Verbindung zu schaffen und somit ein Auseinanderrutschen der Fügeteile zu verhindern. Es wird zwischen ein- und zweistufigen Verfahren unterschieden. Beim zweistufigen Durchsetzfügen entsteht die Fügestelle durch zwei nacheinander ablaufende Werkzeugbewegungen (Bild 5.95, oben). Im ersten Schritt werden die Fügepartner zwischen Schneidstempel und Schneidmatrize örtlich getrennt und durchgesetzt. Im zweiten Fügeschritt wird das durchgesetzte Material zwischen Schneid- und Stauchstempel gestaucht. Die Matrize muss zuvor zurückgefahren werden, um ein Breiten des durchgesetzten Materials nicht zu verhindern. Da hierfür doppelt wirkende Pressen notwendig sind, die in der industriellen Serienfertigung einen großen Einstellaufwand aufweisen, hat sich das zweistufige Durchsetzfügen nicht in der industriellen Anwendung durchsetzen können. Unter einstufigem Durchsetzfügen wird Durchsetzen und Stauchen mit ununterbrochenem Hub eines einzigen Werkzeugteils verstanden (Bild 5.95, unten). Somit muss nur ein Werkzeugteil angetrieben werden. Die Matrize setzt sich aus einem festen Amboss und zwei seitwärts beweglichen oder nachgiebigen Schneidlamellen zusammen. Der Amboss ist fest, die Schneidlamellen nur parallel zur Fügeteiloberfläche beweglich. Bereits während des Schneidvorgangs berührt das durchgesetzte Material den Amboss und wird mit der weiteren Stempelbewegung gestaucht. Die Schneidlamellen weichen dabei seitlich aus. Die erreichbare Festigkeit hängt neben Werkstoffkenngrößen und der Blechdicke der zu fügenden Teile auch von der Geometrie der Fügestelle ab. Hier wird zwischen Rund-, Stern- und Rechteckform unterschieden. Bild 5.96 zeigt beispielhaft jeweils eine Geometrie der Rechteckund Rundform. Als Fügewerkzeuge kommen in der industriellen Fertigung viele verschiedene, auf das jeweilige Anforderungsprofil angepasste Werkzeugformen und Ausführungen zum Einsatz. Durchsetzfügen wird sowohl von Hand mit speziellen Zangen als auch automatisiert in Groß serien mit Industrierobotern oder Pressenstraßen (Mehrpunktmaschinen) durchgeführt.

167

5.4 Fügen

**

I

I

:~~~~-~'-+ Slauchstampel

!

Sehnei matrize

I

!

I

Schneiden

Stauchen

zweistufiges Durchsetzfügen

!

Stemp~etelle

,..~

eldlarnellen Schneiden

Slauchen und Weiterschneiden

einstufiges Durchsetzfügen

Bild 5.95: Zwei- und Einstufiges Durchsetzfügen

Eine Sonderform des Durchsetzfügens ist das Taumel-Durchsetzfiigen (Taume1-C1inchen). Beim Taume1-Durchsetzfügen wird die Verbindung nicht wie bei den oben genannten Verfahren durch einen geradlinigen Pressenhub rein über die Presskraft gefertigt, sondern durch eine Taumelbewegung des Stempels geschaffen (Bild 5.97). Dieser rotiert hierbei nicht um die eigene Achse, sodass auch keine Reibung zwischen dem Stempel und dem Fügeteil entsteht [HOR02]. Beim TaumelDurchsetzfügen kommt eine feste, aus einem Stück gefertigte Matrize zum Einsatz, in deren Form das Material der Fügepartner durch den Stempel gedrückt wird. Vorteil dieser Sonderform des Durchsetzfügens ist die kompaktere und leichtere Werkzeugbauweise, was vor allem beim Einsatz von Industrierobotern zu kleineren Arbeitskräften und einer deutlich größeren Flexibilität führt.

5.4.3.4

Rechteckform

Rundfonn

Bild 5.96: Formgeometrien beim Durchsetzfügen

Falzen

Falzen ist mechanisches Fügen zur Herstellung von Verbindungen zwischen hochfesten Stählen, Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und für mehrschnittige Verbindungen. Das Falzen

Bild 5.97: Funktionsprinzip: Taurnel-Durchsetzfiigen

168

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

dünner Bleche (bis ca. 1 mm Dicke) wird z. B. beim Herstellen von Rohren, Behältern, Abdeckungen, Einfassungen, Verkleidungen und Blechdächern benötigt. Hierbei werden Blechumschläge oder gebördelte Blechränder ineinander gehakt, zugeschlagen und gegen Herausziehen gesichert (Bild 5.98). Der Oberflächenschutz der Bleche z. B. Zinn-, Blei- oder Zinküberzüge wird nicht beschädigt und die Bleche können sich nicht verziehen oder verwerfen, wie es beim Schweißen der Fall ist. Falzverbindungen sind dauerhaft und fest [MAT03, LANOO]. Liegefalz einfache Falz

Stehfalz doppelte Falz

einfache Falz

doppelte Falz

Bild 5.98: Die vier Hauptprinzipien des Falzens

5.4.4

Kleben

Kleben ist Fügen unter Verwendung eines Klebstoffes, d. h. eines nichtmetallischen Werkstoffes, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann. Um eine optimale Flächenhaftung zu erreichen, muss der Klebstoff die Klebflächen wie eine Flüssigkeit benetzen. Zu diesem Zweck enthält er entweder Lösungs- oder Dispersionsmittel, oder er wird als Schmelze bzw. als Gemisch reaktionsfähiger Stoffe (Reaktionsklebstoffe) auf die zu klebende Fläche aufgetragen [DIN 8593]. Das Abbinden (Verfestigen) der Klebschichten kann physikalisch (Verdunsten, Abkühlen) und! oder chemisch (Reaktion der Klebstoff-Komponenten) erfolgen. Das Abbinden vieler Klebstoffe, insbesondere der Reaktionsklebstoffe, kann durch erhöhte Temperatur beschleunigt werden. Zu den Reaktionsklebstoffen zählen alle Ein- und Mehrkomponenten-Systeme, bei denen eine Polymerisation erfolgt. Polyester- und Epoxidharze sind Mehrkomponenten-Klebstoffe. Anaerobe Klebstoffe sind Einkomponenten-Klebstoffe, die erst polymerisieren, wenn bei der Montage der Luftsauerstoff verdrängt wird. Die Vorbehandlung der Klebeflächen ist für die Festigkeit der Verbindung ein wichtiger aber zeitaufwendiger Vorgang. Die Vorbehandlung kann durch Schleifen, Strahlen, Bürsten und Entfetten erfolgen. Der Klebevorgang sollte im staubfreien trockenen Raum stattfinden. Der Klebstoff kann durch Spritzen oder Sprühen, Streichen, Spachteln oder Filmauftragen verarbeitet werden. Die Fügeteile sollten während der gesamten Abbindungsdauer in der Fügelage fixiert bleiben. In Tabelle 5.2 sind die Vor- und Nachteile von Metall- und Kunststoffklebeverbindungen zusammengefasst.

Metallkleben findet hauptsächlich im Flugzeugbau als Schicht-, Schalen- und Sandwichbauweise Anwendung. Geklebt werden u. a. Beplankungen an Trag- und Leitwerken sowie Hubschrauber-Rotorblätter.

5.4 Fügen

169

Tabelle 5.2: Vor- und Nachteile des Metall- und Kunststoffklebens

5.4.5

Schrauben und Schraubenverbindungen

Das Funktionsprinzip einer Schraube ist das eines Keils, der auf einern Zylinder aufgewickelt ist. Dadurch kann eine rotatorisehe in eine translatorische Bewegung umgewandelt werden. Schrauben können daher verwendet werden, um eine Stellfunktion zu realisieren, z. B. um den Vorschub an einer Werkzeugrnaschine festzulegen oder um in einer Presse ein Moment in eine Kraft umzuwandeln [STE08]. Schrauben werden nach ihrem Verwendungszweck in Befestigungsschrauben, Bewegungsschrauben, Messschrauben, Stellschrauben und Verschlussschrauben unterteilt. Je nach der Aufgabe der Schraube kommen unterschiedliche Gewinde zum Einsatz . Zum Beispiel werden für Befestigungsschrauben aufgrund der größeren Reibung Spitzgewinde verwendet [HAB07].

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~

.

Für Bewegungsgewinde, z.B. Kraftgewinde bei niedriger Beanspruchung oder unbestimmter Kraftrichtung

Für Kraftgewinde die einer hohen einseitigen Belastung ausgesetzt sind (Pressen)

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---

Bild 5.99: Gewinde nach [STE08]

Für Verbindungen die ungünstigen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind (Fahrzeugkupplungen) und gerollte Blechgewinde (Glühbirne)

Für Verbindungs- und Befestigungsschrauben

170

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf die Befestigungsschrauben, die zum Fügen von Bauteilen verwendet werden. Eine oder mehrere Befestigungsschrauben erzeugen dabei eine feste, aber lösbare Verbindung zwischen den Bauteilen. Dabei sollen ruhend oder schwingend wirkende Betriebskräfte aufgenommen werden [GR007; HAB07]. Die eigentliche Verbindung zwischen den verschraubten Bauteilen basiert auf der Flächenpressung, die durch die Schrauben zwischen den Fügeparlnern erzeugt wird. Kräfte werden von einem auf den anderen Fügepartner über die Trennf1äche übertragen d. h., Schrauben werden ausschließlich auf Zug und nur in Ausnahmefällen auf Scherung beansprucht [STE08]. Nach dem Eindrehen einer Befestigungsschraube verhindert die Reibung im Gewinde das selbständige Lösen der Schraube. Um diese so genannte Selbsthemmung sicher zu stellen, müssen das Außengewinde auf der Schraube und das Innengewinde (z. B.: Gewindebohrung oder Mutter) genau ineinandergreifen, damit auf einer großen Oberfläche die benötigte Reibung erzeugt wird [STE08; HAB07]. Die Bauteilverbindung mittels Schrauben gehört zu den meistverbreiteten Fügetechniken. Oft werden sie auch dort eingesetzt, wo eine lösbare Verbindung nicht unbedingt erforderlich wäre. Schrauben, Muttern und Zubehör sind weitgehend genormt, womit auf Sonderausfiihrungen meist verzichtet werden kann. In Bild 5.100 ist die Bezeichnung nach DIN 962 für eine Sechskantschraube mit Schaft exemplarisch dargestellt.

Benennung

GewindeM10: MetrischesGewindemit Nenndurchmesser 10 mm

Bezugsnorm

Nennlänge

Nenndurchmesser d

Kopf

Nennlängel

Bild 5.100: Beispiel für die Bezeichnungsangaben einer Schraube nach DIN 962

Für die Montage und Demontage benötigt man lediglich geeignete Anzieh- und Lösewerkzeuge und nicht etwa Sondereinrichtungen. Durch geschickte Wabl des Schraubenkopfes kann der für die Montage benötigte Raum reduziert werden. Es muss allerdings beachtet werden, dass die verschiedenen Kopfarten unterschiedlich hohe Drehmomente übertragen können (Bild 5.101).

5.4 Fügen

171

". W -$ -$

Außensechskant

Außensechsrund

I

I

I

-'-1-'I

Hohe Drehmomenteübertragbar • relativ großes Werkzeug Werkzeug für Schraube und Mutter Identisch

• Höheres Drehmoment als beim

.

Innensechskant

• Wie Außensechskant aber • geringeresDrehmoment übertragbar • Platzbedarf für Werkzeug geringer

Schlitz

• Nur geringes Drehmoment übertragbar • Werkzeug nichtzentriert • hohe Flächenpressung Im Schlitz

Außensechskant übertragbar

Innensechsrund I

_t.ffi:\.- . ~

Höheres Drehmoment als beim Innensechskent übertragbar

Kreuzschlitz H I

.

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• höheres Drehmoment als beim LängsschlItz übertragbar

Q'R>

• Werkzeug zentriert

I

• AxIalkraft notwendig

Bild 5.101: Antriebsarten von Schrauben [FRl05; DIN 34800; DIN 10664; DIN 4757]

Neben der Lösbarkeit bieten Schraubenverbindungen viele weitere Vorteile, so können z. B. unterschiedlichste Materialien miteinander verbunden werden. Auch aus Sicherheitsgesichtspunkten haben Schrauben Vorzüge. Schrauben sind aufgrund ihrer großen Verbreitung und der damit verbundenen Forschung und Normung für verschiedene Beanspruchungsarten technisch gut dimensionierbar. Es jedoch ist zu bedenken, dass die Kosten für Schraubenverbindungen höher sind als für (nicht lösbare) Niet- und Schweißverbindungen [STE08; NIE05].

Montage von Schraubenverbindungen Die erforderliche Vorspannkraft in der Schraubenverbindung muss möglichst exakt eingestellt werden. Gerade bei einer Mehrschraubenverbindung ist auf eine gleiche Vorspannung der Schrauben zu achten, da es sonst insbesondere bei Leichmetallbauteilen zum Verziehen bzw. Verspannen kommt. Durch die Montage mit dem passenden Verfahren wird die richtige Vorspannkraft gewährleistet. Dabei ist die Abhängigkeit der Schraubenlastgrößen vom Verspannungszustand zu beachten. Prinzipiell stehen für die Schraubenmontage zwei Verfahren zur Verfügung. Üblicherweise werden Schrauben durch Anziehen montiert. Beim Anziehen werden die Eigenschaften der Schraube als Keilgetriebe genutzt, also eine Drehung in eine Längsbewegung beziehungsweise ein Drehmoment in eine Schraubenlängskraft umgesetzt. Das so genannte Anspannen findet vornehmlich bei Großverschraubungen Anwendung. Die vormontierten (eingedrehten) Schrauben werden durch Erwärmen oder äußere (hydraulische) Kräfte auf die Montagevorspanndehnung verlängert und die Verlängerung gemessen. Im erwärmten oder verlängerten Zustand werden die Schrauben dann weiter eingedreht. Somit werden die Vorspannkräfte beziehungsweise die Verlängerung des Schraubenschafts direkt axial aufgebracht und die Schraubenschäfte nicht auf Torsion beansprucht. Nach dem Abkühlen oder Entfernen der axialen Kraft stellt sich die gewünschte Vorspannkraft in der Schraube ein. Das Gewinde dient dabei nur dem Fixieren [NIE05; STE08]. Bei den im Folgenden beschrieben Montageverfahren für Schraubenverbindungen handelt es sich um Anziehverfahren.

172

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Die Handmontage ist bei Heftverbindungen beziehungsweise untergeordneten Schraubenverbindungen üblich und hinreichend. Damit eine Verfälschung des Anziehvorgangs vermieden wird, sollten keine Hebelverlängerungen verwendet werden. Die Erfahrung des Monteurs ist bei der Handmontage enorm wichtig, da die Vorspannung alleine von seinem Gefühl abhängig ist. Beim drehmomentgesteuerten Anziehen wird die Schraube mit einem definierten Drehmoment angezogen. Dieses Drehmoment wird entweder gemessen oder als Grenzwert eingestellt. Das drehmomentgesteuerte Anziehen kann mit handbetätigten oder motorbetriebenen Werkzeugen erfolgen. Das Anziehen mit Verlängerungsmessung ist die exakteste, allerdings auch aufwendigste Methode. Es wird dabei die elastische Verlängerung der Schraube als Maß zur Bestimmung der Vorspannkraft gemessen. Diese Längenmessung ist abhängig von der Temperatur, erfordert exakte Messflächen und ist kostenintensiv, weshalb sie industriell eher zur Qualitätskontrolle und Auslegung anderer Anzugsverfahren eingesetzt wird. Das Verfahren des drehwinkelgesteuerten Anziehens beruht auf einer indirekten Längenmessung über die Eigenschaften der Schraubenlinie. Es wird die Verbindung solange vorgespannt, bis alle Trennflächen satt anliegen. Erst danach wird der Nachziehwinkel gemessen. Die sich durch einen bestimmten Nachziehwinkel einstellenden Vorspannungen sind experimentell bestimmt. Beim streckgrenzengesteuerten Anziehen wird fortlaufend das Drehmoment und der Drehwinkel während des Anziehens gemessen. Bei Überschreitung der Streckgrenze oder Absinken der Neigung der Verformungskennlinie wird der Antrieb automatisch abgeschaltet. Dieses Anziehverfahren ist weitgehend reibwertunabhängig und sehr genau hinsichtlich der Schraubentragfähigkeit. Beim Schlagschrauben werden Drehschläge im Schlagwerk von elektro- oder druckluftmotorbetriebenen Schlagschraubem erzeugt, was ein dynamisches oder stoßartiges Anziehen zur Folge hat. Deshalb ist dieses Anzugsverfahren nicht für hochbeanspruchte Verbindungen zu empfehlen da kaum feststellbar ist, mit welchem Moment die Schraube angezogen wurde [NIE05; STE08].

5.5

Beschichten

Beschichten ist das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück. Maßgebend ist der unmittelbar vor dem Beschichten herrschende Zustand des Beschichtungsstoffes. Die Gliederung der Hauptgruppe Beschichten erfolgt nach verfahrenstechnischen Gesichtspunkten bzw. nach dem Aggregatzustand des Beschichtungsstoffes (Bild 5.102). Als Beschichtungsstoffe kommen metallische, anorganisch-nichtmetallische (z. B. Email, Keramik) und organische (Lacke) Werkstoffe in Betracht.

5.5 Beschichten

173

Bild 5.102: Einteilung der Hauptgruppe Beschichten [DIN 8580]

Der Begriff "Beschichten" bedeutet im technischen Sinne das Aufbringen funktioneller Schichten auf Untergründe (Werkstücke bzw. Bauteile) mittels verschiedener Verfahren. Beschichtung findet immer an der Oberfläche eines Körpers statt. Eine Oberfläche ist die zweidimensionale Begrenzung eines Körpers mit bestimmten Materialeigenschaften. Unter der technischen Oberfläche ist die funktionelle Abgrenzung eines Bauteils gegenüber seiner Umgebung (Vakuum, Gas, Flüssigkeit, Feststoff) zu verstehen. Durch diese Trennung von Beschichtungs- und Grundmaterial wird eine höhere Funktionalität des Bauteils erreicht. So kann z. B. das Grundmaterial aus einem zähen Stahl gefertigt sein, der Biege- und Torsionskräfte aufnimmt, hingegen die Beschichtung aus einem spröden aber sehr harten Werkstoff bestehen, der den Verschleiß bzw. Abtrag an der Oberfläche verringert . Durch funktionale Beschichtungen können Bauteile effizienter, langlebiger und für einen breiteren Einsatzbereich konstruiert und somit Fertigungs- sowie Materialressourcen eingespart werden.

5.5.1

Beanspruchungsarten und Eigenschaften technischer Oberflächen

Technische Oberflächen sind einer Vielzahl von Beanspruchungsarten ausgesetzt, die in Bild 5.103 mit den daraus resultierenden Oberflächenveränderungen gegliedert werden. Die Herausforderungen in der Oberflächentechnik liegen in der technischen Realisierbarkeit sowie der ökonomischen und ökologischen Optimierung von Beschichtungsprozessen.

174

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

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Außenflächen von technischen Produkten aller Art (Sichtflächen Deckflächen. Signalflächen....)

Mechanische sowie Klima- und Umweltbeanspruchung)

Oberflächen. die Wärme. Strahlung oder elektr. Strom ausgesetzt sind (Isolierflächen, elektr. Kontakte •... )

Thermische. strahlungsphysikalische. elektr. Beanspruchung

Oberflächen in Kontakt mit Flüssigkeiten (Behälter. Karosserien •...)

Elektrochemische Beanspruchung

Oberflächen in Kontakt mit strömenden Medien ( Rohrleitungen. Ventile •... )

Strömungsbeanspruchung

Oberflächen in Kontakt mit bewegten Gegenkörpem (Lager. Bremsen. Getriebe •... )

Tribologische Beanspruchung (Reibbeanspruchung)

Oberflächen in Kontakt mit Mikroorganismen

Biologische Beanspruchung

~

• •

----------------- ------------

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~

~

Adsorption Verschmutzung Verwitterung Passivierung Oxidation Verzunderung

Korrosion Elektrolyse

Kavitation Erosion

Kontaktdeformation Verschleiß

Biologische Schädigung

Bild 5.103: Beanspruchungsarten von Oberflächen und deren Auswirkungen

5.5.2

Lage der Beschichtung in der Wertschöpfungskette

Die Beschichtung von Bauteilen und Halbzeugen erfolgt zumeist im Anschluss an Ur-, Umform- und Trennprozesse. Hieraus lassen sich gewisse Rahmenbedingungen ableiten, die an Beschichtungsverfahren gestellt werden. Die Bauteile kommen z. B. nicht im physikalisch erwünschten Zustand in den Bereich der Oberflächentechnik bzw. die Oberflächen weisen Rückstände und Verunreinigungen vorangegangener Prozess- und Transportschritte auf. Diese Schnittstellenproblematik wird in Bild 5.104 und Bild 5.105 näher erläutert. Diesen Beanspruchungsarten wird entgegengewirkt, indem gezielt Eigenschaften von Oberflächen verstärkt werden, die die Stabilität bzw. Resistenz des Bauteils erhöhen und somit den Verschleiß- bzw. Zerstörungsprozess verlangsamen.

5.5 Beschichten

175

I

Teilefertigung

Arten der Verschmutzung Silikon

01, Felt, Harz

Anorganische Salze

Teer, Bitumen,

Harzhaltige Farbstoffe

Kühl- und Schmierstoffe,

Kreiden

Verseifbare pflanzliche und

Handschweiß

tierische Felte , Verseifte Rückstände Graphite, Ruß

Bild 5.104: Schnittstellenproblematik in der Beschichtungstechnik

Die Eigenschaften von Oberflächen lassen sich folgendermaßen beschreiben: • • • •

•

stoffliche Beschaffenheit: chemische Zusammensetzung, Kom- / Kristallgröße, Textur geometrische Eigenschaften: Rauheit, Form mechanisch-technologische Eigenschaften: Härte, Festigkeit, Eigenspannungen, Verschleißfestigkeit , Duktilität, Dauerfestigkeit physikalische Eigenschaften: Farbe, Glanz, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, Übergangswiderstand, magnetische Eigenschaften, Emission und Adsorption von Strahlung, Wärmeausdehnung chemische Eigenschaften: elektrochemisches Potential

Da das gewählte Grundmaterial bestimmte Ausprägungen dieser Eigenschaften oftmals nicht aufweisen kann, werden in der Beschichtungs- bzw . Oberflächentechnik Fertigungsverfahren entwickelt, die es ermöglichen, Schichtmaterial mit spezifischen Eigenschaften homogen und haftfest auf das Grundmaterial aufzutragen.

176

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Verunreinigungsschicht Adsorptionsschicht Oxid- oder Reaktionsschicht

Durch Umformung oder spanende Bearbeitung plastisch verformte Schicht

Grundwerkstoff

Bild 5.105: Prinzipieller Aufbau einer verschmutzten Oberfläche

Die gewünschten Anforderungen an die Oberflächen lassen sich in die funktionellen und die dekorativen Anforderungen einteilen. Die daraus abgeleiteten typischen Eigenschaften sind oftmals vielfältig und treten deshalb in Kombination mit anderen auf. Dies ist in Bild 5.106 dargestellt.

dekorative Anforderungen

Farbe Glanz Deckvermögen Rauheit Einebnung

funktionelle Anforderungen

Korrosionsbeständigkeit Verschleißbesländigkeit Gleiteigenschaften Rauheit Härte Festigkeit Dichte Leitfähigkeit

I

Bild 5.106: Gliederung der Oberflächeneigenschaften [SPU98b]

Die Oberflächentechnik beeinflusst Funktionalität, Lebensdauer, Design, Herstellkosten und Konkurrenzfähigkeit von Produkten.

5.5 Beschichten

5.5.3

177

Vorbehandlung

Die Vorbehandlung bildet die Grundlage für die Korrosionsbeständigkeit der anschließenden Beschichtung, sowohl bei metallischen als auch bei organischen Schichtaufbauten [KLE09]. Die Vorbehandlung lässt sich in drei Gruppen einteilen: Entfernen von Korrosionsprodukten, Zunder usw., Reinigen und Entfetten und Erzeugung von Konversionsschichten.

Entfernung von Korrosionsprodukten, Zunder usw. Hier werden vorwiegend mechanische Verfahren wie Strahlen, Bürsten, Schleifen oder Polieren sowie chemische Verfahren, z. B. Beizen mit Säuren, eingesetzt. Als Strahlmittel werden z. B. Stahlkies, Stahldrahtabschnitte, Aluminiumgranulat (metallische Produkte), Korund, Siliciumkarbid, Glasperlen und Quarzsand (nichtmetallische Produkte) angewendet. Durch das Strahlen wird eine fettfreie, aktivierte Oberfläche erzeugt. Zum Erzielen einer guten Lackhaftung sollte die Beschichtung unmittelbar nach dem Strahlen erfolgen. Das Strahlverfahren kann mit drucklu:ftbetriebenen Pistolen manuell oder mit Schleuderrädern in fest installierten Strahlkabinen automatisch durchgeführt werden. Als Beizen wird in der Metall-Oberflächenbehandlung allgemein das chemische Entzundern und Entrosten durch Mineralsäuren bezeichnet. Zur Behandlung von Stahl kommen vorwiegend saure Beizen wie Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure zum Einsatz; Aluminium- und Zinkwerkstoffe können sowohl in saurer als auch in alkalischer Lösung gebeizt werden. Durch Zugabe von Tensiden kann den Beizbädern zusätzlich eine begrenzte entfettende Wirkung verliehen werden.

Reinigen und Entfetten Den meisten Werkstücken aus dem Fertigungsprozess haften Fettreste, Schmier- und Korrosionsschutzöle, Staub, Schleif- und Poliermittel an. Diese Verunreinigungen müssen vor einer Beschichtung entfernt werden. Die Entfettung kann alkalisch, neutral oder sauer erfolgen, wobei die Tendenz besteht, die sauren und alkalischen Mittel durch annähernd neutrale (so genannte mildalkalische) Entfettungsmittel mit höherer Konzentration an Netzmitteln und Tensiden zu ersetzen. Der Vorteil ist hierbei eine wesentlich einfachere und wirtschaftlichere Abwasserbehandlung (Bild 5.107). Spritzreinigungsanlagen werden abhängig von den Produktionsstückzahlen als getaktete Kammer- oder als Durchlaufanlagen ausgeführt. Das Behandlungsmedium wird unter Druck (0,82,0 bar) in Form von Flachstrahl- oder Runddüsen auf die Werkstückoberfläche gespritzt. Die chemische Wirkung wird durch die mechanische (kinetische) Energie des Behandlungsmediums unterstützt, sodass bei Spritzverfahren wesentlich kürzere Behandlungszeiten notwendig sind. Tauchanlagen sind für schwer zugängliche Oberflächen, wie z. B. Innenseiten von Kesseln oder Profilen geeignet. Da während des Behandlungsprozesses keine Verdüsung des Mediums erfolgt, ist der Energiebedarfvon Tauchanlagen geringer. Die Ultraschallreinigung wird in Tauchanlagen für wässrige oder organische Medien bei kompliziert geformten Werkstücken mit kleinen Abmessungen eingesetzt, z. B. in der feinmechanischen Industrie. Hierbei wird die Wirkung der Bäder wesentlich durch die auftretende mecha-

178

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

nische Bewegung unterstützt. Die quarzerregten Schwingplatten erzeugen im Medium ,,Mikround Makroturbulenzen", die eine bessere Durchdringung der ÖI- und Fettrückstände bewirken und auch schwer zugängliche Vertiefungen (z. B. Bohrungen) erreichen.

• Hauptbestandteile der Reiniger: Bullder (Geruststoffe) und Tenside • Säure oder alkalische Reiniger • Anwendung meist in Tauchbädem • Reinigungswirkung durch Temperatur und Badbewegung oder Ultraschall unterstützt • Anschließendes Spülen (Tauchen oder Spritzen) erforderlich • In industriellen Anlagen werden immer mehrere Relnlgungsschrltte eingesetzt (Bäder oder Sprilzzonen)

• I j , I , I I I

l

j , I I I j XI , I I , j "

Hydrophobe Pigmente (Ruß)

I "

I I , I I J

»/ / Hydrophile Pigmente (Oxide)

Umnetzen Emulgieren Dispergieren Verdrängen

JJ Späne

.J

0

Fette und Oie

0 Builder

,..oTenside

Bild 5.107: Grundprinzip des wässrigen Reinigungsprozesses

Erzeugung von Konversionsschichten Unter dem Begriff Konversionsschichten versteht man nichtmetallische, meist anorganische Schichten, die in der Regel durch chemische Reaktion einer wässrigen Behandlungslösung mit dem metallischen Untergrund erzeugt werden, einen guten Haftgrund für die nachfolgende Lackierung darstellen sowie eine korrosions-hemmende Wirkung aufweisen. Das Phosphatieren von Oberflächen aus Eisen, Zink und deren Legierungen sowie einigen Alurniniumlegierungen dient zur Erhöhung der Haftung von Lackschichten und zur Verbesserung des Korrosionsschutzes. Die Phosphatschicht haftet sehr gut auf dem Substrat, da die gebildete Schicht direkt auf das Metallgitter des Grundrnaterials aufkristallisiert. Eisenphosphatieren ist ein kostengünstiges Verfahren; die Phosphatierlösungen bestehen aus sauren Alkaliphosphaten, freier Phosphorsäure sowie geringen Mengen an weiteren Zusätzen. Die erzeugbaren Konversionsschichten sind mit 0,5--0,8 um sehr dünn. Zur Bildung ausreichender Schichten sind 60-120 Sekunden im Spritzverfahren bzw. 3-5 Minuten im Tauchverfahren bei Arbeitstemperaturen von 40-60 "C erforderlich. In der Praxis gibt es für die Eisenphosphatierung zwei Verfahren:

•

Reinigung und Eisenphosphatierung erfolgen in zwei Schritten mit Zwischenspülung. Das Verfahren hat den Vorteil, dass bei schwierigen Reinigungsaufgaben saure oder alkalische Entfetter eingesetzt werden können, erfordert aber kostenintensive Anlagen mit vielen Zonen und eine aufwendige Abwasseraufbereitung.

5.5 Beschichten

•

179

Entfetten und Eisenphosphatieren erfolgen mit einem so genannten Kombimittel in einem Arbeitsgang. Bis auf wenige Anwendungsfälle hat sich in letzter Zeit das Kombiverfahren durchgesetzt. Durch die platzsparende Anlagentechnik und einfachere Abwasseraufbereitung sind die Betriebskosten im Vergleich zum getrennten Verfahren erheblich geringer.

Eisenphosphatschichten finden hauptsächlich bei Produkten für Innenräume Anwendung, die also keiner extremen Korrosionsbeanspruchung ausgesetzt sind. Zinkphosphatschichten sind kristalline Schichten, die sich auf blanken Metalloberflächen bilden. Ausgelöst wird das Kristallwachstum durch Keime, z. B. Nickel oder Kupferabscheidungen auf der Werkstückoberfläche. Die Keimbildung kann auch durch ein vorgeschaltetes Aktivierbad verbessert werden. Der Schichtaufbau kommt zum Stillstand, wenn keine freie Metalloberfläche mehr vorhanden ist. Das Flächengewicht der erzeugten Schichten beträgt zwischen 1--6g/m 2 , wobei beim Tauchen meist dickere Schichten als beim Spritzverfahren erzielt werden. Ausreichende Schichten werden in 30-180 Sekunden im Spritzverfahren und 5-20 Minuten im Tauchverfahren bei Temperaturen von 50-75°C erreicht. Bei der Zinkphosphatierung fällt Schlamm an, der sich am Boden der Prozessbadbehälter absetzt und mittels einer dreistufigen Entwässerung durch Schrägklärer, Eindicker und Filterpresse abgetrennt wird. Die Zusammensetzung des Prozessbades bleibt durch automatisch zudosierte Zusätze konstant. Dadurch haben Zinkphosphatierbäder eine jahrelange Standzeit. Die Zinkphosphatierung schneidet hinsichtlich der technologischen Eigenschaften und des Korrosionsschutzes wesentlich besser ab als die Eisenphosphatierung. Lackierungen auf Zinkphosphatschichten genügen den hohen Anforderungen eines Außeneinsatzes. Die Trikationenphosphatierung mit den Kationen Zn 2+, Ni 2+, Mn 2+ kann als NiedrigtemperaturSpritzverfahren bei 20-55 °C für Stahloberflächen angewendet werden. Da dichte, feinkristalline Schichten erzeugt werden, dient das Verfahren als Haftgrund für besonders anspruchsvolle Lackierungen.

Nanokeramische Konversionsschichten Als Alternative zu Phosphatierungen werden zunehmend nanokeramische Schichten auf gereinigten Stahl-, Zink- oder Aluminiumoberflächen eingesetzt. Bisher durchgeführte Korrosionsprüfungen zeigen, dass nanokeramische Schichten einen besseren Korrosionsschutz im Vergleich zur Eisenphoshatierung erreichen. Es entstehen wirtschaftliche Vorteile: • • •

keine Aufheizung der Bäder, dadurch Einsparung an Energie die Durchlaufzeit für die zu behandelnden Teile beträgt nur noch rund 20 Sekunden keine nachfolgende Passivierung erforderlich

Als weiterer Vorteil müssen weder Phosphate noch giftige Schwermetalle entsorgt werden. Es fällt weniger Schlamm an, wodurch der Aufwand für Abwasserbehandlung, Entsorgung, Anlagenreinigung und -wartung deutlich reduziert wird.

Chromatieren Von Chromatieren spricht man, wenn Metalloberflächen, meistens Aluminiumlegierungen, mit Chrom(Vl)-haltigen Lösungen behandelt werden. Man unterscheidet zwischen Gelb-, Grünund Transparentchromatierung. Beim Chromatieren liegt das Flächengewicht zwischen 0,1 bis 0,5 glm2 • Die Temperaturbeständigkeit dieser Schichten ist mit ca. 150°C begrenzt. Durch die

180

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Anwesenheit von Cr(VI)-Ionen muss das Abwasser einer Entgiftung unterworfen werden. Reduktion mit Sulfit zum dreiwertigen Chrom und anschließendes Ausfallen des Hydroxides Cr(OH)3 mit Kalkmilch ist das gebräuchlichste Verfahren. Im Hinblick darauf ist es notwendig, die Entwicklung alternativer Konversionsverfahren vo-

ranzutreiben.

Passivieren Die Eigenschaften von Phosphatschichten lassen sich durch Anwendung einer passivierenden Nachspülung verbessern. Hierzu werden Nachspülmittel auf der Basis von Chrom(VI) Chrom(III) und Chrom(IV) sowie bereits auch chromsäurefreie Lösungen eingesetzt. Zur Passivierung von Stahl und Gusseisen im Hinblick auf einen temporären Korrosionsschutz finden spezielle Korrosionsschutzmittel Anwendung. Die Produkte sind ölfrei und werden Reinigungs- oder Spülbädem zugesetzt. Die entstehende Schicht ist überlackierbar, die behandelten Teile können somit vor dem Lackierprozess zwischengelagert werden.

5.5.4

Einteilung

Die Beschichtungsverfahren werden in der fünften Hauptgruppe der DIN 8580 beschrieben. Die Unterteilung der Verfahren erfolgt hierbei nach dem unmittelbar vor dem Beschichten herrschenden Zustand des formlosen Beschichtungsstoffes. Die folgenden Unterkapitel bieten einen Einblick in fertigungstechnisch eingesetzte Verfahren, indem die ablaufenden Wirkzusammenhänge physikalischer, chemischer, thermischer sowie mechanischer Art dargestellt werden. Häufig werden Verfahren wie das Plattieren, Furnieren oder Aufkleben von Folien zu den Beschichtungsverfahren gezählt. Da hierbei die Schicht jedoch nicht aus formlosem Stoff erzeugt wird, sondern als ein geometrisch bestimmter Körper mit dem Werkstück verbunden wird, gehören diese Verfahren in die Hauptgruppe 4, das Fügen. 5.5.4.1

Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand

Bei der Beschichtung aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand werden dünne Schichten durch Deposition atomarer Teilchen auf einem Substrat erzeugt. Aufgrund der großen Vielfalt möglicher Schichtwerkstoffe und der erzielbaren Effekte hat die Dünnschichttechnologie eine weite Verbreitung in der Technik gefunden. Als Schichtwerkstoffe werden Metalle, Legierungen, Sulfide (z. B. MoS 2) , Oxide (z. B. Ah03), Karbide (z. B. TiC, SiC), Nitride (z. B. TiN) und viele andere hochschmelzende Verbindungen eingesetzt. Die Beschichtungen können auf Metallen, Kunststoffen, Glas, Keramik und Halbleiterwerkstoffen erfolgen. Ihre wichtigsten Einsatzgebiete sind in der Elektronikindustrie die Herstellung von Halbleiterbauelementen, in der optischen Industrie die Vergütung optischer Elemente und im Werkzeug- und Maschinenbau die Erzeugung von Verschleißschutzschichten und Schichten mit niedrigem Reibwert. Die inzwischen zahlreichen Beschichtungsverfahren lassen sich nach Art der Überführung des Schichtwerkstoffes in den gasförmigen Zustand, nach den Stofftransportvorgängen und nach dem Schichtbildungsmechanismus in zwei Gruppen einteilen, in die PVD- und die CVDVerfahren. Bei den PVD-Verfahren (PVD: Physical Vapor Deposition) erfolgt die Beschich-

5.5 Beschichten

181

tung durch Verdampfung (Sublimation) eines in festem Zustand vorliegenden Werkstoffes und die anschließende Kondensation auf dem Werkstück. Bei den CVD-Verfahren (CVD: Chemical Vapor Deposition) wird das Werkstück meist einem Metallhalogenid oder anderen Gasen ausgesetzt. Die Schicht bildet sich durch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Werkstückes [WAR89]. Eine scharfe Trennung zwischen den beiden Verfahrensgruppen kann nicht vorgenommen werden, da bei manchen Verfahren Merkmale beider Gruppen auftreten. In Bild 5.108 ist die Funktionsweise einiger Dünnschichtverfahren dargestellt.

-=-

Pumpstutzen

Aufdampfen

Kathodenzerstäuben (Sputtern)

PlasmapolymerisatIon

Bild 5.108: Prinzipielle Darstellung einiger PVD- und CVD-Verfahren [MEN88]

PVD-Verfahren Zu den wichtigsten PVD-Verfahren wird das Aufdampfen im Hochvakuum, das Kathodenzerstäuben und das Ionenplattieren gezählt [MEN88, BEN89, BAUE88, EBN95, BAC04]. Der Vorgang des Aufdampfens findet in einem Rezipienten (Behälter, der evakuiert werden kann) statt, der auf einen Druck von weniger als 10-3 Pa evakuiert wird. Der Schichtwerkstoff wird durch Energiezufuhr (Widerstandsbeheizung, Elektronenstrahlverdampfer) auf eine Temperatur erhitzt, bei der er verdampft. Die thermisch erzeugten Atome bewegen sich geradlinig zum Substrat, an dem sie kondensieren und die Beschichtung bilden (Bild 5.108). Das Hochvakuum ist erforderlich, um Kollisionen der schichtbildenden Atome, die eine relativ niedrige kinetische Energie besitzen, mit Restgasatomen zu verhindern (die mittlere freie Weg-

182

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

länge der Atome muss größer sein als der Abstand der Verdampfungsquelle vom Werkstück) und um die hohen Verdampfungstemperaturen von Metallen abzusenken. Aluminium besitzt bei einem Druck von 0,1 Pa eine Verdampfungstemperatur von 1060 "C, bei Umgebungsdruck beträgt die Verdampfungstemperatur 2447 "C, Durch Aufdampfen können Metalle, Glas, Keramik und Kunststoffe beschichtet werden. Bei Kunststoffen, die leicht flüchtige Weichmacher oder Wasser enthalten, können Schwierigkeiten durch die Verdampfung dieser Bestandteile im evakuierten Rezipienten entstehen. Die Erzeugung von Legierungsschichten erfordert besondere Maßnahmen (z. B. zwei Verdampfungsquellen), da sich Legierungen, die aus dem festen Zustand verdampft werden, durch die unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen ihrer Elemente trennen. Die Haftung der aufgedampften Schichten ist, bedingt durch die niedrige Energie der Schichtatome, verhältnismäßig gering. Die Abscheidungsraten sind dagegen relativ groß und können bei ElektronenstrahlVerdampfern bis zu 1 um/s betragen. Das Verfahren wird zum Beschichten von Scheinwerferreflektoren mit Aluminium (nachfolgende Korrosionsschutzschicht erforderlich), zum Herstellen von Filtern, Spiegeln, Widerstandsschichten bei Dünn:filmnetzwerken und zum Vergüten optischer Elemente eingesetzt. Für Beschichtungen, die einer stärkeren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind, wird das Kathodenzerstäuben (Sputtern) eingesetzt. Im Rezipienten befmden sich auf einer als Kathode geschalteten Elektrode der Schichtwerkstoff (Target) und, in einem Abstand von wenigen Zentimetern, das zu beschichtende Substrat. Der Rezipient wird mit einem Edelgas gefüllt (meist Argon mit einem Druck von 1 Pa). Beim Anlegen einer Spannung von einigen kV kommt es zu einer Gasentladung, in der die Argonatome zu positiv geladenen Ionen ionisiert werden. Diese Ionen werden in die Richtung des Targets beschleunigt und schlagen dort neutrale Atome oder Moleküle aus der Oberfläche heraus. Die emittierten Teilchen besitzen im Vergleich zu thermisch erzeugten Atomen eine 10- bis 1000-fache kinetische Energie und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat zu, an dem sie kondensieren. Durch Zumischen eines Reaktionsgases können Oxid- und Nitridschichten erzeugt werden (Bild 5.108 und Bild 5.109). Vakuumanzeige

DC oder RF Elektrode ~~=:::j Mass-FlowController

Ar

Gasversorgung

Wasserkühlung

Bild 5.109: Prinzipdarstellung des Sputtems samt wichtiger Anlagenkomponenten

5.5 Beschichten

183

Die Vorteile des Verfahrens sind die gegenüber dem Aufdampfen wesentlich bessere Schichthaftung durch die höhere kinetische Energie der Teilchen, geringe Substrattemperaturen und die Möglichkeit, hochschmelzende Werkstoffe (z. B. Wolfram, Tantal, Keramik) zu zerstäuben. Legierungen behalten während des Zerstäubens ihre Zusammensetzung bei; chemische Verbindungen werden stöchiometrisch zerstäubt. Die Abscheidungsraten sind jedoch wesentlich niedriger (bis 4 um/min) als beim Aufdampfen. Durch Umpolung der Elektroden kann der zu beschichtende Werkstoff in einem ersten Zerstäubungsvorgang gereinigt werden. Das Kathodenzerstäuben wird zum Metallisieren von Architekturglas und optischen Elementen sowie zur Herstellung von Solarzellen, integrierten Schaltungen und Verschleißschutzschichten (z. B. TiN, MoS z) eingesetzt. Das Ionenplattieren, ein relativ neues PVD-Verfahren, verbindet die Vorzüge des Aufdampfens und Sputterns, wie hohe Beschichtungsraten und große Haftfestigkeit. Der Rezipient wird evakuiert und mit Argon bis zu einem Druck von 5 Pa gefüllt. Die thermisch erzeugten Atome des Beschichtungswerkstoffes durchlaufen das Argon-Plasma (Gasentladung), in dem sie ionisiert werden, und kondensieren auf der Werkstückoberfläche. Durch Zumischen eines Reaktionsgases und aufgrund der hohen kinetischen Energie der auftreffenden Ionen können außerordentlich harte Schichten (z. B. Titannitrid, -karbid, -karbonitrid) erzielt werden. Das Ionenplattieren wird hauptsächlich zur Beschichtung von spanenden Werkzeugen eingesetzt. Die Standzeit der Werkzeuge wird dabei gegenüber nicht beschichteten Werkzeugen um den Faktor 4 bis 10 erhöht.

CVD- Verfahren Bei den CVD-Verfahren werden plasmaaktivierte (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) und thermisch aktivierte Verfahren unterschieden [WAR89]. Die Plasmapolymerisation ist ein Spezialfall der plasmaaktiven Abscheidung aus der Gasphase, bei der organische Gase (Monomere) zur Anwendung kommen. Die Deposition findet in einem Rezipienten bei einem Arbeitsdruck zwischen 10-1-10 z Pa statt. In der Anlage befinden sich zwei Elektroden, an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird. Dadurch wird eine Gasentladung angeregt, in der die im Rezipienten befindlichen Monomere zu Radikalen zerlegt und ionisiert werden. Diese Fragmente kondensieren auf dem Werkstück und vernetzen unter dem Einfluss der energiereichen Elektronen und Photonen aus der Gasentladung zu einer Polymerschicht mit starker duroplastischer Verzweigung (polymerisationsgrad), die mit konventionellen Methoden der Kunststoffherstellung nicht erreichbar ist (Bild 5.108). Je nach Wahl der Ausgangsmonomere und der Depositionsparameter lassen sich Kunststoffschichten mit polymer- bis keramikähnlichen Eigenschaften herstellen. Die Abscheidungsrate beträgt bis zu I um/min; die Schichtdicken können bis über 20 um erreichen. Im Gegensatz zu thermisch aktivierten CVD-Prozessen werden bei der Plasmapolymerisation die Substrate kaum thermisch beansprucht. Mit der Plasmapolymerisation können Werkstücke mit Schichten versehen werden, die beständig gegen organische Lösemittel sind, einen sehr guten Korrosionsschutz bieten, elektrisch isolierend sind und sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Das Verfahren wird bei der Herstellung von Isolationsschichten für elektrische Schaltkreise, als Korrosionsschutz auf Metalloberflächen, zur Beschichtung von Textilfäden und Metallfolien sowie zur Herstellung von Kondensatoren angewandt.

184

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Bei den thermisch aktivierten CVD- Verfahren werden die zu beschichtenden, auf Temperaturen von 800-1100 °C aufgeheizten Werkstücke in einem Rezipienten von den gasförmigen Ausgangsstoffen (Edukten) zusammen mit einem Trägergas umströmt. Die Reaktanden werden unter Einbeziehung der Oberfläche zur Reaktion gebracht und bilden dabei feste Schichten auf dem Substrat. Die erzeugten Schichten können aus Verbindungen wie z. B. Me.C, (Me: Metall), MexNy, MexBy, NbC, W2C, B4C, SiC, Ah03, BN, ShN4 usw. bestehen [PET89]. Die Vorteile der thermisch aktivierten CVD-Technik gegenüber den PVD-Verfahren liegen in der großen Vielfalt der möglichen Edukte und der daraus resultierenden Anzahl verschiedenartiger Schichten, in der gleichmäßigeren Beschichtung auch komplizierter Geometrien durch bessere Streuung sowie in der meist besseren Haftung, da die Schichten durch chemische Reaktionen gebildet werden. Nachteilig wirken sich die bisher noch hohen Temperaturen aus. Die thermisch aktivierten CVD-Verfahren werden hauptsächlich im Bereich des Verschleißschutzes und in der Mikroelektronik zur Herstellung von Halbleitern eingesetzt. 5.5.4.2

Beschichten aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand

Für den industriellen Einsatz wurden die verschiedensten Verfahren des Beschichtens aus dem flüssigen, breiigen und pastenförmigen Zustand entwickelt. Die wichtigsten und am weitesten verbreiteten in dieser Gruppe sind die Lackierverfahren. Die weiteren Verfahren, wie z. B. das thermische Spritzen und Emaillieren, werden im Folgenden nur kurz angesprochen. Verfahren wie das Elektrotauchlackieren finden sich in der Untergruppe Beschichten aus dem ionisierten Zustand (Kapitel 5.5.4.3) wieder. Ebenso verhält es sich mit dem Pulverlackieren bzw. Pulverbeschichten. Dieses Verfahren rechnet man dem Beschichten aus dem festen Zustand zu. Lackieren

Lackieren bezeichnet die Herstellung einer zusammenhängenden Beschichtung (Lackfilm) mit einem Beschichtungsstoff (Lack) auf der Basis organischer Bindemittel [DIN 55 945]. Für die unterschiedlichen Grundwerkstoffe und Qualitätsanforderungen sind zahlreiche Lacksysteme erforderlich. Jedes Lackmaterial besteht aus einer Vielzahl von Komponenten, die sich in vier Gruppen einteilen lassen (Bild 5.110): • • • •

Filmbildner (meist Kunstharze), Farbmittel (Pigmente, Farbstoffe) und Füllstoffe, Hilfsstoffe (Additive, flüchtig und nichtflüchtig) und Lösemittel (organisch und/oder Wasser).

Filmbildner sind der wichtigste Bestandteil von Lacken. Sie bestehen hauptsächlich aus synthetischen Harzen wie z. B. den Alkyd-, Polyamid- und Polyurethanharzen. Im flüssigen Lack können sie gelöst oder als fein verteilte bzw. disperse Phase vorliegen. Filmbildner bestimmen weitgehend das Verhalten des flüssigen Lackes, seinen Filmbildungsmechanismus (physikalische Trocknung oder chemische Vernetzung) und die Schichteigenschaften wie Haftfestigkeit, Härte, Elastizität und Abriebfestigkeit. Zusammen mit den nichtflüchtigen Hilfsstoffen bilden die Filmbildner das Bindemittel. Mit Ausnahme von Weichmachern werden Hilfsstoffe den Lacken nur in kleinen Mengen zugegeben. Sie haben bereits bei kleinen Konzentrationen erhebliche Wirkungen. Sie erleich-

5.5 Beschichten

185

tern das Dispergieren der Pigmente, unterdrücken ihre Neigung zum Absetzen, beeinflussen das Fließverhalten des Lackmaterials beim Auftragen, beschleunigen die Aushärtung und erhöhen den Glanz. Farbmittel sind für die Farbgebung und Deckkraft der Beschichtung wesentlich. Sie werden in Pigmente und Farbstoffe unterteilt. Pigmente sind anorganische oder organische Stoffe, die im Anwendungsstoff (Lack) praktisch unlöslich sind, während Farbstoffe lösliche organische Farbmittel darstellen. Füllstoffe sind im Anwendungsstoff unlösliche organische oder anorganische Substanzen (z, B. Kaolin, Schwerspat, Kreide), die zur Veränderung des Volumens und zur Erzielung oder Verbesserung technischer und optischer Eigenschaften dienen. Pigmente und Füllstoffe entfallen bei Klarlacken; teilweise werden transparente Füllstoffe eingearbeitet, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

flüchtige Hilfsstoffe

Farbmittel und Füllstoffe

Bild 5.110: Zusammensetzung von Lacken

Lösemittel (auch Lösungsmittel) lösen bzw. verteilen die Binde- und Farbmittel sowie die Hilfsstoffe. Sie sind für die Verarbeitungseigenschaften und den Verlauf verantwortlich und verdunsten bei der Filmbildung aus dem aufgetragenen Lackfilm. Reaktive Lösemittel werden bei der Filmbildung durch chemische Reaktion ein Bestandteil des Bindemittels und verlieren dadurch ihre Eigenschaft als Lösemittel [GOL84, GR009]. Die Kriterien zur Einteilung der verschiedenen Lacksysteme sind u. a.: Art der Zusammensetzung (Benennung nach Art des Bindemittels oder Lösemittels), Beschaffenheit (z. B. Pulverlack), Auftragsverfahren (Spritzlack, Tauchlack), Filmbildung (Einbrennlack, Zweikomponenten-Reaktionslack), Glanzgrad (Hochglanzlack, Mattlack), Effekt (Schrumpflack), Anwendung (Vorlack, Decklack), Verwendung (Holzlack) und zu beschichtendes Objekt (Fensterlack, Bootslack). Die Lacksysteme, die heute noch überwiegend zur Anwendung kommen, bestehen zu 40-70 % aus organischen Lösemitteln und zu 30-60 % aus Bindemitteln, Farbmitteln und Hilfsstoffen. Neben den Qualitätsanforderungen wird die Entwicklung neuer Lackmaterialien und Beschichtungsverfahren vor allem durch Umweltschutzauflagen vorangetrieben. Bei den Lacken konzentrieren sich die Entwicklungen auf wässrige, festkörperreiche (lösemittelarme) oder lösemittelfreie Lacksysteme.

186

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Bei den wässrigen Lacksystemen (sog. Wasserlacke) muss nach wasserlöslichen Materialien und wasserverdünnbaren Dispersionen unterschieden werden. Ein Vertreter der wässrigen Lacksysteme sind auch die Elektrotauchlacke. Die meisten Wasserlacke enthalten einen geringen Anteil organischer Lösemittel. Besondere Vorkehrungen sind bei der Verarbeitung mit elektrostatischer Aufladung zu beachten. Festkörperreiche Lacke (sog. high-solid-Lacke) entstehen durch die Anhebung des Festkörperanteils, d. h. durch die Reduzierung des Lösemittelanteils über eine Reduzierung der Molmassen der Harze. Sie werden als Einkomponenten- (65-70 Gew.-% Festkörperanteil) und Zweikomponenten-Systeme (75-80 Gew.-% Festkörperanteil) formuliert. Bei den lösemittelfreien Lacken wird zwischen Pulverlacken und strahlenhärtenden Systemen unterschieden. Bei den strahlenhärtenden Lacken werden die als Monomere vorliegenden Bindemittel durch Einwirkung von UV- Strahlen polymerisiert [KRA09]; dabei werden bei dem sogenannten 100%igen UV-Lackieren die Lösemittel (Styrol) in die Bindemittelmatrix mit einpolymerisiert.

Lackieren durch Tauchen Beim Tauchlackieren werden die Werkstücke in den Lack eingetaucht und, nachdem sie benetzt sind, mit definierter Geschwindigkeit wieder herausgezogen. Der Lack haftet an der gesamten Oberfläche, bei offenen Hohlräumen auch an den Innenflächen, und wird danach wie bei anderen Lackierverfahren getrocknet. Das Tauchlackieren ist ein Verfahren, das sich vorwiegend für die Serienfertigung von Massengütern eignet. Da die Werkstücke vollständig in einen mit Lack gefüllten Behälter getaucht werden, müssen sie einige Voraussetzungen erfüllen: •

• • •

Damit die Werkstücke nicht aufschwimmen, sollte ihr Werkstoff eine größere Dichte als die des Lacks aufweisen. Ist dies nicht der Fall bzw. treten bei Hohlkörpern Auftriebskräfte auf, müssen die Werkstücke fest mit dem Transportsystem verbunden sein. Beim Eintauchen dürfen in offenen Hohlräumen keine Luftblasen verbleiben, weil dort sonst kein Lack abgeschieden wird. Beim Austauchen darf durch die Werkstücke kein Lack ausgeschöpft werden. Die Werkstücke müssen absolut sauber sein, da die eingeschleppten Verunreinigungen den Lack schädigen bzw. unbrauchbar machen können.

Bei Beachtung der genannten Voraussetzungen und einiger verfahrenstechnischer Maßnahmen (Nachdosierung, Verhinderung von Sedimentation durch Umwälzung, konstante Lacktemperatur) bietet das Tauchlackieren erhebliche Vorteile wie hohe Wirtschaftlichkeit, hohen Automatisierungsgrad, geringe Lackverluste und vollständige Beschichtung der Werkstücke. Es sind allerdings keine hohen dekorativen Qualitäten erreichbar, sodass dieses Verfahren nur für Grundierungen oder z. B. bei Beschichtungen von Landmaschinen eingesetzt wird [BAUM09].

Konventionelles Tauchlackieren Konventionelle Tauchverfahren, d. h. Tauchverfahren, bei denen keine Umwandlung des Bindemittels stattfindet, werden nach Art der verwendeten Lacke bzw. der Art der Lösemittel unterschieden. Beim Tauchen mit Lacken, die organische Lösemittel enthalten, muss die hohe Brandgefahr beachtet werden. Bei einer Lackoberfläche > 0,25 m2 sind Absaugungen, Löscheinrichtungen und Abdeckungen vorgeschrieben. Beim Tauchen mit Wasserlacken können die

5.5 Beschichten

187

Brandschutzmaßnahmen entfallen. Die entstehenden Dämpfe (Wasser, geringe Mengen organischer Lösemittel, Ammoniak: und Amine) sind, verglichen mit organischen Lösemitteldämpfen, physiologisch unbedenklich. Bei Umwälzung neigen Wasserlacke allerdings zum Schäumen und sind nur in einem bestimmten pH-Bereich stabil.

Elektrotauchlackieren (ETL) Da hier die Lackpartikel in Ionenform im Trägermedium vorliegen, handelt es sich um eine Beschichtung aus dem ionisierten Zustand. (siehe Kapitel 5.5.6)

Lackieren durch Zerstäuben Die Zerstäubung von Flüssigkeiten kann mithilfe verschiedener physikalischer Effekte erfolgen (Bild 5.111). In der Lackiertechnik werden zwei Zerstäubungsprinzipien, die Zerstäubung durch mechanische Kräfte und die Zerstäubung durch elektrische Feldkräfte, eingesetzt. Bei den mechanischen Zerstäubungsverfahren können die entstehenden Lacktröpfchen zur Erhöhung des Festkörpemutzungsgrades (Verhältnis aus abgeschiedener und zerstäubter Festkörpermasse des Lackmaterials) zusätzlich elektrostatisch aufgeladen werden. In diesem Fall werden die Verfahren auch als Sprühen bezeichnet.

• • •• • • • •• • pneumatische Zerstäubung durch Außenmischung mit Hilfsgas

Zerstäubung durch Zentrifugalkräfte

• • ••• • • ••

•

hydraulische Zerstäubung (airless)

Zerstäubung durch Elektrische Kräfte

F=Q·E

F=m-w2'r

Bild 5.111: Zerstäubungsmechanismen

Die mechanische Zerstäubung des Lackmaterials beruht auf der Wirkung von Staudruckkräften auf die Flüssigkeitselemente infolge Relativbewegung zwischen Lack und Umgebung [OND09]. Die Relativbewegung kann durch eine Luftströmung (Druckluftzerstäubung), durch einen Lackstrahl hoher Geschwindigkeit in einer ruhenden Umgebung (Airless-Zerstäubung), durch eine Kombination beider Verfahren (Airless-Zerstäubung mit Luftunterstützung) oder durch auf das Lackmaterial wirkende Massenkräfte (Hochrotationsverfahren) herbeigeführt werden.

188

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

0,8 - 1,5 mm Düsendurchmesser für hochwertige Decklackierungen

DetailA

rzi!l Luftkopf l"i:'SJ Lackdüse IIIIIIII Druckluft

c:::J Lackmaterial

Druckluftzerstäuberkopf

~~~~~~~

r:z;jj

Luft-Ringspalt

®

Luft-5leuerbohrung

@ Flachslrahlbohrung

Lackdüsenhallerung

,18-0,66mm äquivalenter Düsendurchmesser für hochwertige

IS:SI Lackdüse; Hartmetalleinsatz

Decklackierungen

c:::J Lackmaterial

Airless-Zerstäuberkopf

DetailA

0,23 - 0,41 mm äquivalenter Düsendurchmesser für hochwertige Decklackierungen llZI Luftkopf

!i:'5J Lackdüse IIIIIIII Druckluft

rrm

Lackmaterial Lackdüse, Hartmetallelnsatz

lS2SJ Lackdüsenhallerung Airless-Zerstäuberkopf

Lack-Schlitzdüse

mit Luftunterstützung

®

Luftbohrung

Bild 5.112: Schnitt durch unterschiedliche Zerstäuberköpfe

Bei der DruckluJtzerstäubung strömt die Zerstäubungs1uft aus einer ringförmigen Öffnung, die durch eine Bohrung im Zerstäuberkopf (Luftkappe) und der darin zentrisch angeordneten Lackdüse gebildet wird (Bild 5.112). Zur Regulierung der Spritzstrahlform dienen Luftstrahlen aus umliegenden Bohrungen und aus Flachstrahl- (Hornluft-) Bohrungen. Die aus diesen Bohrungen ausströmende Luft formt einen Spritzstrahl mit annähernd kreisförmiger, senkrecht zur Strahlachse liegender Grundfläche zu einem Strahl mit elliptischer Grundfläche. Die Druckluft wird durch Kompressoren oder Schaufelradgebläse erzeugt. Das Lackmaterial wird je nach Mengenbedarf, Viskosität und Spritzgeräteart (Hand- oder Automatikpistole) durch unterschiedliche Fördersysteme zugeführt. Der Lackstrom kann durch eine Düsennadel (in Bild 5.112 nicht dargestellt) von Hand oder automatisch geschaltet werden.

5.5 Beschichten

189

Der Nachteil der Druckluftspritztechnik sind die hohen Lacknebelverluste. Bei ungünstigen Werkstücken (filigrane Teile) können sie bis zu 95 % betragen, bei großen Flächen liegen sie immer noch bei etwa 50-60 %. Demgegenüber stehen Vorteile wie eine sehr gute Schichtqualität, einfache Handhabung und universelle Einsetzbarkeit. Vor diesem Hintergrund erlangt das Niederdruckspritzen eine zunehmende Bedeutung. Die entsprechenden Spritzgeräte werden als HVLP-Spritzpistolen (HLVP = high volume, low pressure, d. h. Verwendung hoher Spritzluft-Volumenströme mit niedrigen Drücken) bezeichnet. Diese verursachen verminderte Lacknebelverluste, hauptsächlich bedingt durch den geringen Feinanteil an Lacktröpfchen im Spritzstrahl. Lackeinsparungen bis ca. 20 % und mehr je nach Ausgangssituation gegenüber dem Hochdruck-Druckluftspritzen sind bei optimalem Einsatz des Verfahrens durchaus möglich. Bei der Airless-Zerstäubung mit separater Höchstdruck-Förderpumpe wird das unter hydrostatischem Druck (Druckbereich: 80--400 bar) stehende Lackmaterial durch eine Spaltdüse aus Hartmetall gepresst (Bild 5.112) und aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit zur ruhenden Umgebung zerstäubt. Die stationär oder mobil auslegbare Spritzausrüstung umfasst neben der Pistole einen Lackbehälter, eine Pumpe zur Lackförderung und -verdichtung sowie hochfeste Lackschläuche. Als Lackpumpen werden pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Kolben- oder Membranpumpen verwendet. Der Festkörpernutzungsgrad des Airless-Verfahrens ist, insbesondere bei großflächigen Teilen, wesentlich höher als bei der Druckluftzerstäubung und kann im Bereich von ca. 80 % liegen. Bei der Airless-Zerstäubung mit Luftunterstützung (Bild 5.112) wird das auf einen niedrigeren Druck als beim Airless-Spritzen verdichtete Lackmaterial durch dieselben Mechanismen zerstäubt. Zur Vermischung und Homogenisierung des Spritzstrahls wirken zusätzliche Luftstrahlen aus den Luftkappenbohrungen mit niedrigem Druck auf den Spritzstrahl ein. Die elektrostatischen Sprühverfahren weisen gegenüber dem Spritzlackieren ohne elektrostatische Aufladung folgende Vorteile auf: Die aufgeladenen Lacktröpfchen erfahren in dem zwischen Sprühorgan und Werkstück erzeugten elektrischen Feld eine auf das geerdete Werkstück gerichtete Kraft. Dies führt zu einem deutlich höheren Festkörpernutzungsgrad. Aufgrund des elektrostatischen Umgriffes werden auch vom Sprühorgan abgewandte Werkstückpartien mitbeschichtet. Die damit verbundene Einsparung von Lackmaterial und die geringere Umweltbelastung haben zu einer weiten Verbreitung der elektrostatischen Sprühverfahren in der Lackiertechnik gefiihrt [STR09]. Die elektrostatische Aufladung des Lackmaterials erfolgt durch ein sich an der Elektrode (mit angelegter Hochspannung) des Zerstäubers konzentrierendes elektrisches Feld hoher Feldstärke. Je nach Sprühsystem handelt es sich dabei um eine Leitungsaujladung (Kontaktaujladung) des noch nicht zerstäubten Lackmaterials beim direkten Kontakt mit der Elektrode oder um eine Ionisationsaujladung (Außenaujladung) , bei der die bereits erzeugten Tröpfchen durch Anlagerung freier Luftionen aufgeladen werden. In diesem Fall erzeugt die Elektrode als Koronaspitze die erforderlichen Luftionen. Der Transport der Lacktröpfchen erfolgt unter dem Einfluss der elektrischen Feldkräfte zum geerdeten Werkstück. Daraus ergibt sich der Umgriff als Vorteil neben auch unerwünschten Effekten wie Überbeschichtung mit Läufergefahr an

190

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Kanten und Ecken durch Feldkonzentration sowie eine unzureichende Beschichtung elektrisch abgeschirmter Bereiche (Faraday-Käfige). Bei der Abscheidung der Tröpfchen in unmittelbarer Werkstücknähe überwiegen die Coulombsehen Anziehungskräfte zwischen den Tröpfchenladungen und den im Werkstück influenzierten Spiegelladungen. Die beschriebenen Vorgänge sind in Bild 5.113 dargestellt. Die elektrostatische Applikation von Wasserlacken ist nur mit Druck1uft- und Air1esspisto1en (mit und ohne Luftunterstützung) sowie mit Hochrotationsverfahren möglich. Bedingt durch die hohe Leitfähigkeit der Wasserlacke würde über die Lackleitung zur geerdeten Lackversorgung ein elektrischer Kurzschluss auftreten. Um dies zu vermeiden, gibt es verschiedene anlagentechnische Lösungen: • • •

Isolierter Aufbau des gesamten Lackversorgungssystems (Automatik- und Handanlagen) Potenzialtrennung zwischen hochspannungsführendem Sprühorgan und geerdetem Lackversorgungssystem (Automatik- und Handanlagen) Elektrostatische Sprühsysteme mit außenliegenden Ionisationsaufladungs-Elektroden (Automatikanlagen)

Bei den rein elektrostatischen Sprühverfahren erfolgt die Lackzerstäubung ausschließlich durch elektrische Fe1dkräfte. Dazu muss der Lack als dünner Film über eine Hochspannung führende scharfe Kante geführt werden. Aufgrund des dort stark konzentrierten elektrischen Feldes bilden sich im Lackfilm kleine Erhebungen, aus denen im weiteren Verlauf Lackfäden herausschießen, die in aufgeladene Tröpfchen zerfallen. Der Transport zum Werkstück erfolgt ebenfalls ausschließlich durch die Feldkräfte. Es lassen sich nur Lacke mit nicht zu hoher Viskosität und mit einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit verarbeiten. Der Festkörpemutzungsgrad der rein elektrostatischen Verfahren ist sehr hoch und kann bis zu 99 % betragen. Die eingeschränkte Palette der einsetzbaren Lackmaterialien folgt aus der Forderung nach einem eng begrenzten Leitfähigkeitsbereich (nicht geeignet sind sowohl sehr gering leitende als auch hoch leitfähige Lacke, z. B. Wasserlacke). In Verbindung mit dem begrenzten Lackdurchsatz pro cm Sprühkantenlänge hat dies dazu geführt, dass die elektrostatisch zerstäubenden Verfahren heute nur noch in speziellen Fällen eingesetzt werden, insbesondere in Form des manuell geführten elektrostatischen Glockenzerstäubers zur farbnebelarmen Lackierung von Drahtwaren und filigranen Werkstücken wie kunstgeschmiedete Gitter, Metallstühle. Die erforderliche Hochspannung liegt im Bereich von ca. 90-160 kV. Je nach Ausbildung des Zerstäuberorgans werden drei Verfahren unterschieden: • • •

der elektrostatische Sprühspalt (AEG- Verfahren), die elektrostatische Sprühglocke und die elektrostatische Sprühscheibe.

Die Lackzerstäubung der elektrostatikunterstützten Verfahren erfolgt rein mechanisch. Die wichtigsten elektrostatisch unterstützten Zerstäuber sind Druckluftzerstäuber, die als Handund Automatikpistolen zum Einsatz kommen, und die elektrostatischen Hochrotationsglocken (Bild 5.114), die vor allem in der Automobi1industrie eine breite Anwendung finden.

5.5 Beschichten

191

geerdetes Werkstück

FaradayKäfig

Bild 5.113: Grundprinzip des elektrostatischen Sprühens [STR09a]

Luftzufuhr

Ringluftströmung

Lackzufuhr

rotierende Glocke

Lackfilm

Zerstäuberkante

Bild 5.114: Schnitt durch eine Hochrotationsglocke

Bei der Hochrotationsglocke wird das Lackmaterial aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit (Drehzahlen bis ca. 70000 l/min) zerstäubt. An der Kante der an Hochspannung liegenden Glocke lösen sich feine Fäden ab, die in Tröpfchen zerfallen. Die so entstehenden Lacktröpfchen werden aufgeladen. Der Transport zum Werkstück erfolgt durch Feldkräfte und eine Ringluftströmung, die gleichzeitig die Breite und Homogenität des Sprühstrahls reguliert. Bei

192

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

der Karosseriebeschichtung werden mehrere Zerstäuber so angeordnet bzw. mit Robotern bewegt, dass eine vollständige Beschichtung der vorbeifahrenden Karosserie möglich ist. Die Zerstäuber werden mit möglichst konstantem Abstand zur Karosserieoberfläche geführt. Die Hochspannung bei der Hochrotationszerstäubung liegt zwischen 70 und 120 kV, der mögliche Festkörpernutzungsgrad beträgt bis zu 95 %.

Alternativen zum Spritzlackieren zur automatisierten, selektiven Beschichtung Beim selektiven Beschichten soll die Funktiona1ität bzw. die Dekorativität nur dort erzeugt werden, wo sie gebraucht wird. Das Marktpotenzial für dieses Technologiefeld ist besonders groß, weil nicht nur örtlich begrenzte Beschichtungen erfolgen können, sondern auch sehr spezifische Oberflächenstrukturierungen (z. B. leitfähige, hydrophob, u. v. m.) und mehrfarbige Dekors (z. B. Embleme) darstellbar sind [HOF09]. Der Einsatz von Spritz1ackierverfahren verbietet sich hierbei meistens durch die zu geringe Ortsauflösung oder muss durch aufwändige Markierungsarbeiten ergänzt werden. Ziel neuer Entwicklungsarbeiten sind deshalb roboterführbare Applikationsmodule, mit denen Beschichtungen mit ausreichender Randschärfe reproduzierbar erzeugt werden können. Im Folgenden sind dazu einige Beispiele beschrieben: Ein vom Fraunhofer IPA weiterentwickelter Airbrush-Zerstäuber baut auf einem aus dem Fotound Grafikdesign stammenden Spritzwerkzeug mit einem sehr engen Spritzstrahl auf. Neu ist die Steuerung der Farbnadel über einen Linearantrieb und die reproduzierbare Versorgung mit Zerstäuberluft über ein Magnetventil. Die Lackversorgung erfolgt aus einem Druckbehälter oder einer Ringleitung. Die Zerstäuber liegen bei 0,5 bis 3 bar. Die Arbeitsgeschwindigkeit beträgt bis zu 400 mm/s. Die Spritzstrahlbreite kann je nach Beschichtungsstoff auf eine Breite von 2 mm begrenzt werden. Der Unschärfebereich liegt bei rund 30 % der Gesamtbreite des Spritzstrah1s. Beim Ultraschallzerstäuben ist die Tropfengröße des erzeugten Nebels im Wesentlichen von der Ultraschallfrequenz des Zerstäubers abhängig. Dadurch ist die Tropfengrößenverteilung in einem engen Bereich begrenzt, sodass der Overspray weitestgehend vermieden wird. Ein Luftstrom aus einem Ringspalt um die Zerstäuberdüse sorgt für den Transport des Lacknebels auf die zu beschichtende Oberfläche. Die Materialzufuhr zur Düse erfolgt durch eine externe Dosiereinheit. In der Regel werden hier Kolbendosiergeräte, die eine präzise Dosierung des Beschichtungsstoffes erlauben, eingesetzt. Die Trennung von Zerstäubung und Transport des Beschichtungsstoffes ermöglicht eine exakte Anpassung der einzelnen Parameter an die Anforderungen. Die Ultraschallzerstäubung eignet sich vor allem für niedrigviskose Materialien. Die aus dem Druckbereich bekannte Ink-Jet bzw. so genannte Drop-On-Demand-Technologie kann auf Roboter adaptiert werden. Das zu verarbeitende Material wird drucklos zu den Düsen am Druckkopf geführt. Durch ein Heiz- oder Piezo-Element in der Düse wird ein Druckimpuls erzeugt und das Material aus der Düse gespritzt. Erst in der Freiflugphase entsteht dann durch die Oberflächenspannung ein Tropfen. Es können Tinten oder niedrigviskose Klarlacke verarbeitet werden. Druckköpfe sind mit einer Düse oder mit z. B. 32 Düsen für Druckbreiten von 48 mm üblich. Mit Piezo-Ventilen werden über einige Millimeter frei fliegende Tropfen des Beschichtungsstoffes erzeugt, die dann zielgenau auf die Oberfläche auftreffen. Dazu wird der Beschichtungsstoff unter Druck zur Düse mit z. B. 0,2 mm Durchmesser geführt. Die Düse ist durch

5.5 Beschichten

193

eine Nadel, die mit einem Piezoelement gekoppelt ist, verschlossen und wird zur Erzeugung eines Tropfens kurzzeitig geöffnet. Die einzelnen Tropfen sind durch die Hubhöhe des PiezoElements und die Dosiereinheit steuerbar. Durch Aneinanderreihung werden Linien oder Flächen erzeugt. Die einzelnen Punkte haben je nach Material Durchmesser von bis zu 1 mm. Die Bewegungsgeschwindigkeit für geschlossene Linien liegt bei ca. 100 mm/s. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren können damit unterschiedlichste Beschichtungsmaterialien von niedrigviskos bis hochviskos verarbeitet werden. Die Erwärmung des Beschichtungsstoffes ist eine zusätzliche Stellgröße.

Emaillieren Beim Emaillieren handelt es sich im Gegensatz zum Lackieren um das Aufbringen von nichtmetallischen anorganisch-oxidischen Schichten. Die sogenannte Emaillierung wird hauptsächlich im Bereich der Lebensmittel- und chemischen Industrie sowie im Haushalts- und Sanitärbereich eingesetzt. Die geschlossene und hoch korrosionsbeständige Beschichtung ermöglicht dieses breite Einsatzgebiet. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Hitzebeständigkeit. Da die Emailschichten dem Glas zugeordnet werden, liegen auch hier die Nachteile in der Sprödigkeit des Schichtmaterials. Die industriell verwendeten Auftragsverfahren lehnen sich stark an Lackierverfahren an: • • • • •

Nass-Spritzauftrag, Nass-elektrostatisches Auftragen, Elektrotauchemaillieren, Elektrostatisches Pulverauftragen und Einbrennen.

Thermisches Spritzen Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufgeschmolzen. Die Spritzschichten können aus Spritzzusätzen im flüssigen oder plastischen Zustand aufgetragen werden. Die spezifischen Schichteigenschaften werden durch zusätzliche, thermische oder mechanische Nachbehandlung oder durch Versiegeln erreicht. Die Verfahren können nach DIN EN 657 nach Art des Energieträgers unterteilt werden: • • • • • •

Schmelzbadspritzen, Flammspritzen, Detonationsspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen und Laserspritzen.

In Bild 5.115, Bild 5.116 und Bild 5.117 sind drei Verfahren schematisch dargestellt (vgl. [LUG02]).

194

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Heizkörper

Bild 5.115: Schmelzbadspritzen Sprltzdrahl

BrenngasJ

Sauen;loff ~

1',

,~

,.,,~

V

V

~D

U~Zen;täUbergaS

~,j M

Heizflamme

2....

Sprilzslrahl

• ~•

.. .... ......... .........

~~"-~ Bild 5.116: Flammspritzen

Sprltzdrahl Kontaktierung

~•._ L 1 c h l .

Sprltzslrahl

'.:.,

....... ::::;':" ........ ........ ......... .......... .~:::~

'

Grundwerkstoff

Bild 5.117: Lichtbogenspritzen

::;..:..,::..... .:........... :....

bogen

5.5 Beschichten

5.5.4.3

195

Beschichten aus dem ionisierten Zustand

Die Gruppe "Beschichten aus dem ionisierten Zustand" wird nach Art der Energiezufuhr in die beiden Untergruppen galvanisches Beschichten und chemisches Beschichten eingeteilt. Bei allen Verfahren findet die Beschichtung der Werkstücke in Elektrolyten statt. Elektrolyte sind elektrische Leiter (in diesem Zusammenhang meist wässrige Metallsalzlösungen), deren Leitfähigkeit durch elektrolytische Dissoziation in Ionen zustande kommt. Beim galvanischen Beschichten ist eine äußere Gleichstromquelle erforderlich, bei den chemischen Verfahren erfolgt die Beschichtung entweder spontan durch den Unterschied der Normalpotentiale der Reaktionspartner oder mit einer begleitenden Oxidation eines Reduktionsmittels. Bei allen elektrolytischen Verfahren zur Metallabscheidung gilt der gleiche Reaktionsmechanismus, bei dem an der Kathode eine Reduktion der Metallionen durch Aufnahme von Elektronen gemäß Men+ + n . e'

~

Me

(5.7)

stattfmdet und an der Anode durch eine Oxidation Metallionen unter Abgabe von Elektronen gemäß Me ~ Men+ + n . e"

(5.8)

entstehen, sofern lösliche Anoden verwendet werden. Die zu beschichtenden Werkstückoberflächen müssen elektrisch leitfähig und chemisch rein sein. Deshalb ist in den meisten Fällen eine Vorbehandlung z. B. durch Strahlen, Schleifen, Bürsten, Polieren, Entfetten oder Beizen (Behandlung mit Säuren zur Entfernung von Oberflächenschichten wie Oxiden, Carbonaten, Silikaten und Sulfiden) notwendig. Nach dem Beschichten werden die Werkstücke gespült und getrocknet. Zusätzliche Behandlungen wie Chromatieren und Lackieren sind möglich.

Galvanisieren Beim Galvanisieren werden die als Kathode geschalteten Werkstücke an Gestellen oder als Schüttgut in Trommeln in ein elektrolytisches Bad (Metallsalzlösung) eingetaucht, in dem sich eine oder mehrere Anoden befinden (Bild 5.118).

Bild 5.118: Aufbau eines galvanischen Bades mit qualitativ dargestellter Schichtdickenverteilung auf dem Werkstück

196

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich im Elektrolyt ein elektrisches Feld, in dem sich die positiv geladenen Metallionen (Kationen) zum Werkstück bewegen und dort zu neutralen Metallatomen reduziert werden (innerer Stromkreis). Die Anionen (z. B. Säurerest) werden an der Anode oxidiert, wobei die abgegebenen Elektronen über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen. Die Metallionen werden entweder durch Auflösung der Anode oder durch Zugabe des Metallsalzes ergänzt. Die Eigenschaften galvanisch erzeugter Schichten wie Glanz, Härte, Verschleißfestigkeit, Haftfestigkeit usw. können durch die Elektrolytzusammensetzung und die Arbeitsbedingungen (Stromdichte, Badtemperatur, Badbewegung) in weiten Grenzen beeinflusst werden. Da sich das elektrische Feld an Ecken und Kanten des Werkstücks konzentriert, kommt es dort zu Überbeschichtungen, bzw. zu einer ungleichmäßigen Schichtdickenverteilung, die bei der Konstruktion galvanisch beschichteter Teile berücksichtigt werden müssen. Durch gezielte Anordnung der Elektroden und eine Abschirmung der überbeschichtungsgefährdeten Bereiche mit Blenden kann eine Verbesserung der Schichtdickengleichmäßigkeit bewirkt werden. Galvanisch hergestellte Schichten werden für dekorative Zwecke in der Sanitär-, Schmuckund Uhrenindustrie, als Verschleiß- und Korrosionsschutz (häufig als Mehrschichtsysteme mit Schichtfolgen von Kupfer, Nickel und Chrom) und in der Elektroindustrie eingesetzt. Im Karosseriebau finden elektrolytisch verzinkte Stahlbleche Verwendung. Sie werden als Stahlbreitband in Durchlaufanlagen ein- oder beidseitig mit Schichtdicken von bis zu 15 um beschichtet. Die Stahlbänder können bis zu 2 m breit sein, die maximalen Bandgeschwindigkeiten liegen über 200 mImin. Die erforderlichen Stromdichten betragen bis zu 200 Aldm2 [MEU90].

Anodische Oxidation Die anodische Oxidation dient zur Erzeugung von Oxidationsschichten auf verschiedenen Metallen, sie wird jedoch vorwiegend bei Aluminiumwerkstoffen zur Herstellung von Eloxalschichten (Eloxal: Elektrische Oxidation von Aluminium) angewandt. Dazu werden die Werkstücke in einen geeigneten Elektrolyten (z. B. Schwefelsäure- oder Oxalsäureelektrolyt) eingetaucht und mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle verbunden. Je nach Elektrolytzusammensetzung werden Aluminium-, Stahl- oder Bleikathoden verwendet. Durch die angelegte Spannung wird anodisch Sauerstoff gebildet, mit dem sich das Aluminium zu Aluminiumoxid umsetzt. Die Oxidschicht besteht aus faserförmigen, porösen Kristallen. Durch die Poren wird der Sauerstoffaustausch aufrechterhalten, sodass die Oxidschicht wachsen kann. Das Schichtwachstum und die Abnahme der Dicke des Grundmaterials sind Vorgänge, die von den Anodisierbedingungen und der Art des Elektrolyten abhängen. Die Oxidschichten können durch Einlagerung von Farbstoffen (Eloxalfarben) eingefärbt werden. Die Nachbehandlung der porösen, nach dem Anodisieren noch empfmdlichen Schichten erfolgt mit heißem, voll entsalzten Wasser oder Wasserdampf. Durch Aufnahme von Hydroxidionen werden die Poren verschlossen. Mithilfe der anodischen Oxidation werden dekorative und schützende Schichten auf Gerätegehäusen in der Unterhaltungselektronik, auf Gebäudefassaden und Fahrzeugaufbauten erzeugt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Hartanodisieren von Maschinenteilen wie Kolben, Zylindern und Getriebeteilen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit.

5.5 Beschichten

197

Elektrolytische Tauehabscheidung Die Grundlage für die elektrolytische Tauehabscheidung ist das Bestreben unedler Metalle, beim Eintauchen in die Metallsalzlösung eines edlen Metalls in Lösung zu gehen und die Ionen des edlen Metalls zu reduzieren. Auskunft über den edlen oder unedlen Charakter eines Metalls gibt die Spannungsreihe der Elemente (Tabelle 5.3). Dort sind die Elemente mit ihrem Normalpotential vom größten negativen zum größten positiven Wert angeordnet. Metalle mit dem höchsten negativen Normalpotential sind am unedelsten und wirken stark reduzierend. Tabelle 5.3: Die Spannungsreihe der Elemente (Auszug) [W AR89]

Metall

Nonnalpotentlal

Redoxsystem

M

Aluminium

AI

~ A1'+ +

3e"

Zink

Zn ~ Zn2+ +

2e"

-0,763

Chrom

Cr

3e" 2e-

-0,71

Eisen

~ Cr"" + Fe ~ Fe'+ +

Nickel

Ni ~ Ni" +

2e

-0,253

Zinn

Sn ~ Sn" + H. ~ 2H+ +

2e

-0,16

-1,69

-0,44

2e"

±O,OO

Kupfer Kupfer

Cu ~

cu> + 2e" Cu ~ Cu· + e

+0,35

Silber

e

+0,799

Gold

~ ~ ~. + Au ~ Au"" +

38"

+1,36

Gold

Au ~ Au·

e

+1,68

Wasserstoff

+

+0,52

Wird ein unedles Metall (z. B. Eisen) in eine Metal1salzlösung eines edleren Metalls (z. B. Kupfersalzlösung) getaucht, 80 gehen aus dem eingetauchten Metall positive Metallionen unter Elektronenabgabe in Lösung. Das eingetauchte Metall besitzt nun einen Elektronenüberschuss, der für die Reduktion der edleren, in Lösung befindlichen Metallionen notwendig ist. Diese werden auf dem unedlen Metall als Schicht abgeschieden (Bild 5.119).

E:ntatBhonde SChicht

Reduktion

Bild 5.119: Prinzip der elektrolytischen Tauchabscheidung Die Reaktion läuft spontan ab und kommt zum Stillstand, wenn das unedle Metall mit einer Schicht des edleren überzogen ist. Daher können nur dünne Überzüge erzeugt werden, die

198

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

meist als Zwischenschichten dienen. Zur Beschleunigung des Prozesses kann bei höheren Temperaturen gearbeitet werden (Sudverfahren). Das Verfahren wird z. B. als Vorbehandlung von Aluminium vor dem Galvanisieren angewandt, da Aluminium wegen seiner Oxidschicht nicht galvanisierbar ist (keine Haftung). Beim Eintauchen in eine Natronlauge, der Zinksalze zugegeben werden, erfolgt die Entfernung der Oxidschicht und eine Zinkbeschichtung des Aluminiums, sodass ein nachfolgendes Galvanisieren möglich wird.

Chemische Tauehabscheidung (Reduktionsverfahren) Beim Reduktionsverfahren (Bild 5.120) werden die zur Reduktion der positiven Meta1lionen erforderlichen Elektronen nicht durch Auflösen eines unedlen Metalls in einer Meta1lsa1zlösung eines edlen Metalls erzeugt, sondern durch die Reaktion eines Reduktionsmittels. Das Reduktionsmittel, das unedler sein muss als das abzuscheidende Metall, reagiert an der katalytisch wirksamen (aktivierten) Werkstückoberfläche unter Abgabe der zur Reduktion der positiven Metallionen erforderlichen Elektronen. Es bilden sich zunächst einzelne Metallkeime, von denen das Schichtwachstum ausgeht und sich solange fortsetzt, wie Reduktionsmittel in der Lösung enthalten ist. Dadurch lassen sich auch dickere Schichten abscheiden. Das Bad reichert sich mit Reaktionsprodukten an und muss nach einem bestimmten Werkstückdurchsatz regeneriert werden.

Bild 5.120: Prinzip des Reduktionsverfahrens

Der Vortei1 des Verfahrens liegt in der gegenüber dem Galvanisieren gleichmäßigeren Schichtdickenverteilung auf beliebigen Werkstückoberflächen. Bei entsprechender Vorbehandlung lassen sich auch elektrische Nichtleiter (z. B. Kunststoffe, Herstellung von Leiterplatten) beschichten.

Elektrotauchlackieren (ETL) Bei den ETL-Verfahren erfolgt die Lackabscheidung infolge chemischer Umsetzung (Koagulation) des Bindemittels auf der Werkstückoberfläche. Dies wird durch elektrischen Stromfluss von einer Elektrode über den leitfähigen Lack zum Werkstück bewirkt. Die eingesetzten Lacke sind wasserlöslich (Suspensionen von Bindemitteln, Pigmenten und Füllstoffen in voll entsalztem Wasser) mit einem geringen Anteil (3 %) an organischen Lösemitteln. Die ETL-Verfahren werden nach der Polung des Werkstückes in anodisches und kathodisches Elektrotauchlackieren (ATL und KTL) eingeteilt. Wegen des hervorragenden Korrosionsschutzes wird für hochwertige Grundierungen das KTL eingesetzt, das im Folgenden näher erläutert wird [BAUM09].

5.5 Beschichten

199

Das Bindemittel der KTL-Systeme ist im Normalzustand nicht wasserlöslich und muss daher in einer Neutralisationsreaktion mit organischen Säuren (z. B. Essigsäure) ionisiert und in den wasserlöslichen Zustand überführt werden. An den Elektroden und am Werkstück wird infolge des elektrischen Stroms durch Elektrolyse das Wasser zersetzt. Dabei werden Gase (H2 und O2) und Ionen gebildet. Die an der Grenzfläche zum kathodisch gepolten Werkstück entstehenden Hydroxylionen (OH-) bewirken eine Umkehrung der Neutralisation und führen zu einer Koagulation des Bindemittels. Das koagulierte, wasserunlösliche Bindemittel wird in einem Trockner zu einem geschlossenen Lackfilm eingebrannt. Die Reaktionen sind in Bild 5.121 dargestellt. Ionisierung des Bindemittels

-

~2 RN- H 1 I

+

Rs ionisiertes Bindemittel

unlösliches Bindemittel

+

Anodenreaktion: Kathodenreaktion:

4H 20 +

4e-

4e-

40H- +

-

/

Hydroxilionen Koagulation des Bindemittels an der Kathode

~2 R- N- H 1

I

+ + OH-

Rs ionisiertes Bindemittel

-

~2 R- NI 1

I

Rs koaguliertes (unlösliches) Bindemittel

Bild 5.121: Elektrochemische Reaktionsmechanismen beim kathodischen Tauchlackieren [BAUM86]

Eine Elektrotauchanlage (Bild 5.122) ist im Wesentlichen aus den Komponenten Tauchbecken mit verschiedenen Kreisläufen zur Aufrechterhaltung der Badstabilität (Lackumwälzung, Lackfilterung, Kühlkreislauf, Ultrafiltration, Anolytkreislauf und Lacknachdosierung), Spülung, Stromversorgung und Transportsystem aufgebaut. Die Ultrafiltration hat die Aufgabe, genügend Filtrat (Wasser und niedermolekulare Verbindungen) für die der Beschichtung nachfolgenden Spülstufen bereitzustellen. Dazu wird die Badsuspension durch Filtermodule gepumpt, die das Filtrat abtrennen. Der Anolytkreislauf dient zur Aufnahme der aus der Neutralisation stammenden Säurereste, die bei der Beschichtung nicht abgeschieden werden und sich daher im Lack anreichern würden. Die negativ geladenen Säurereste werden mithilfe eines Dialyseverfahrens entfernt. Dazu sind die Anoden in Dialysezellen eingebaut, die mit dem Anolyt durchspült werden und zum Lackbad hin durch Membranen abgetrennt sind. Aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen Anolyt und Lackbad sowie durch die wirksamen elektrischen Kräfte werden die SäurerestMoleküle in den Anolytkreislaufhineingezogen.

200

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

1 Tauchbecken mit Überlauf 2 Umwälzkreislauf 3 Lackfilterkreislauf 4 Lackkühlkreislauf 5 Ultrafiltration 6 Anolytkreislauf 7 Anoden 8 Zudosierung von Lackkonzentrat 9 Spülsystem 10 Stromversorgung 11 Transportsystem 12 Ablassbehälter

Bild 5.122: Schematische Darstellung einer KTL-Anlage [BAUM04]

5.5.4.4

Beschichten aus dem festen Zustand

Zum Beschichten aus dem festen Zustand gehören die Untergruppen Wirbelsintern, elektrostatisches Beschichten und Beschichten durch thermisches Spritzen [DIN 8580]. Beim Wirbelsinfern wird ein erhitztes Werkstück in ein Becken mit fluidisiertem, meist thermoplastischem Pulver getaucht. Die Pulverteilchen sintern an und schmelzen durch den Wärmeinhalt des Werkstückes oder in einem Ofen zu einem geschlossenen Kunststofffilm. Haupteinsatzgebiet ist die Kunststoffbeschichtung von metallischen Werkstücken, z. B. Gussarmaturen, Drahtgitter, Brunnenrohre, Gelenkwellen, Geschirrkörbe für Spülmaschinen, Einkaufskörbe, Batterietröge, Parkmöbel, Druckwalzen, Verkehrspfosten, Drahtrohrverdampfer. Beim thermischen Spritzen wird meist ein metallischer Werkstoff, z. B. in Form eines Spritzdrahtes oder in Pulverform, entweder durch eine Flamme oder einen Lichtbogen geschmolzen, mit Druckluft zerstäubt und zum Werkstück transportiert.

Elektrostatisches Pulverbeschichten Das elektrostatische Pulversprühen (EPS-Verfahren) hat beim Beschichten aus dem festen Zustand die weitaus größte Bedeutung. Bei diesem Verfahren wird ein meist duroplastisches Pulver fluidisiert und einer Sprühpistole zugeführt, in der es elektrostatisch aufgeladen wird. Der Transport des Pulvers zum geerdeten Werkstück erfolgt durch elektrische Feldkräfte. Das Pulver haftet durch Coulombsehe Anziehungskräfte am Werkstück. Auch nach einer vollständigen Entladung, die jedoch sehr langsam erfolgt, bleibt das Pulver haften, was auf Van-der-Waals-Kräfte zurückzuführen ist. Der langsame Ladungsabfluss bewirkt eine Schichtdicken-Selbstbegrenzung, da innerhalb der Pulverschicht die Feldstärke so groß wird, dass eine Rückionisation einsetzt. Die Pulverteilchen werden ent- bzw. umgeladen und können nicht mehr abgeschieden werden. Die beschichteten Werkstücke durchlaufen einen Ofen, wo die Pulverschicht zu einem Lackfilm verschmilzt bzw. vernetzt wird, üblicherweise bei ca. 160-200 °C.

20 I

5.5 Beschichten

Absaugung

Beschichtungskabine

-,

Elektrostatische Pulversprühpistole

Steuergerät

Förder- und Dosiertufl

1

Abscheidersystem zur PulverrückgewInnung

Bild 5.123: Prinzip einer elektrostatischen Pulversprühanlage (EPS-Anlage)

Die elektrostatische Aufladung des Pulvers kann auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen. Bei den Korona-Sprühpistolen werden die Pulverteilehen durch Anlagerung freier Luftionen aufgeladen, die an den Hochspannung führenden Koronaelektroden der Pistolen (bis ca. 80 kV) erzeugt werden. Der Aufladungsmechanismus der Pulverteilchen bei Tribo-Pistolen basiert auf reibungselektrisehen Vorgängen beim turbulenten Durchströmen eines Kunststoffrohres im Pistolenkörper. Die Vorteile der Pulverbeschichtung sind die hohe Umweltfreundlicbkeit (keine Lösemittelemission, kein Abwasser und minimale Lackabfälle), die hohe funktionelle Beschichtungsqualität, eine nahezu vollständige Materialausbeute durch Pulverrückführung, die hohen erreichbaren Schichtdicken im Einschicht-Auftrag und der hohe mögliche Automatisierungsgrad. Nachteilig wirken sich der relativ hohe Energieaufwand zum Vernetzen der Pulverschicht, der aufwendige Farbwechsel, die im Vergleich zum Nasslack geringere optische Qualität, die schwierige Beschichtung Faraday'scher Käfige und die Tatsache, dass nur thermisch belastbare Werkstücke beschichtet werden können, aus. Typische Einsatzbereiche des EPS-Verfahrens sind die Beschichtung von GebäudeFassadenteilen und -profilen, Automobilzubehör, Haushaltsgeräten, Stahlmöbeln, Gartenmöbeln, Heizkörpern und ähnlichen Teilen [STR09b]. Das rein elektrostatische Wirbelbadverfahren stellt bei einfach geformten Kleinteilen eine mögliche Alternative zu EPS-Anlagen dar. Das Pulver befmdet sich in einer Kammer aus Kunststoff und wird dort mittels eines Elektrodensystems, das mit einer Gleichspannung von 50 kV mit überlagerter Wechselspannung von ± 6 kV (50 Hz) arbeitet, gleichzeitig aufgewirbelt und aufgeladen. Die Abscheidung des Pulvers auf den sich in der Kammer befindlichen Werkstücken erfolgt ausschließlich durch elektrische Feldkräfte. Beim elektrostatischen Fluidisierbettverfahren wird das Pulver in einem Becken mit luftdurchströmtem Boden in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt ("fluidisiert"). Im Bereich des

202

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Fluidisierbodens angeordnete Hochspannung führende Elektroden sorgen dafür, dass die Partikel aufgeladen sowie mittels elektrischer Feldkräfte nach oben zum vorbeibewegten geerdeten Substrat transportiert und dort abgeschieden werden. Neue Techniken zur Steuerung des elektrischen Feldes (u. a. Einsatz von gepulster Hochspannung) ermöglichen auch die gleichmäßige Beschichtung dreidimensionaler Teile, beispielsweise profilierte Holzwerkstoffplatten, Trapez- und Wellbleche, gitterförmige Teile sowie rotationssymmetrische Teile wie Dosen, Flaschen, Spiralfedern u. Ä. Die mit dem elektrostatischen Fluidisierbettverfahren arbeitenden Beschichtungsmodule weisen nur einen Bruchteil der Größe vergleichbarer konventioneller Pulverbeschichtungsanlagen auf, da zum einen kein Raum für Spritzpistolen benötigt wird und zum anderen aufgrund der hohen Pulverübertragungsrate die Beschichtungszeiten extrem kurz sind .

5.6

Stoffeigenschaft ändern

Stoffeigenschaft ändern ist Fertigen durch Verändern der Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem ein Werkstück besteht. Dies geschieht im Allgemeinen durch Veränderungen im submikroskopischen bzw . im atomaren Bereich, z. B. durch Diffusion von Atomen, Erzeugung und Bewegung von Versetzungen im Atomgitter und durch chemische Reaktionen. Unvermeidbar auftretende Formänderungen (z. B. Härteverzug) gehören nicht zum Wesen dieser Verfahren [DlN 8580]. Die Einteilung der Hauptgruppe Stoffeigenschaft ändern ist im Bild 5.124 dargestellt.

Bild 5.124: Einteilung der Hauptgruppe Stoffeigenschaft ändern [DIN 8580]

5.6 Stoffeigenschaft ändern

203

Bei der Fertigung von Werkstücken werden Stoffeigenschaften benötigt, die eine wirtschaftliche Bearbeitung (schnell, mit minimalem Energieaufwand und geringem Werkzeugverschleiß) zulassen, für das fertige Werkstück jedoch meist ungeeignet sind. Das Ziel des Stoffeigenschaft änderns, insbesondere des Wärmebehandelns, ist eine Verbesserung der Werkstückeigenschaften nach der Formgebung, wie z. B. der Festigkeits- und Verschleißeigenschaften oder der Zähigkeit. Die Änderung der Stoffeigenschaften kann durch Umwandeln (z. B. beim Glühen oder Härten), Einbringen (z. B. beim Aufkohlen oder Nitrieren) oder Aussondern (beim Entkohlen) von Stoffteilchen erfolgen. Auch verschiedene Fertigungsverfahren der Hauptgruppen 1 bis 5 werden unvermeidbar von Änderungen der Stoffeigenschaften begleitet, die technisch von Bedeutung sind (z. B. Rekristallisationsvorgänge beim Sintern, Kaltverfestigung beim Umformen usw.). Diese Änderungen sollen hier jedoch nicht behandelt werden, sondern nur die wichtigsten Verfahren der Gruppe Wärmebehandeln.

5.6.1

Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahlwerkstoffen

Wärmebehandlung ist eine Folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seines Gefüges und/oder seiner Eigenschaften herbeizufiihren. Gegebenenfalls kann während der Behandlung die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes geändert werden [DIN 17104]. Die Wärmebehandlungsverfahren werden in thermische und thermochemische Verfahren unterteilt. Bei den thermischen Verfahren werden die Stoffeigenschaftsänderungen der Werkstücke nur durch Umwandeln von Stoffteilchen, d. h. durch Zeit-Temperatur-Folgen herbeigeführt; ein Einbringen oder Aussondern von Stoffteilchen ist nicht beabsichtigt. Die Stoffeigenschaftsänderung bei den thermochemischen Verfahren erfolgt durch thermische Behandlung und gezielten Stoffaustausch. Die thermischen Verfahren werden nach dem Zeit-TemperaturVerlauf in Glühen, Härten und Vergüten eingeteilt [DIN TB 218, SPU87]. Die Art der Wärmeübertragung auf das Werkstück beim Erwärmen bzw. vom Werkstück beim Abkühlen, der jeweilige Wärmeübergang und die Wärmeleitungsvorgänge im Werkstück haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis der Wärmebehandlung. Die Wärmeübertragung kann indirekt durch Strahlung oder Konvektion (Wärmeaustausch innerhalb eines Mediums durch relativ zum Medium bewegte Teilmengen, die die in ihnen enthaltene Wärme an einen anderen Ort transportieren und dort abgeben) oder direkt auf induktive oder konduktive Weise erfolgen. In der Fertigungstechnik hat die Wärmebehandlung von Stahlwerkstoffen die größte Bedeutung. Wärmebehandlung wird aber auch bei NE-Metallen (z. B. bei Al-, Ti- oder CuLegierungen) zur Verbesserung ihrer Eigenschaften angewandt. Die Grundlage für die Wärmebehandlung von Stählen und die sich daraus ergebende Möglichkeit, ihre Eigenschaften in weiten Grenzen zu beeinflussen, beruht auf dem temperaturabhängigen Auftreten von (X- und y-Mischkristallen (Ferrit und Austenit) mit einem unterschiedlichen Lösungsvermögen für Kohlenstoff.

Ein gutes Ergebnis bei der Wärmebehandlung (minimale Maß- und Formänderungen, Vermeiden von Rissbildung) erfordert neben einer optimalen Prozessfiihrung (Erwärmen, Halten, Abkühlen) auch eine wärmebehandlungsgerechte Konstruktion der Werkstücke. Einige Regeln zum wärmebehandlungsgerechten Konstruieren sind [DIN 17022]:

204

• • • •

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

günstige Massenverteilung anstreben schroffe Querschnittsänderungen durch Abrunden oder Abschrägen vermeiden Formsymmetrie anstreben Möglichkeiten zum Anbringen von Vorrichtungen zum einwandfreien Handhaben während der Wärmebehandlung vorsehen

Innerhalb des Wärmebehandelns von Werkstoffen kommt der Werkstoffpriifung große Bedeutung zu. Dabei werden die Werkstoffe auf ihre Härtbarkeit und ihre Eigenschaften, wie z. B. Gefügeausbildung, Festigkeit, Zähigkeit und vor allem die Härte gepriift. Die Härte eines Werkstoffes wird als Widerstand definiert, den ein Werkstoff dem Eindringen eines wenig verformbaren Körpers entgegensetzt. Die verschiedenen Härteprüfverfahren sind durch unterschiedliche Formen und Größen der Eindringkörper sowie durch die Aufbringungsart und die Höhe der Priifkräfte gekennzeichnet [SPU87]. Gebräuchlich sind die Vickers(priifkörper: Diamantpyramide), Brinell- (Priifkörper: Stahl- oder Hartmetallkugel) und Rockwellhärte (Priifkörper: Diamantkegel oder Stahlkugel). Mithilfe der DIN EN ISO 18265 können die verschiedenen Härtewerte und die Zugfestigkeit einander zugeordnet werden.

5.6.2

5.6.2.1

Thermische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen

CJliülen

Glühen ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur, Halten und Abkühlen, unter solchen Bedingungen, dass der Zustand des Werkstoffes bei Raumtemperatur dem Gleichgewichtszustand näher ist [DIN 17014]. Die Höhe der Temperatur und die Benennung der einzelnen Verfahren richten sich nach dem Zweck der Glühbehandlung. Die Haltezeiten sind unterschiedlich lang (bis 40 h). Die Abkühlung erfolgt stets langsam. Die wichtigsten Glühverfahren werden nachfolgend erläutert [GR004]. Die dazugehörenden Temperaturbereiche sind in Bild 5.125 dargestellt.

1100

P 1000 .5

900 G

E ,!!

800

I

I I

.

1200

I I

1-

• .: . 1

I~

v-

I I I

V

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V-

1F~r-J r---r--

P723'C

V-

600

I I I I I I

Nonnalglühen

s/

I

Welchglühen

. ,,,~,}IJIJIII~'

700

V

V-

l;1

I

Spannungsannglühen

##~#III#"###I,.

500

I

RekrIstallisationsglühen

0.2

0,4

0.6

untereutektolde Stähle

0,8

1,0

1,2

1,4

übereutektolde Stähle

Bild 5.125: Temperaturbereiche verschiedener Glühverfahren [FRI05]

1.6

1,8

2.0

C-Gehelt In %

:

5.6 Stoffeigenschaft ändern

205

Spannungsarmglühen Das Spannungsarmglühen dient zur Beseitigung von Eigenspannungen, die durch ungleichmäßige Abkühlung nach dem Gießen, Gesenkfonnen, Walzen, durch spanende Bearbeitung oder nach dem Schweißen im Werkstück entstehen, sich den Lastspannungen überlagern und zu einer höheren Belastung der Werkstücke führen können. Die Werkstücke werden aufTemperaturen zwischen 550 und 650°C erwärmt und nach einer Haltezeit von ca. 4 h langsam abgekühlt. Die Eigenspannungen werden abgebaut, ohne dass wesentliche Änderungen des Gefüges oder der mechanischen Eigenschaften eintreten.

Rekristallisationsglühen Die Kaltumformung führt zu einer Verfestigung des Werkstoffes, wobei die Verformungsfähigkeit abnimmt (der Werkstoff versprödet). Das Rekristallisationsglühen mit Temperaturen zwischen 400 und 700°C und einer Haltezeit von ca. 1 h macht die durch Kaltumformen hervorgerufenen Gefügeänderungen rückgängig. Der Werkstoff erreicht etwa die Eigenschaften, die er vor der Kaltumformung hatte, sodass im Wechsel mit dem Rekristallisationsglühen beliebig viele Umformgänge vorgenommen werden können. Bei niedrigen Verfonnungsgraden, geringem C-Gehalt, hohen Glühtemperaturen und langen Haltezeiten besteht die Gefahr der Grobkornbildung.

Weichglühen Das Weichglühen verbessert die Bearbeitbarkeit von C-Stählen. Durch Umwandlung der Zementitlamellen im Perlit zu kugeligen Zementitkörnem wird der Werkstoff weicher, zäher und lässt sich besser zerspanen (geringerer Werkzeugverschleiß). Das Weichglühen erfolgt durch Erwärmung bis dicht unterhalb der PS-Linie (Bild 5.125) oder bei legierten und übereutektoiden Stählen bis dicht unter- und oberhalb der SK-Linie (Bild 5.125; Pendelglühen).

Normalglühen Beim Normalglühen wird der Werkstoff in Abhängigkeit des C-Gehaltes auf Temperaturen oberhalb der GS-Linie (Bild 5.125) bei untereutektoiden Stählen und oberhalb der SK-Linie (Bild 5.125) bei übereutektoiden Stählen erwärmt. Das Ziel des Nonnalglühens ist die Beseitigung von Grobkornbildung sowie von Gefüge- und Eigenschaftsänderungen, die durch vorangegangene Bearbeitung oder Wärmebehandlung verursacht wurden.

Grobkornglühen Das Ziel des Grobkornglühens ist eine Verbesserung der Zerspanbarkeit weicher Stähle, die zum "Schmieren" neigen (Bildung einer Autbauschneide, die zu einer unsauberen Bearbeitungsoberfläche führt). Durch die Kornvergrößerung entsteht ein kurzbrüchiger Scherspan. Die Werkstücke werden auf Temperaturen von ca. 150°C oberhalb der GS-Linie (Bild 5.125) erwärmt und nach einem mehrstündigen Halten abgekühlt.

lJüTusionsglühen Durch Diffusionsglühen werden Seigerungszonen (Konzentrationsunterschiede der Legierungselemente im Werkstoff) beseitigt. Die Glühbehandlung erfolgt bei hohen Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C. Die Haltezeiten sind verhältnismäßig lang (bis 40 h), da die Diffusionsvorgänge nur langsam ablaufen. Zur Beseitigung des dabei entstehenden groben Korns sollte anschließend normalgeglüht werden.

206

5.6.2.2

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Härten und Vergüten

Härten ist Wärmebehandlung eines Werkstoffes, bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch Gefügeumwandlung erfolgt. Vergüten ist Härten mit nachfolgendem Anlassen meist oberhalb 550°C, um eine gewünschte Kombination mechanischer Eigenschaften zu erreichen (Bild 5.126). Insbesondere soll gegenüber dem gehärteten Zustand die Zähigkeit verbessert werden. Anlassen ist ein- oder mehrmaliges Erwärmen eines gehärteten Werkstückes auf eine vorgegebene Temperatur, Halten auf dieser Temperatur und anschließendes zweckentsprechendes Abkühlen [DIN EN 10052]. Beim thermischen Härten unterscheidet man zwei Verfahren, das Härten nach Volumenerwärmung und das Randschichthärten. Beim Härten nach Volumenerwärmung wird das Werkstück langsam auf die Härtetemperatur von etwa 50°C erwärmt, um Wärmespannungen und Verzug gering zu halten, und dann mit Wasser, Öl, Druckluft usw. abgeschreckt. Beim Randschichthärten erfolgt die Erwärmung des Werkstückes so schnell, dass vor dem Abschrecken nur eine Randschicht bestimmter Dicke auf Härtetemperatur kommt. Dadurch behält der Kern des Werkstückes seine ursprünglichen Eigenschaften (z. B. Zähigkeit) bei. Härten

..

Anlassen

:::I

E

l!l

durchwärmen

E ~ durchwärmen

Zeit

Anwärmzeit

Haltezeit

Anwärmzeit

Haltezeit

Bild 5.126: Temperatur-Zeit-Verlaufbeim Vergüten (schematisch)

Das durch das Abschrecken entstehende nadelige Zwangsgefüge wird als Martensit bezeichnet und weist eine hohe Härte auf. Die Verspannung wächst mit der Anzahl der zwangsgelösten C-Atome. Die erreichbare Härte eines Stahles nimmt daher mit dem Kohlenstoffgehalt zu. Eine deutliche Härtesteigerung wird nur dann erreicht, wenn der Kohlenstoffgehalt mindestens 0,3 % beträgt. Die Gefügestruktur des Martensits ist thermodynamisch instabil. Bei einer Erwärmung wird die unterdrückte Kohlenstoffdiffusion wieder ermöglicht. Das Gefüge strebt einen Gleichgewichtszustand an. Diesen Vorgang macht man sich beim Anlassen zunutze. Entscheidend für ein gutes Härten sind optimale Härtetemperaturen und Abschreckgeschwindigkeiten, die je nach Zusammensetzung des Stahles variieren.

5.6 Stoffeigenschaft ändern

207

Bei unlegierten Stählen muss, um auch im Innern des Werkstückes eine Martensitbildung zu erreichen, eine schnelle Wärmeabfuhr erfolgen. Legierungszusätze und die Vorgeschichte des Stahlwerkstoffes (z. B. Kaltumformung) vermindern die Abschreckgeschwindigkeit durch eine Behinderung der Kohlenstoffdiffusion. Dadurch sind bei legierten Stählen größere Querschnitte durchhärtbar oder mildere Abschreckmittel verwendbar. Der Einfluss der Härte- bzw. Abschrecktemperatur auf verschiedene Eigenschaften von Stählen ist qualitativ in Bild 5.127 dargestellt.

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700

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Temperatur in

oe

Bild 5.127: Qualitativer Verlauf der Eigenschaften von Stahl (1 % C) bei verschiedenen Härtetemperaturen (Quelle: Landesbildstelle Baden-Württemberg)

Härten nach Volumenerwärmung Die Verfahren des Härtens nach Volumenerwärmung (Durchhärten) werden nach der Abkühlungskinetik unterschieden. Die Abkühlung kann in verschiedenen Medien wie Wasser, Öl, Emulsionen, Salz- und Bleibad, Luft, Stickstoff, Inertgas usw. stattfinden, Beim gebrochenen Härten wird erst schroff in Wasser und dann milder in Öl abgeschreckt. Beim Warmbadhärten wird der Werkstoff schnell, z. B. in einem Salzbad, auf eine Temperatur knapp oberhalb der Martensitbildung abgekühlt und möglichst lange auf dieser Temperatur gehalten. Dadurch wird die Gefahr von Verzug und Härterissen vermindert. Danach wird weiter mild abgekühlt, sodass sich der Austenit in Martensit umwandelt. Das Zwischenstufenhärten erfolgt ähnlich wie das Warmbadhärten. Die Haltezeit wird jedoch so gewählt, dass eine nahezu vollständige Umwandlung des Austenits in das Zwischenstufengefiige (Bainit) stattfindet. Das Patentieren ist eine Art des Zwischenstufenhärtens und wird bei Stahldraht und -band angewandt. Der Werkstoff wird von einer Temperatur oberhalb 900 "C schnell in einem Salzoder Bleibad auf Temperaturen zwischen 400 und 500 "C abgekühlt. Das Ziel des Patentierens ist das Erzielen eines für die Kaltumformung günstigen Gefiiges.

Randschichthärten Bei vielen Bauteilen, die eine harte, verschleißfeste Oberfläche benötigen, reicht es, wenn die Härtung nur auf eine Randschicht bestimmter Dicke beschränkt bleibt. Der Vorteil des Randschichthärtens ist ein weicher, zäher Kern, der die Gefahr eines Sprödbruchs bei dynamisch beanspruchten Bauteilen, wie z. B. Zahnrädern und Wellen, vermindert. Die Verfahren des Randschichthärtens werden nach Art der Energiezufuhr unterschieden. Bei allen Verfahren erfolgt die Erwärmung auf Härtetemperatur und das Abkühlen so schnell, dass im Kern des Werkstückes keine Umwandlungsvorgänge stattfinden können. Die Dicke der gehärteten

208

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Schicht hängt von der Höhe der zugeführten Leistung (Energie/Zeiteinheit), von den Werkstückabmessungen und der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes ab. Beim Tauchhärten wird das Werkstück in ein Salz-, gelegentlich auch in ein Metallbad mit einer Temperatur von 1000 bis 1200 "C getaucht. Die Tauchzeit hängt hauptsächlich von den Werkstückabmessungen und der Art des Tauchbades (Wärmeübergang) ab und bewegt sich im Bereich von wenigen Sekunden bis Minuten. Beim Flammhärten wird die Werkstückoberfläche mit Brenngas-Sauerstoff-Flammen auf Härtetemperatur gebracht. Danach wird meist mit einer Wasserbrause abgeschreckt. Je nach Werkstückform und Anordnung von Brenner und Brause werden Verfahren mit Mantel- und Linienhärtung unterschieden (Bild 5.128).

Werkstück

BrenngasSauerstoffGemisch

Wasser

..

..

Flammhärten: Gesamtflächenhärtung mit umlaufendem Werkstück

Bild 5.128: Prinzip des Flammhärtens

Beim Induktionshärten wird die Werkstückrandschicht in einer Hochfrequenzspule durch induzierte Wirbelströme erhitzt und nach Erreichen der Austenitisierungstemperatur mit der Wasserbrause abgeschreckt (Bild 5.129). Die Wärme gelangt hier nicht von der Oberfläche her in das Werkstück, sondern sie entsteht in der zu härtenden Schicht. Die Härtetiefe kann durch die Wahl der Stromfrequenz beeinflusst werden. Sie wird

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Kupferrohr~

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(mit Handhabungseinrichtungen gehärtetesWerkstück zum Be- und Entladen) in der Großserienproduktion z. B. zum Bild 5.129: Prinzip des Induktionshärtens Härten von Nocken- und Kurbelwellen eingesetzt. Durch die Entwicklung flexibler Induktionshärtezentren ist das Verfahren auch für mittlere und kleine Stückzahlen geeignet [JOE86]. Für das Flamm- und das Induk-

5.6 Stoffeigenschaft ändern

209

tionshärten sind Vergütungsstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,35 bis 0,55 % geeignet. Bei höheren C-Gehalten steigt die Gefahr von Verzug und Härterissen. Für ein gezieltes Randschichthärten bestimmter Werkstückpartien kann das Strahlhärten mithilfe eines Laseroder Elektronenstrahis eingesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht extrem hohe Aufheizgeschwindigkeiten mit sehr dünnen Härteschichten (im 0,01 mm Bereich) und einem feinen Martensitgefüge hoher Härte. Als Laserstrahlerzeuger können sowohl COz- als auch Festkörperlaser verwendet werden. Der Laserstrahl (Bild 5.130) wird aufgeweitet über die Werkstückoberfläche geführt. In der Regel ist keine Flüssigkeitsabkühlung erforderlich, da die Randschicht durch Wärmeleitung in das kalte Grundmaterial erkaltet (Selbstabschreckung). Die Härtetiefe kann durch die Vorschubgeschwindigkeit Wärmeeinflussgehärteter des Lasers variiert werden. Das Verfahren wird bei zone Bereich Werkstücken eingesetzt, bei denen örtlich begrenzte hohe Flächenbelastungen, z. B. an Dicht- und Laufflä- Bild 5.130: Laserstrahlhärten [HUE09] chen, auftreten [SPU87, MEY89].

5.6.3

Thermochemische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen

Zu den thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren gehört das Stoffeigenschaft ändern durch Einbringen und Aussondern von Stoffteilchen. Die randnahen Bereiche des Wärmebehandlungsgutes werden entweder durch Eindiffusion von Nichtmetallen (Kohlenstoff, Stickstoff) oder Metallen (Chrom, Aluminium, Silicium) oder durch Effusion in ihrer chemischen Zusammensetzung gezielt verändert [SPU87, GR004]. Das Ziel der Eindiffusion ist es, der Randschicht bestimmte Eigenschaften wie Härte, Zunderbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und erhöhten Verschleißwiderstand zu verleihen. Gegenüber galvanischen Oberflächenbehandlungsverfahren ergibt sich der Vorteil einer gleichmäßigen Schichtdicke, besonders an Kanten, in Vertiefungen und Bohrungen. Da die Werkstücke jedoch über eine längere Zeit höheren Temperaturen ausgesetzt sind, ist auf die Veränderung der Kerneigenschaften zu achten. Die Effusion von Nichtmetallen wird beim Entkohlen eingesetzt, mit dem Ziel, den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht eines Werkstückes, der durch unbeabsichtigtes Aufkohlen bei verschiedenen Wärmebehandlungen erhöht wurde, zu verringern. 5.6.3.1

Eindiffusion von Nichtmetallen

Die wichtigsten Verfahren sind hier das Aufkohlen (Einsatzhärten) und das Nitrieren durch Eindiffusion von Stickstoff. Durch Aujkohlen wird bei Werkstücken aus Stählen mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,1 und ca. 0,25 % eine hohe Randschichthärte erreicht. Dazu wird das Werkstück in der Randschicht durch Glühen bei 850 bis 950°C in Kohlenstoff abgebenden Mitteln mit Kohlenstoff bis zu einem C-Gehalt von ca. 0,8 bis 0,9 % angereichert. Damit wird die Randschicht härtbar. Beim

210

5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe

Direkthärten (Abschrecken von Aufkohlungs- bzw. Härtetemperatur) kann durch die lange Aufkohlungsdauer ein grobkörniges Gefüge im Kern zurückbleiben. Dies wird durch das Einfach- oder Doppelhärten vermieden. Der kohlenstoffarme Kern bleibt aber in jedem Fall weich und zäh. Beim Nitrieren lässt man bei Temperaturen zwischen 500 und 600°C Stickstoff entweder in einem Ammoniak-Gasstrom oder in Salzbädern (Cyansalzen) in den Stahl eindiffundieren. Im Vergleich zum Aufkohlen ist durch Nitrieren eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit erzielbar. Die niedrigen Temperaturen und die langsame Abkühlung (kein Abschrecken notwendig) führen zu minimalem Verzug der Werkstücke, sodass außer Feinbearbeitung alle Arbeiten vor dem Nitrieren erfolgen können. Damit eignet sich dieses Verfahren besonders für Präzisionswerkstücke, z. B. Messwerkzeuge. Das Nitrieren, insbesondere das Gasnitrieren, erfordert lange Nitrierzeiten (z. B. 100 h für eine Nitriertiefe von 0,6 mm). Das Carbonitrieren ist eine Kombination von Einsatzhärten und Nitrieren. Die Behandlung erfolgt in speziellen Cyansalzbädern bei etwa 800°C. Es schließt sich meistens ein Abschrecken an, um die durch Nitridbildung erreichte Härte durch eine Martensitumwandlung noch weiter zu erhöhen. 5.6.3.2

Eindiffusion von Metallen

Als Metalle zur Eindiffusion werden vorwiegend Aluminium, Silicium und Chrom verwendet. Die Behandlung erfolgt meist bei hohen Temperaturen. Es bilden sich Randschichten mit relativ hohen Gehalten (10 bis 35 %) des eindiffundierten Metalls. Beim Aluminieren werden zwei Verfahren angewendet, das Kalorisieren, bei dem eine spröde, fest haftende Fe-AI-Legierungs schicht unter einer harten Ah03-Schicht entsteht, und das Alitrieren, das eine weniger spröde und besser verformbare Schicht erzeugt. Beide Verfahren verbessern die Zunderbeständigkeit und werden nicht nur bei Stahl, sondern auch bei Kupfer, Messing und Nickellegierungen eingesetzt. Das Silicieren ist eine Behandlung von kohlenstoffarmen Stählen mit heißem SiC4-Gas. Es wird eine spröde aber sehr zunderbeständige Oberfläche erzielt. Das Chromieren wird bei Temperaturen von 1000 bis 1200 °C in der Gasphase oder Schmelze Chrom abgebender Stoffe durchgeführt. Die entstehende Randschicht ist bis 800°C zunderbeständig und bietet einen Korrosionsschutz, sodass in vielen Fällen auf den Einsatz korrosionsbeständiger Vollmaterialien verzichtet werden kann.

5.6.4

Wärmebehandlung von Eisen-Gusswerkstoffen

Zu den wichtigsten Wärmebehandlungen von Eisen-Gusswerkstoffen gehört das Tempern von weißem Gusseisen (Gusseisen, dessen Kohlenstoff- und Siliciumgehalt so eingestellt ist, dass das Gusswerkstück graphitfrei erstarrt, d. h. der gesamte Kohlenstoff im Zementit (Fe3C) gebunden ist), um entweder durch Entkohlen oder durch Graphitisieren Temperguss zu erhalten. Bei einer Glühbehandlung des graphitfrei erstarrten Gusseisens zerfallt der Zementit restlos. Die Glühbehandlung kann auf zwei Arten erfolgen:

5.6 Stoffeigenschaft ändern

211

•

Glühen in entkohlender Atmosphäre (weißer Temperguss, GJMW) Dem Randbereich des Gusswerkstückes wird Kohlenstoff entzogen, sodass dort nach Abkühlung ein rein ferritisches Gefüge zurückbleibt. Bei großen Querschnitten verbleiben im Kern Anteile von Graphit (Temperkohle). Die Behandlung dauert 50 bis 80 h bei einer Temperatur von 1050 oe.

•

Glühen in neutraler Atmosphäre (schwarzer Temperguss, GJMB) Die Glühbehandlung wird in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wird 30 h bei 950 "C geglüht wobei der Zementit in Austenit und Graphit zerfallt. In einer zweiten Glühbehandlung bei Temperaturen zwischen 700 und 800 "C wandelt sich der Austenit bei einer langsamen Abkühlung in ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit einem Graphitanteil um.

Temperguss besitzt eine hohe Zähigkeit, Schlagfestigkeit und gute Bearbeitbarkeit. Diese Eigenschaften beruhen auf der Ausscheidung des Graphits in Nestern, die die innere Kerbwirkung, wie sie z. B. beim GJL vorhanden ist, wesentlich herabsetzt [GR004].

5.6.5

Wärmebehandlung von NE-Metallen

Bei der Wärmebehandlung von NE-Metallen sind die Verfahren thermisches Entspannen, Rekristallisieren (Weichglühen), Homogenisieren sowie die Ausscheidungshärtung durch Lösungsglühen und Auslagern gebräuchlich. Das thermische Entspannen dient dem Abbau von Eigenspannungen im Werkstück (ähnlich dem Spannungsarmglühen beim Stahl) und verhindert das Auftreten von Fehlern wie z. B. der Spannungsrisskorrosion. Für das Rekristallisieren bzw. Weichglühen von NE-Metallen gelten die gleichen Gesichtspunkte wie für die entsprechende Glühbehandlung von Stählen. Die Temperaturen und Behandlungszeiten sind in Abhängigkeit des Werkstoffes sehr unterschiedlich. Bleiwerkstoffe rekristallisieren bereits bei Raumtemperatur, während hochlegierte Nickelwerkstoffe bei Temperaturen bis zu 1100 "C geglüht werden. Das Homogenisieren ist eine Glühbehandlung mit dem Ziel, Konzentrationsunterschiede der Legierungselemente im Gefüge auszugleichen. Die günstigen Eigenschaften von Werkstücken aus NE-Legierungen werden oft erst durch das Homogenisieren erreicht Bei der Ausscheidungshärtung (auch bei manchen Stählen anwendbar) kann eine Härtesteigerung durch die Ausscheidung einer oder mehrerer Phasen aus einer übersättigten festen Lösung erfolgen. Die notwendige (jedoch nicht hinreichende) Bedingung ist eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit einer Komponente in der Legierung. Die Behandlung bei der Ausscheidungshärtung besteht aus drei Schritten: Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Beim Lösungsglühen werden die meist grob ausgeschiedenen Legierungselemente gelöst. Dieser Zustand wird durch das Abschrecken "eingefroren"; es entstehen übersättigte Mischkristalle, deren Eigenschaften sich vom Ausgangszustand des Werkstoffes kaum unterscheiden. Erst beim anschließenden Auslagern (je nach Werkstoff Kalt- oder Warmauslagem) diffundieren die zwangsgelösten Atome und verursachen Gefügeänderungen, die bei geeigneten Werkstoffen zu einer Aushärtung führen [MEIN89, BER87].

212

6

Bearbeitung von Kunststoffen

Die Systematik zur Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 gilt auch für die Fertigungsverfahren der Kunststofibearbeitung. Die nachfolgende Tabelle 6.1 zeigt eine Übersicht der wichtigsten Fertigungsverfahren für Kunststoffe. Da in Kapitel 5 ausführlich auf die verschiedenen Fertigungsverfahren eingegangen wurde, werden an dieser Stelle nur die Besonderheiten bei der Bearbeitung von Kunststoffen für die Gruppen Urformen, Umformen, Fügen und Beschichten ergänzt. Tabelle 6.1: Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe

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Extrudieren Spritzgießen Pressen Schäumen Blasformen

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Extrudieren Spritzgießen Pressen Schäumen Laminieren Faserspritzen

Warmformen Kaltformen

Schweißen

Heißprägen Lackieren Galvanisieren Aufdampfen Bedrucken Beflocken

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Extrudieren Spritzgießen Pressen Schäumen

nicht möglich

Zerteilen, Spanen

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Zerteilen

nicht schweißbar Kleben Fügen mit Hilfsteilen Lackieren Galvanisieren Aufdampfen Bedrucken Beflocken

nicht üblich

Die Anwendung von Fertigungsverfahren bestimmter Hauptgruppen hängt vom Kunststofftyp und seiner molekularen Struktur ab. So lassen sich Duroplaste und Elastomere auf Grund des fehlenden plastischen Bereiches durch Schweißen nicht umformen und fügen.

E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_6, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

6.1 Urformen

6.1

Urformen

6.1.1

Extrudieren

213

Extrudieren ist ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren, das vorwiegend zur Herstellung von Halbzeugen aus Kunststoffgranulat oder -pulver eingesetzt wird. Ein Extruder (Bild 6.1) besteht im Wesentlichen aus einer Schnecke, die in einem beheizbaren Zylinder drehbar gelagert ist, und einem Antrieb mit Getriebe. Die Extruderschnecke wird in drei Zonen unterteilt. Die Einzugszone (1) fördert das Kunststoffgranulat vom Einfülltrichter in die Kompressions- oder Umwandlungszone (2). Dort wird der Kunststoff plastifiziert, entgast und verdichtet. In der Ausstoßzone wird die Kunststoffmasse homogenisiert und durch ein Sieb und eine Lochplatte in das Formwerkzeug gedrückt. Werkzeug

Regelgetriebe

Lochscheibe

--- Motor----- --------------------

Bild 6.1: Schematischer Aufbau eines Einschnecken-Extruders

Die zur Plastifizierung erforderliche Energie wird dem Kunststoff durch Friktion (Reibung zwischen Kunststoff, Schnecke und Zylinderwand) und durch Zylinderbeheizung (Widerstands-, Induktions- oder Flüssigkeitsheizung) zugeführt. Der Zylindermantel und die Schnecke eines Extruders werden aus hochfesten, meist nitrierten Stählen hergestellt und gegen Korrosion (erforderlich bei PVC-Verarbeitung) hart verchromt. Die Schnecken können zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit gepanzert werden (z. B. durch Flammspritzen). Anbauteile müssen leicht vom Extruder zu lösen und die Schnecke schnell austauschbar sein. Zum Reinigen wird die Maschine betriebswarm demontiert. Zur schonenden Verarbeitung schwer einziehbarer, thermisch empfindlicher Kunststoffe werden technisch aufwendigere Doppelschnecken-Extruder mit zwei eng ineinander greifenden (kämmenden) gegenläufigen Schnecken eingesetzt. Diese haben gegenüber den EinschneckenExtrudern wesentliche Vorteile wie Zwangsförderung. größeren Durchsatz, geringere Verweilzeit des Kunststoffes im Zylinder und damit eine schonendere Plastifizierung, Das Kämmen der Schnecken bewirkt eine Selbstreinigung.

214

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Durch Extrudieren werden vorwiegend thermoplastische Kunststoffe verarbeitet. Extrudierbare Formmassen müssen hochviskos sein (hoher Polymerisationsgrad erforderlich), damit der extrudierte Strang nach Verlassen der Düse in ausreichender Formstabilität abgezogen werden kann. Bei den seltener verarbeiteten Duroplasten ist das Profil gebende Werkzeug gleichzeitig als Aushärtestrecke ausgebildet. Nach dem Extrusionswerkzeug schließen sich Geräte zum Kalibrieren, Kühlen, Abziehen, Beschneiden, Aufwickeln oder Stapeln des extrudierten Kunststoffproduktes (Extrudat) an. Extruder sind häufig Bestandteile kombinierter Verarbeitungsanlagen zur Herstellung von z. B. Profilen, Schlauchfolien (Folienblasen), Hohlkörpern (Blasformen) und zur Ummantelung von Kabeln und Drähten. Bei der Herstellung von Mehrschichtfolien (Folien aus unterschiedlichen Kunststoffen) wird die Coextrusion mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Extrudern eingesetzt. Die Extrusionswerkzeuge weisen entsprechend den zu extrudierenden Produkten unterschiedliche Bauarten auf. Für die Herstellung von Rohren und Hohlprofilen werden meist sog. Geradeaus-Rohrspritzköpfe mit massenumflossenen Hohldomen (Bild 6.2) eingesetzt. Zur Verhinderung des Zusammenfallens des extrudierten Profils dient die Stützluft, die über den Druckluftanschluss des Hohldoms zugeführt wird. Der Dom wird durch Haltestege (in Bild 6.2 nicht dargestellt) im Werkzeug gehalten. Eine exakte Zentrierung des Doms ist wichtig.

Dornhalter

Gehäuse (Mantel)

Bügelzone

~~~:.~w~~~~~ ~ ~ ilr;S: E:xt:rU:d~e~ranSCh'US Zentrierung

t

Druckluft Dornhalterspitze

Bild 6.2: Extrusionswerkzeug zur Rohrherstellung

Der aus dem Werkzeug austretende plastische Profilstrang wird in der nachgeschalteten Kalibrierstrecke auf seine endgültigen, eng tolerierten Abmessungen gebracht und abgekühlt. Die Kalibrierung kann mit Hilfe eines Vakuums (Bild 6.3) oder mit Druckluft durch die dem Hohldom zugeführte Stützluft erfolgen.

6.1 Urformen

215

Rohr Düse

Dorn

Wasserbad (Kühlstrecke) Kühlwasser

r----

Vakuum

Kalibrierung

Bild 6.3: Rohr-Vakuumkalibrierung

Bei der Drucklu:ftkalibrierung muss das Profil innen durch einen "schwimmenden Stopfen" abgedichtet werden. Während die Werkzeuge zur Herstellung von Rohren (EindornWerkzeuge) relativ einfach aufgebaut sind, erfordern Werkzeuge für Mehrkammerprofile (Vieldorn-Werkzeuge), wie z. B. Fensterrahmenprofile und die Kalibrierstrecken einen hohen konstruktiven Aufwand. Einfache Vollprofile werden mit Blendenwerkzeugen (an den Extruderkopf angeflanschte Scheiben mit gefrästem Profilquerschnitt) hergestellt. Ummantelungen zum Isolieren von Drähten und zum Ummanteln von Kabeln werden mit Umlenkköpfen (Bild 6.4) erzeugt. Die auf die Temperatur der Kunststoffmasse vorgewärmten Drähte bzw. Kabel werden der Pinole durch eine zentrale Bohrung zugeführt. Bei Telefonadern sind Abzugsgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/min möglich.

Umlenkkopf Bild 6.4: Werkzeug zur Drahtummantelung

216

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Tafeln von 0,3-30 mm Dicke und bis zu 3,5 m Breite werden mit waagerecht arbeitenden Breitschlitzdüsen mit verstellbarer Spalthöhe extrudiert (Bild 6.5). Die aus der Düse austretende, noch plastische Kunststofibahn wird auf einem abnehmend beheizten Walzenstuhl geglättet, über ein Walzenkühlrost von Gummiwalzen abgezogen und nach Randbeschneidung von einer Schlagschere zu Platten geschnitten. Folien bis 4 m Breite werden mit dem sog. ChillRoll-Verfahren (Kühl-Roll-Verfahren) hergestellt. Die Folie wird schräg nach unten durch eine Breitschlitzdüse (Spalthöhe 0,3-1 mm) extrudiert und über Kühlwalzen auf eine Dicke von 8-15 um heruntergezogen (Bild 6.6).

Stapelvorrichtung

Vakuumsaugteller Schlagscheren

Walzenstuhl

Bild 6.S: Plattenherstellung

Dickenmessung --

_

Folienaufwicklung

-®( I

Folie

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Abfallaufwicklung

I

Bild 6.6: Folienherstellung mit dem Chili-Roll-Verfahren

Kühlwalzen

Extruder

6.1 Urformen

217

Folien mit über 4 m Breite werden a Extruder b LuIlzuführung auf Blasanlagen (Bild 6.7) hergec Blaskopf stellt. Dazu wird ein Werkzeug d Kühlring (Blaskopf) verwendet, das einen e Kunststoffschlauch Schlauch mit einer Dicke zwischen f Leitblech 9 Quetschwalzen 0,5 mm und 2 mm extrudiert. Der e h Umlenkwalze Schlauch wird durch die zugeführte Aufwickelvorrichtung Stützluft bis zum fiinffachen Durchmit Spannrolle messer aufgeblasen und durch Walzen in axialer Richtung gereckt. c Über Leitbleche und Quetschwalzen a b gelangt der Schlauch zur Aufwickelvorrichtung. Der Umfang des Bild 6.7: Folienblasanlage Folienschlauches kann bis zu 16 m bei einer Dicke zwischen 20 und 350 um betragen. Die Anlagen können Höhen von 20 m erreichen [HESS88, EYE04].

6.1.2

Blasformen

Das Blasformen erfolgt in einem zweistufigen Prozess. In der ersten Stufe wird ein Rohr extrudiert, das in der zweiten Stufe in einem zweiteiligen Werkzeug zum Hohlkörper aufgeblasen und abgekühlt wird (Bild 6.8). Mit dem Verfahren lassen sich Behälter aller Art aus thermoplastischen Kunststoffen im Volumenbereich zwischen wenigen Millilitern und 10 000 I herstellen. Beispiele sind Flaschen, Kraftstoffbehälter für Fahrzeuge, Kanister und Fässer. Da die Blasdrücke nicht über 10 bar hinausgehen und die Werkzeuge keinem Verschleiß unterliegen, können sie leicht (z. B. aus Aluminiumguss) gebaut sein. Damit die Formlinge aufgeblasen werden können, müssen die Werkzeuge mit zahlreichen Entlüftungsöffnungen versehen sein. An die Blas- und Entformungsstation schließen sich Anlagenteile für die Butzenentfernung, Dichtigkeitsprüfung und ggf. für das Füllen, Verschließen, Bedrucken oder Etikettieren an. Der Fertigungsablauf erfolgt weitgehend automatisch. Extruder

Blaskopf

extrudierter Schlauch

Trennvorrichtung

....=

geteilte Hohlform

~

~ 11t

00

Druckluft

Bild 6.8: Verfahrensablaufbeim Blasformen

geblasener Hohlkörper

218

6.1.3

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Spritzgießen

Ähnlich dem Extrudieren wird beim Spritzgießen der zu verarbeitende Werkstoff durch eine Schnecke gefördert, homogenisiert und bei Thermoplasten durch Friktion und Zylinderbeheizung plastifiziert. Die Schnecke führt neben der rotatorisehen auch eine translatorische Bewegung aus und übernimmt dadurch die Funktion eines Kolbens. Während des Fördervorgangs muss die Schnecke zurückweichen, um. im vorderen Bereich des Zylinders genügend Raum. für die Formmasse zu schaffen. Beim Spritzvorgang schiebt die nicht rotierende Schnecke die Formmasse in das Spritzgießwerkzeug; die Form wird gefüllt und das Formteil erstarrt. Die dabei entstehende Schwindung wird mit von der Schnecke nachgeschobener Formmasse kompensiert. Nach dem Abkühlen öffnet sich die Spritzgießform und der fertige Formstoff oder das fertige Halbzeug fallen heraus. Währenddessen beginnt die Schnecke wieder zu rotieren und fördert unter gleichzeitigem Zurückweichen Formmasse vom Einfiilltrlchter nach vorn in den Sammel- bzw. Dosierraum; der Zyklus wiederholt sich (Bild 6.9). Spritzgießwerkzeug

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2. standzeit mit Nachdruck

3. Auswerfen

Einfülltrichter

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Di~_h (G.

Sammelraum für plastifizierte Kunststoffmasse

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Bild 6.9: Verfabrensablaufbeim Spritzgießen

Die Spritzgießmaschine besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: aus der Spritz- und der Schließeinheit. Die Verbindung der beiden Teile wird mit einer beheizten Spritzdüse hergestellt. Der Arbeitszyklus der Maschinen (Fördern, Spritzen, Nachdrücken. Öffnen und Auswerfen) erfolgt werkstoffabhängig programmgesteuert. Die Schnecke wird elektrisch oder hydraulisch angetrieben. Die Form wird mechanisch mit Kniehebeln oder hydraulisch geschlossen. Die Schließkräfte bei großen Maschinen zur Herstellung von z, B. Bootskörpern, Automobilteilen und Müll-Großbehältern betragen bis zu 100 MN . Die Art des Angusses (Einspritzöffnung des Werkzeuges) beeinflusst in hohem Maße nicht nur die Formfii.1lung, sondern auch die Eigenschaften des Produktes durch Entstehung von Orientierungen (Ausrichtung der Moleküle in Fließrichtung). Orientierungen bewirken eine unterschiedliche Schwindung und führen zu einer Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der mechanischen Eigenschaften der Kunststoffieile.

6.1 Urformen

219

Durch Spritzgießen werden vorwiegend thermoplastische Kunststoffe verarbeitet. Bei Duroplasten und Elastomeren werden die Werkzeuge beheizt, damit die Aushärtung der Teile erfolgen kann [BUE 88].

6.1.4

Pressen

Pressen ist ein bedeutendes Verfahren der Duroplast- und der Elastomerverarbeitung. Die Pressmasse wird in Form von Pulver, Granulat, Tabletten, in teigigem oder faserförmigem Zustand entsprechend dem Volumen des Fertigteils dosiert und dem Presswerkzeug zugeführt. Durch langsames Schließen des beheizten Stahlwerkzeuges wird der Rohstoff zu einem Werkstück geformt und härtet aus (Bild 6.10). Die Schließkräfte, die Temperaturen und die Aushärtezeiten sind werkstoffabhängig. Die Formteile weisen im Gegensatz zum Spritzgießen keine Orientierungen auf. Eine wichtige Anwendung des Verfahrens ist die Herstellung von Fahrzeugreifen (Vulkanisieren).

Stempel Form

Formmasse

Füllen

Pressen

Auswerfen

Bild 6.10: Verfahrensablaufbeim Pressen

6.1.5

Schäumen

Beim Schäumen wird dem Rohstoff (Granulat, Pulver, duroplastische Formmassen) Treibmittel zugemischt. Bei der Formgebung im erwärmten Zustand, z. B. durch Extrudieren, Spritzgießen oder Pressen, wird ein großes Gasvolumen frei, das die Kunststoffrnasse im Formhohlraum aufschäumt. Beim Thermoplastschaumguss (TSG) wird der Formmasse ein Treibmittel zugemischt, dessen Zersetzungstemperatur erst kurz vor Eintritt in den Dosierraum des Spritzgießzylinders überschritten wird. Das sich bildende Treibgas bleibt jedoch infolge des hohen Druckes in der Formmasse gelöst. Erst beim Einströmen in das Formwerkzeug wird das Treibgas frei und schäumt die Kunststoffrnasse auf. Deshalb darf das Werkzeug nicht vollständig gefüllt werden. Beim Abkühlen der geschäumten Formmasse an der kalten Werkzeugwand bildet sich eine porenfreie, dichte Außenhaut. Die Kühlzeit von TSG-Teilen ist wesentlich länger als bei Kompakt-Spritzgussteilen. Bei zu frühem Entformen besteht die Gefahr des Nachtreibens mit deutlichen Maßveränderungen.

220

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Große Werkstücke aus duroplastischen Reaktionsharzen werden meistens vergossen (Reaktionsschaumguss, RSG). Die Komponenten Harz, Härter und Treibmittel werden gemischt und in ein Werkzeug bzw. in eine Form eingebracht, in denen das Aufschäumen erfolgt. Mit dem RSG-Verfahren werden u. a. Werkstücke mit Hohlräumen, z. B. Kühlschränke, ausgeschäumt.

6.1.6

Stereolithographie

Das Stereolithographieverfahren arbeitet, wie das bereits in Kapitel 5 beschriebene Urformverfahren Lasersintern, schichtweise. Demzufolge handelt es sich um ein 2 Y2 D-Verfahren, d. h. die Kontur der Schicht erfolgt flächig in der x-y-Ebene. Die dritte Dimension entsteht durch das Aufeinanderfügen einzelner Schichten. Grundsätzlich erfolgt bei dem Verfahren die Fertigung der physikalischen Modelle unmittelbar aus Computer Aided Design (CAD)-Daten. Die grundlegenden Verfahrensschritte sind charakterisiert durch: •

•

Generierung der mathematischen Schichtinformation: Sie basiert auf einem rechnerinternen CAD-Modell, das anband von mathematischen Methoden in Schichten geschnitten wird. Generierung des physikalischen Schichtenmodells: Zur industriellen Umsetzung des physikalischen Modells wird flüssiges Monomer verfestigt. Dieses Fertigungsverfahren, das als Stereolithographie bezeichnet wird, hat seinen Ursprung in industriell angebotenen Rapid Prototyping Verfahren.

Grundsätzlich besteht eine Stereolithographieanlage aus einem Behälter mit flüssigem Monomer, der zugleich als Bauraum und als Vorratsbehälter dient (Bild 6.11). Sie beinhaltet zudem eine in vertikaler Richtung verschiebbare Bauplattform und eine Laser-Scannereinheit, welche die Schichtinformationen auf die Oberfläche des Harzbades projiziert. Das Modell wird durch die Plattform und Stützen getragen, so dass das spätere Entfernen des Modells erleichtert wird. Die Stützen haben die Aufgabe, überragende Bauteile abzustützen und umgekehrt die Bauteile nach unten zu ziehen. Da die Stützen durch die Datenaufbereitung generiert werden, wächst die Datenmenge erheblich an. UV-Laser Werkstück Spindelaufzug

IIIBa"PI't fo~' Harzbad

Bild 6.11: Verfahrensprinzip einer Stereolithografieanlage

Nach dem Verfestigen einer Schicht, wird die Plattform um eine Schichtstärke gesenkt, eine neue Schicht aufgetragen (Wiederbeschichtung), diese erneut belichtet und somit verfestigt.

6.1 Urformen

221

Dieser Prozess wird bis zur kompletten Fertigung des Bauteils wiederholt. Auf diese Weise entsteht das physikalische Modell schichtweise von unten nach oben. Die Generierung des physikalischen Modells ist mit der Verfestigung der obersten Schicht beendet. Das Modell, das vollständig in das Monomer eingetaucht ist, wird aus dem Harzbad nach oben herausgefahren, so dass überschüssiges Harz ablaufen und in den Behälter zurücktropfen kann. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Maschinenausnutzung ist es vorteilhaft, das physikalische Modell zum Abtropfen in einen separaten, beheizten Ablaufbehälter zu stellen.

6.1.7

Urformen faserverstärkter Formteile

Beim Nasspressen werden faserverstärkte Teile aus EP- oder UP-Gießharzen hergestellt. Dazu werden die Fasern in Form von Gewebe, Matten oder Rovings (Faserbündel) in das Presswerkzeug eingelegt und mit dem Harz getränkt. Die nachfolgende Aushärtung kann je nach Werkstoff kalt (durch Zugabe eines zusätzlichen Beschleunigers) oder warm erfolgen. Beim Warmpressen werden häufig bereits mit Harz getränkte Gewebe (prepregs oder Rovings) verarbeitet, bei denen die Harze erst im Werkzeug schmelzen. Beim Handlaminieren werden die Faserverstärkung und das mit Beschleuniger und Härter angesetzte Gießharz auf einteilige Formwerkzeuge gleichmäßig verteilt. Auf diese Weise werden große Teile wie Bootsrümpfe in kleinen Stückzahlen hergestellt. Bei Verwendung eines Gegenwerkzeuges erhält man beidseitig glatte Oberflächen (Bau von Segelflugzeugen). Beim Faserspritzen werden Rovings einer Schneidevorrichtung zugeführt, die im Umfeld einer Spritzdüse arbeitet. Die entstehenden Faserbruchstücke gelangen mit dem verspritzten Harz auf die Form und müssen dort verdichtet werden. Das Faserspritzen wird automatisiert z. B. zur Herstellung von Surfbrettern oder Karosserieteilen eingesetzt. Mit dem Wickelverfahren werden harzgetränkte Fasern zur Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern (Großrohre, Behälter, Flugzeugrümpfe; mögliche Abmessungen bis 10 m Durchmesser und 50 m Länge) auf Dorne gewickelt. Wickelroboter ermöglichen eine reproduzierbare Fadenführung in beliebiger Richtung, wodurch sich auch nicht rotationssymmetrische Teile herstellen lassen. In der Entwicklung befinden sich Teile für Kraftfahrzeuge wie Kardanwellen, Querlenker, Blatt- und Torsionsfedern, Kolben und Pleuel. Pultrusion ist das kontinuierliche Fertigen von Profilen auf Basis von Faserverbundwerkstoffen. In den meisten Fällen werden hierzu Glas- und Kohlenstofffasern verwendet. Diese werden mit einem duroplastischen Kunstharz getränkt und anschließend durch ein Formwerkzeug gezogen. Die Fasermatrix erhält durch das Formwerkzeug die gewünschte Profilkontur, welche sie nach dem Aushärten des Kunstharzes beibehält.

Alternativ zu den klassischen Matrixwerkstoffen aus Glas- und Kohlenstofffasem kommen heute vermehrt Verbundwerkstoffe aus Naturfasern zum Einsatz. Eine Pultrusionsanlage ist in der Regel aus den Einzelkomponenten • • • •

Spulengatter Transport- und Leitsystem zur Faser- und Vlieszuführung Imprägniereinrichtung/Tränkbad Formgebungswerkzeug

222

• •

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Abzieheinrichtung mitlaufender Säge aufgebaut (Bild 6.12). mitlaufende Säge

-,

Transport- und Leitsystem

Bild 6.12: Prinzip einer Pultrusionsanlage

Die aufgerollten Fasern werden in den Spulengattern gelagert und gleichmäßig durch das Fasertransport- und Leitsystem, das dafür sorgt, dass die Fasern ihre parallele Lage beibehalten, der Imprägniereinrichtung zugefiihrt. Vordem Tränken der Fasern wird zur Verbesserung der Oberflächenqualität auf die Fasern ein Vlies gelegt. Zur Querverstärkung der gefertigten Profile können zu diesem Zeitpunkt zusätzlich Fasermatten eingearbeitet werden. Die Imprägnierung der Fasern erfolgt in der Regel in offenen Tränkbecken. Die mit Harz getränkten Fasermatten werden durch ein Formwerkzeug gezogen. Ein typisches Formwerkzeug ist in vier Einzelzonen unterteilt. Die erste Zone des Formwerkzeuges ist gekühlt, um eine Formgebung ohne beginnenden Geliervorgang der Harzmatrix zu gewährleisten. Die restlichen drei Zonen sind beheizt. In der zweiten Zone wird die Gelierreaktion des Harzes gestartet. In den beiden letzten Zonen härtet das Harz komplett aus. Das entstandene Profil wird von der Abzieheinrichtung aus dem Formwerkzeug gezogen und im laufenden Prozess von einer mitlaufenden Säge auf die gewünschte 90 e Länge geschnitten. Mit dem Pultrusionsverfahren können neben einfachen Rechteck- und Rundstabprofilen, uund I-Profilen auch Profile mit komplizierten Formen erzeugt werden (Bild 6.13). Diese Profile werden in erster Linie im Apparatebau, der Heizungs- und Klimatechnik und dem Fahrzeugbau als Därnmmaterial sowie in Form von Verkleidungen und in der Elektrotechnik als Isolatoren eingesetzt.

~

Bild 6.13: Beispiele für Pultrusionsprofile

6.2 Umformen

6.2

223

Umformen

Umformen ist nur bei thermoplastischen Kunststoffen möglich. Duroplaste und Elastomere sind bleibend vernetzt und lassen sich deshalb nicht plastisch verformen. Je nach Prozesstemperatur unterscheidet man beim Umformen das Warmformen und das Kaltformen. Beim Warmformen werden amorphe Thermoplaste auf Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur, teilkristalline Thermoplaste auf Temperaturen im Bereich der Kristallisationstemperatur erwärmt. Kaltformen erfolgt bei Raumtemperatur.

Warmformen Beim Warmformen (Bild 6.14) wird eine fest eingespannte, gleichmäßig erwärmte Folie oder Tafel mit Hilfe von Druckluft, Vakuum oder durch das kombinierte mechanisch-pneumatische Umformen geformt. Das Erwärmen der Tafeln kann in Wärmeschränken, zwischen Heizplatten oder mit Infrarotstrahlern erfolgen. Formteil

1. Erwärmen

c:~~~~~~~~~Kunststoff:~ platte

2. mechanisches Verformen

ebene Kunststoffplatte vor dem Formen Streckziehen mit Druckluft und Negativ-Formwerkzeug

Bild 6.14: Prinzip des Warmformens

Nach der Umformung muss die Kraft solange weiter wirken, bis das Werkstück abgekühlt ist. Die beim Umformen eingefrorenen Spannungen und Orientierungen der Moleküle werden beim Wiedererwärmen frei, d. h. die Umformung wird teilweise rückgängig gemacht. Die Vorteile des Warmformens sind niedrige Umformkräfte und Werkzeugkosten. Damit ist das Verfahren auch für kleinere Stückzahlen geeignet. Durch das erforderliche Beschneiden der Teile ergibt sich jedoch ein hoher Abfa1lanteil. Mit dem Warmformen werden vorwiegend Verpackungen, Behälter sowie Innenverkleidungen für die Automobilindustrie hergestellt.

Kaltformen Kaltformen ist mit Gesenkformen oder Tiefziehen zu vergleichen. Neben dem herkömmlichen Verfahren mit Stempel und Gesenk besteht die Möglichkeit, das Gesenk durch ein Gummikissen zu ersetzen, wenn der Stempel allein die abzubildende Form eindeutig festlegt (Bild 6.15).

6 Bearbeitung von Kunststoffen

224

Kaltformen mit Stempel und Gesenk

Kaltformen mit Stempel und Gummikissen

,

CD

Stempel

, ,

,

Form

Halbzeug

Bild 6.15: Prinzip des Kaltformens

•

Gummikissen

Halbzeug

Der Umformgrad ist relativ gering. Die umgeformten Formteile haben bereits bei Raumtemperatur, vor allem bei erhöhter Temperatur, das Bestreben sich zuriickzuverformen. Diese Eigenschaft wird bei Schrumpfschläuchen und -folien angewandt. Einige teilkristalline Thermoplaste (pA, PE, PP) können in Längsrichtung um ein Vielfaches gestreckt werden, wobei ihre Festigkeit deutlich zunimmt. Diese Anwendung erfolgt bei Textilfasem, Seilen und Bändern.

6.3

Trennen

Gegenüber den Verfahren des Urformens und Umformens, die für eine Massenfertigung geeignet sind, hat das Trennen von Kunststoffen eine untergeordnete Bedeutung. Das Trennen von Kunststoffen kommt in Betracht • • • •

beim Zerteilen von Halbzeug (z. B. Zuschneiden von Tafeln auf Schlagscheren, Ablängen von extrudierten Profilen) bei Nacharbeit von Spritzguss-, Press- und umgeformten Teilen, bei der Herstellung von Einzelstücken, Prototypen, Ersatzteilen und zur Vorbereitung von Schweißnähten.

Bei Thermoplasten und Duroplasten sind alle Verfahren des Spanens mit geometrisch bestimmtem Schneiden anwendbar. Zu beachten sind die im Vergleich zu Metallen grundsätzlich anderen Eigenschaften der Kunststoffe wie schlechte Wärmeleitung, große Wärmeausdehnung, niedrige Erweichungstemperatur, Rückdeformation, Staubentwicklung bei Duroplasten und mögliche Entstehung gasförmiger Zersetzungsprodukte.

Drehen Es sind schnell laufende Drehmaschinen mit Schnittgeschwindigkeiten bis zu 500 m/min erforderlich. Kühlung mit Wasser oder Druckluft ist meistens notwendig. Als Werkzeuge werden

6.4 Fügen

225

Schnellarbeitsstähle oder hartmetallbestückte Werkzeuge eingesetzt. Der Spanwinkel liegt bei 0°. Bei Thermoplasten kann der entstehende Fließ span Probleme bei der Abfuhr bereiten.

Bohren Die Bohrer sollten einen Spanwinkel um 0° aufweisen, damit eine schabende Wirkung erzielt wird. Sie sollten mindestens HSS-Qualität, bei gefüllten Duroplasten Hartmetallschneiden besitzen. In Kunststoff gebohrte Löcher sind meist kleiner als der Bohrerdurchmesser. Gewindeschneiden ist möglich, eingebettete Metallgewindebuchsen sind vorzuziehen. Auf gute Späneabfuhr ist besonders zu achten.

Fräsen Fräsen im Gleich- und Gegenlauf ist möglich, die Maschinen sollten hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen. Fräser für Kunststoffe haben kleine Zähnezahlen. Ihr Spanwinkel beträgt ebenfalls 0°.

Strahlschneiden Hier werden vor allem die Verfahren Hochdruckwasserstrahlschneiden und Laserstrahlschneiden (meist COrLaser) eingesetzt [DEC88, LAN90, KOE89]. Beim Laserstrahlschneiden von Verbundwerkstoffen wird die Schnittqualität im Wesentlichen durch die Faserart bestimmt. Aramidfaserverstärkte Laminate lassen sich im Vergleich zu konventionellen Verfahren besser trennen, während die Schnittgüte bei Glas- und Kunststofffasern deutlich abnimmt. Der Einfluss des Matrixwerkstoffes ist im Vergleich zur Faserart von untergeordneter Bedeutung.

Schleifen Schleifen wird vorwiegend zur Schweißnahtvorbereitung auf Bandschleifmaschinen durchgeführt. Die Körnung des Schleifbandes richtet sich nach der Härte des Kunststoffes Ge weicher der Kunststoff, umso gröber das Schleifband). Bei zu großen Normalkräften besteht die Gefahr des Aufschmelzens. Staubabsaugung ist erforderlich.

6.4

Fügen

Das Fügen von Kunststoffen kann durch Kleben, mechanisches Verbinden und bei Thermoplasten durch Schweißen erfolgen. Beim mechanischen Fügen haben sich sog. Schnappverbindungen durchgesetzt. Sie können direkt in die zu fügenden Kunststoffteile integriert werden. Zum Fügen von Bauteilen aus anderen Werkstoffen werden Kunststoffschnappverbindungen als Hilfsteile eingesetzt.

6.4.1

Schweißen

Eine gute Verschweißung thermoplastischer Kunststoffe wird erst im plastischen Werkstoffzustand erreicht. Die obere Grenze für die Schweißtemperatur liegt in der thermischen Belastbarkeit des Werkstoffes. Bei den meisten Schweißverfahren für Kunststoffe handelt es sich um Pressschweißverfahren.

226

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Reibschweißen Reibschweißen von Thermoplasten erfolgt in gleicher Weise wie bei Metallen. Die zu verbindenden Teile werden unter Druck relativ zueinander bewegt und in den plastischen Zustand überführt. Die Verbindung entsteht durch Abbremsen und Zusammenpressen der Teile.

Heizelementschweißen Die Verbindungsflächen werden durch Heizelemente auf die zum Schweißen erforderliche Temperatur infolge Wärmeleitung gebracht und unter Druck zusammengefügt. Die Verbindungen sind spannungsarm und hoch belastbar.

Ultraschallschweißen Das Ultraschallschweißen beruht auf der Erwärmung der Verbindungsflächen durch Molekularreibung infolge mechanischer Schwingungen im Ultraschallbereich. Die Schallerzeugung erfolgt piezoelektrisch oder magnetostriktiv. Geschweißt wird mit einer Sonotrode unter Druck kontinuierlich oder taktweise (Bild 6.16). Es werden zwei Verfahren, das Nah- und Femfeldschweißen unterschieden. Das Nahfeldschweißen wird bei stark dämpfenden Kunststoffen eingesetzt. Die Schweißnaht entsteht in unmittelbarer Nähe der Sonotrode. Mit dem Fernfeldschweißen werden wenig dämpfende, harte Thermoplaste gefügt, wobei die Schweißnähte auch in größerer Entfernung von der Sonotrode liegen können.

Ultraschallwandler

Transformalionsstück

Sonotrode

Generator und Steuerung

Schweißpresse

Bild 6.16: Ultraschallschweißen von Kunststoffen [SPU98a]

6.4 Fügen

227

Hochfrequenzschweißen Das Hochfrequenzschweißen nutzt die Eigenschaft polarer Kunststoffe (z. B. PVC), sich im hochfrequenten Wechselfeld eines Kondensators zu erwärmen. Die übliche Schweißfrequenz liegt bei 27 MHz. Die Elektroden bestehen aus Kupfer oder Kupferlegierungen und bleiben während des Schweißvorgangs kalt. Das Prinzip des Verfahrens mit der Temperaturverteilung im Werkstück ist in Bild 6.17 dargestellt. Sowohl das Ultraschall- als auch das Hochfrequenzschweißen finden bei der Herstellung von Kunststoffteilen für die Automobilindustrie Anwendung.

Warmgasschweißen

Oberelektrode

Bild 6.17: Hochfrequenzschweißen Zusatzwerkstoff

Sch~htung Anschluss für Wanngasgerät

Beim Warmgasschweißen werden die Schweißstelle und ein Zusatzstab durch einen Warmgasstrom in den plastischen Zustand überführt (Bild 6.18). Der Zusatzstab besteht meist aus artgleichem Werkstoff. Der Schweißdraht (Zusatzwerkstoft) wird von oben senkrecht in eine vorbereitete Naht gedrückt.

Bild 6.18: Wanngasschweißen

6.4.2

Kleben

Das Kleben von Duroplasten erfolgt wie bei Metallen. Auf die entfetteten und aufgerauten Fügeflächen wird ein flüssiger oder plastischer Klebstoff aufgebracht, der durch chemische Reaktion oder physikalische Härtung die Teile miteinander verbindet. Thermoplaste können auch durch Anlösen der Klebeflächen mit einem geeigneten Lösemittel und nachfolgendem Zusammenpressen der zu verbindenden Teile geklebt werden. Hochleistungsklebstoffe sind in der Regel Kunststoffe, die nach der Art ihres molekularen Aufbaus unterschieden werden können: • •

• •

Adhäsions- oder Haftklebstoffe (hochviskose Flüssigkeiten): schwache Klebeverbindung, daher meist wieder lösbar (z. B. Autkleber und Etiketten). Lösungsklebstoffe (Lösungen verschiedener Kunststoffe): Verbindung entsteht durch Verdampfen des Lösungsmittels. Wird als Lösungsmittel Wasser eingesetzt, so handelt es sich um einen Dispersionsklebstoff. Kontaktklebstoffe (synthetischer Kautschuk): schnelle Verbindung, haften sehr stark, sobald das Lösungsmittel komplett verdampft ist. Physikalisch abbindende Klebstoffe: Verbindung wird durch Erstarren eines aufgeschmolzenen Thermoplasten (Heißkleber) geschaffen.

228

•

6 Bearbeitung von Kunststoffen

Chemisch abbindende Klebstoffe: sehr schnelle Vemetzung, z. B. durch Kontakt mit Luftfeuchte der Umgebungsluft (Sekundenkleber), durch Energieeinbringung von außen (UV-Strahlung oder Wärme) oder durch chemische Reaktion des beigefügten Radikalbinders (2-Komponenten-Kleber).

6.5

Beschichten

Lackieren und Bedrucken Das Lackieren von Kunststoffen kann bei entsprechender Vorbehandlung mit den üblichen Lackierverfahren erfolgen. Die Lackmaterialien müssen meist mit ihren Eigenschaften auf die Kunststoffe abgestimmt werden. Bei Verwendung von Lackmaterialien, die hohe Temperaturen zur Filmbildung benötigen, ist die geringe Temperaturbeständigkeit der Kunststoffe zu berücksichtigen. Sollen Kunststoffteile elektrostatisch lackiert werden, sind geeignete Maßnahmen (z. B. vorherige Leitlackbeschichtung) zu ergreifen. Lackieren und Bedrucken setzt eine ausreichende Haftung des Lackes oder der Druckfarbe voraus. Die Haftung kann durch verschiedene Maßnahmen (z. B. Beflammen oder Korona- und Plasmabehandlung) verbessert werden.

Metallisieren Das Aufbringen von Metallschichten auf Kunststoffe kann durch PVD-Verfahren oder elektrolytisch erfolgen (s. Kap. 5).

Beflocken Beflocken ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem auf die zu beschichtende Oberfläche zunächst ein Klebstoff aufgetragen wird und dann kurz geschnittene Fasern mit 0,3 bis 0,7 mm Länge aufgebracht werden. Das Verfahren findet Anwendung bei schallisolierenden Wandverkleidungen, Verpackungen, Textilbeschichtungen sowie Fensterführungen und Verkleidungen in Fahrzeugen.

229

7

Besonderheiten der Keramikbearbeitung

7.1

Urformen

Die Herstellungstechnologie keramischer Werkstoffe gliedert sich in die Phasen Pulversynthese, Masseautbereitung, Formgebung, Sintern und Endbearbeitung (Bild 7.1). • Festkörperaktionen • Schmelzverfahren • Gasphasenreaktionen • Lösung • Mahlen • Mischen • Granulieren • Trocknen • Trocken- oder Naßpressen • Isostatisches Pressen • Strangpressen • Schlickergießen • S ritz ießen • Sintern in verschiedenen Gasatmosphären • Reaktionssintern • Heißpressen • Heissisostatisches Pressen

...... . ..

• Schleifen • Honen • Läppen • Lasertrennen • Funkenrosion

Bild 7.1: Herstellung von Keramik [nach SPUOO]

Pulversynthese Die Rohstoffe werden als Naturstoffe durch Gewinnungs- und Aufbereitungsprozesse oder als Synthesestoffe durch chemische Verfahrensprozesse überwiegend in Pulverform bereitgestellt. Als natürliche Rohstoffe werden Ton, Kaolin , Feldspat, Quarz und andere Mineralien verwendet. Wichtige synthetische Rohstoffe sind Aluminiumoxid (Ah03), Zirkonoxid (zrO z), SiliE. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_7, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

230

7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung

ziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (ShN4) . Für die Herstellung synthetischer Keramikpulver stehen eine große Anzahl verschiedener Methoden zur Verfügung, die sich in vier Gruppen einteilen lassen (Bild 7.1). Der Vorteil der synthetischen Rohstoffe besteht in ihrer definierten und konstanten chemischen Zusammensetzung, die eine wesentliche Voraussetzung für die Gleichmäßigkeit der keramischen Eigenschaften ist.

Masseaufbereitung Vielfach muss für den nachfolgenden Formgebungs- und Sinterprozess eine bestimmte Korngrößenverteilung und Homogenität der Pulvermischung vorliegen. Spezielle Massen werden deshalb zuerst in einem Mahlprozess zerkleinert. Die dazu verwendeten Anlagen sind Brecher (Backen- und Kegelbrecher) und Mühlen (Schwing-, Hammer- und Trommelmühle). Bei der Mahlung können die keramischen Rohstoffe durch den Abrieb der Mahlkörper verunreinigt werden. Die Entfernung des Abriebes ist u. a. mit der Magnetabscheidung möglich. Eine weitaus einfachere Methode ist es, die Mahlkörper in der Zusammensetzung des Mahlgutes auszuführen. Der Mahlvorgang kann trocken oder nass durchgeführt werden. Als Nassmahlmedien werden Flüssigkeiten verwendet, die nur eine unbedeutende Löslichkeit für die zu mahlenden Stoffe besitzen. Die Vorteile der Nassmahlung sind eine höhere Homogenität, eine gewisse Plastifizierung des Mahlgutes durch Oberflächenveränderungen, ein leichteres Absieben der wässrigen Aufschlämmung sowie eine leichtere Reinigung. Als Nachteile stehen letzteren ein höherer Abrieb des Mahlaggregates sowie das nachträgliche Trocknen des Mahlgutes entgegen. Für den Fall, dass eine weitere Verarbeitung der Rohstoffe eine vorgegebene Korngröße erfordert, findet nach der Zerkleinerung eine Klassierung oder Fraktionstrennung des Korngrößenspektrums statt. Eine einfache Methode ist das Absieben der getrockneten Masse über Vibrationssiebe oder bei keramischen Suspensionen über Viskosiebe. Weitere Verfahren sind das Klassieren in Gasen und das Windsichten. Zur Masseaufbereitung gehört die vollständige Mischung der einzelnen Rohstoffe untereinander. Sie ist unabdingbare Voraussetzung für den Erhalt eines homogenen keramischen Sinterproduktes. Die synthetischen Pulver weisen eine äußerst geringe Bildsamkeit auf. Aus diesem Grund werden den Pulvern Zusatzstoffe (Additive) beigemischt, die je nach Formgebungsverfahren in unterschiedlicher Art und Konzentration zur Anwendung kommen. Wenn die Pulver im Nassmahlverfahren hergestellt worden sind, schließt sich ein Trocknungsprozess an. Die wichtigsten Verfahren sind die Gefrier- und die Sprühtrocknung. Bei der Gefriertrocknung wird zunächst die feuchte Masse tiefgefroren, damit das Wasser als Eis auskristallisiert. Anschließend findet unter einem Vakuum die Sublimation des Wassers statt. Bei der Sprühtrocknung wird eine versprühte Suspension in einem heißen Luftstrom getrocknet. Bei dem Verfahren ist eine optimale Durchmischung der Basisrohstoffe und der Additive gewährleistet.

Formgebung Im Sinne der DIN 8580 werden zur Formgebung keramischer Bauteile Urform- und Umformverfahren angewandt, denen sich noch Verfahren des Trennens zur weiteren Bearbeitung anschließen können.

7.1 Urformen

231

Beim Spritzgießen, werden dem Pulver organische Hilfsstoffe (Thermo- und Duroplaste) zugegeben, die das Pressen des Pulvers durch die Düse verbessern. Vor dem Sintern müssen die organischen Bestandteile, die letztlich nur zur Formgebung benötigt wurden, aus dem Teil entfernt werden (Entbindern), wobei dies seine Dimensionen nicht ändern darf. Als Verfahren seien an dieser Stelle nur die thermische Entbinderung (bis 200 h bei 450 "C), die Lösungsmittelentbinderung und die katalytische Entbinderung genannt. Das Verfahren eignet sich für große Stückzahlen kleineren Volumens.

on oB

Beim Schlickergießen wird durch geeignete chemische Zusätze eine Aufschlämmung keramischer Komponenten in einer wässrigen Suspension (15-30 % HzO) erzeugt und anschließend in einer GipsSchllcker Gipsform Wasser form vergossen (Bild 7.2). Verursacht durch Diffusions- und Filtrationsprozesse Bild 7.2: Schlickergießen entzieht die Gipsform der Suspension das Wasser. Infolge dieses Prozesses kommt es an der Grenzschicht am Übergang von der Form zum Schlicker zu einer Feststoffanreicherung, auch Scherbenbildung genannt. Nach dem Entformen werden die Gipsformen getrocknet und wieder verwendet. Das Verfahren eignet sich für großvolumige Bauteile mit komplizierten Geometrien. Eine besondere Form des Schlickergießens ist das Foliengießen. Der Schlicker wird mit organischen Flüssigkeiten, Weichmachern und Bindern versetzt und in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Endlosband vergossen. Das Lösungsmittel verdampft und das Band wird zur Weiterverarbeitung vom Gießband genommen. Es lassen sich Folien bis zu einer minimalen Dicke von 0,2 mm fertigen, die als Substratrnaterial in der Mikroelektronik verwendet werden. Beim Schmelzgießen wird die keramische Masse bei Temperaturen über 2000 "C im Lichtbogen aufgeschmolzen. Hierfür eignen sich in der Regel nur Oxidkerarniken, die bei den hohen Temperaturen keine Reaktion mit dem Sauerstoff der Umgebungsatrnosphäre eingehen. Das Verfahren ist sehr teuer und wird selten angewandt. Beim Strangpressen werden dem Pulver ein kleiner prozentualer Anteil eines meist wasserlöslichen Binders zugesetzt, so dass nach Zugabe einer entsprechenden Menge Wasser « 20 %) eine bildsame, gut verformbare Masse entsteht, die der Verarbeitung auf Kolben- und Schneckenpressen zugeführt werden kann. Neben der Formgebung findet somit auch gleichzeitig eine Homogenisierung und Entgasung der Massen statt. Das Verfahren dient der Erzeugung unterschiedlicher Profile wie Rohre und Stäbe. Bei hochwertigen Bauteilen wird das Verfahren im Vakuum durchgeführt. Die Stäbe können durch anschließendes Walzen zu Platten verarbeitetwerden. Beim isostatischen Pressen führt eine allseitige Druckeinleitung zum Wegfall der KornWandreibung des Presswerkzeuges (Bild 7.3). Die Pulver können je nach Pulvercharakteristik bei Pressdrücken von 400 MPa auf 85 % der Dichte des gebrannten Produktes vorverdichtet werden. Zur Verdichtung wird das Pulver in eine Form gegeben. Als druckübertragendes Medium dient dabei eine Flüssigkeit (Ölbad). Bei den Formen werden Trocken- und Nassmatrizen unterschieden. Trockenrnatrizen besitzen eine Stützgeometrie bzw. Ölkanäle, durch die der Druck auf das Pulver gleichmäßiger verteilt wird. Mit Trockenmatrizen lassen sich somit entkonturnahere Grünlinge herstellen.

232

Isostatische Druckverfahren werden vor allem dann angewandt, wenn zum Sintern eine hohe Ausgangsdichte des Pulvers erforderlich ist. Dies trifft :für Sinterprozesse zu, die einen geringen Anteil an flüssiger Phase haben und deren Komponenten nur über geringe Selbstdiffusionskoeffizienten verfügen, da die bessere Kontaktierung der Pulverteilchen zu einer Verkürzung der Diffusionswege beim Sintern führt. Außerdem ist die Schwindung gleichmäßiger und die Rissgefahr geringer. Das Trockenpressen erfordert eine aufwendige Pulvervorbereitung, da an das

7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung

_

.....

- - Kolben

Entlüflungsventll mil Bleidichtung :TTT7l_

Spannringe

NeoprenGummidichlung Glyzerin Hydrostatische ~--.I<..;'~ Kammer Gumml-

~~~"B7't""-Abdeckhaube Stahldorn -_~~~ Gummiform Pulver

Bild 7.3: Isostatisches Pressen [SPUOO]

Fließverhalten der Pulver beim Füllen der Matrize und beim eigentlichen Pressvorgang definierte Anforderungen gestellt werden müssen. Üblicherweise wird daher eine Granulation des keramischen Pulvers über Sprühtrocknung herbeigeführt. Es folgt gleichzeitig die Zugabe geeigneter Gleit- und Bindemittel, um die Reibungskräfte zwischen den Pulverteilchen bzw. zwischen Matrize und Pulver zu verringern und um dem Presskörper eine genügende Festigkeit zu verleihen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auch komplizierte Teile mit engen Fertigungstoleranzen mittels hoch mechanisierter und automatisierter Fertigungstechnik hergestellt werden können. Allerdings müssen hohe Anforderungen an die Ausführungen der Pressmatrizen gestellt werden. Das Nasspressen von keramischen Massen mit einem Wassergehalt von 8-12 % ist mit einem guten Fließverhalten verbunden und ermöglicht die Fertigung komplizierter Geometrien. Von Nachteil sind der hohe Trocknungsaufwand und eine geringere Maßhaltigkeit der Bauteile. Der Pressvorgang erfolgt auf hydraulischen Pressen bei etwa 1-20 MPa.

Sintern Das wichtigste Verfahren zur Herstellung keramischer Werkstoffe stellt das Sintern dar. Es bewirkt die Überführung der geformten Pulverkörper in einen keramischen Werkstoff. Als Sintern wird die reversible Verfestigung einer kontaktierten Pulvermenge unter Einfluss einer Wärmebehandlung bezeichnet. Es ist ein chemisch-physikalischer Prozess, bei dem durch Oberflächenspannungen Diffusionsvorgänge im Formkörper stattfinden. Die Verfestigung der Formkörper erfolgt im festen Zustand unterhalb des Schmelzpunktes des am niedrigsten schmelzenden Bestandteils. Der Sinterprozess lässt sich wie folgt beschreiben: Das Pulvergemenge besitzt eine hohe freie Enthalpie, da es über eine hohe spezifische Oberfläche und damit eine hohe Oberflächenenergie verfügt. Jeder Sinterkörper ist bestrebt, die freie Enthalpie, die in Form von Grenz- und Oberflächenenergien, Gitterdefekten und Kapillarkräften gespeichert ist, zu verringern. Im Frühstadium des Sinterns verbinden sich die Pulverteilchen miteinander und bilden Hälse, die im Laufe des Sinterprozesses größer werden (Bild 7.4). Durch das Halswachstum verringert

7.1 Urformen

233

sich die spezifische Oberfläche des Pulvergemenges, was gleichbedeutend mit einer Erniedrigung der freien Enthalpie ist. Die Halsbildung führt auch zur Neubildung von Korngrenzen. Halswachstum und Vergrößerung bzw. GaSPhasendiffusio~ Komgrenzen- bzw. Neubildung von Korngrenzen sind nur ~\ Oberflächendiffusion möglich, wenn ein Massentransport stattfindet. Als Mechanismen für den Massentransport sind die Volumen- bzw. GitterKomgrenzenOberflächendiffusion, die Korngrenzen-, Gitter- und Gasphasendiffusion zu nennen. Bei den meisten Mechanismen nähern sich die Mittelpunkte der Teilchen einander, so dass die Dichte des Formkörpers ansteigt. Dabei erniedrigt sich die Kom 1 Komgrenze Abscheidung Kom 2 Porosität. Makroskopisch verkleinert sich am Kontaktbereich der Körper unter Beibehaltung der Form. Bild 7.4: Modell für den Sinterprozess Es findet eine Schwindung statt. Mit der Abnahme der Porosität ändert sich auch die Porenstruktur. Während der ungebrannte Körper ein Netzwerk von offenen Poren enthält, werden mit dem Einsetzen des Halswachstums die Poren nach und nach geschlossen. Das Endstadium des Sinterns ist erreicht, wenn nur noch geschlossene Poren vorliegen.

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Drucksintern Die Korrosions- und Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe kann in vielen Fällen nur dann wirklich genutzt werden, wenn das Material ein porenfreies bzw. porenarmes Gefüge besitzt. Die Forderung nach einer hohen Verdichtung kann erst durch ein Drucksinterverfahren erfüllt werden. Das Drucksintern ist darauf ausgerichtet, viskose Fließprozesse der Keramikpulver bei hohen Temperaturen und hohem Druck für die Verdichtungsprozesse zu nutzen. Wegen des langsameren Kristallwachstums bei niedrigeren Temperaturen stellt sich auch ein feinkörnigeres Gefüge ein. •

Heißpressen Beim Heißpressen handelt es sich um ein axiales Pressen bei hohen Temperaturen (500 bis 1800 0C). Das Heißpressen wird mit Formwerkzeugen aus Graphit und Keramik auf mechanischen bzw. hydraulischen Presssystemen durchgeführt. Die Beheizung des Ofens erfolgt induktiv oder über einen Graphitwiderstand. Als Atmosphären werden Argon, Stickstoff oder Vakuum verwendet. Bei diesem Verfahrensprinzip werden Formgebung und Sintern gleichzeitig ausgeführt. Dies bedingt jedoch nur formal eine Vereinfachung der keramischen Herstellungstechnologie, denn bei Anwendung dieses Verfahrens können wichtige Verfahrensschritte wie etwa die Grün- und Weißbearbeitung nicht stattfinden. Dies erweist sich als ein großer Nachteil, da die Formgebungsmöglichkeiten bei diesem Verfahren schon von sich aus beschränkt sind. Das Heißpressen kann nur bei einfachen Geometrien wie Zylindern, Quadern und Platten zur Anwendung gebracht werden. Es gilt daher für die meisten Anwendungsfälle als sehr unwirtschaftlich und wird nur dann angewendet, wenn die mit diesem Verfahren er-

234

7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung

reichbaren Eigenschaften unbedingt notwendig sind oder wenn andere Verfahren in Bezug auf eine hohe Verdichtung versagen. •

Heißisostatisches Pressen Ein modemes Drucksinterverfahren stellt das heißisostatische Pressen (HIP) dar. Das Pulver wird in eine vakuumdichte, bei hohen Temperaturen duktile Hülle eingebracht. Diese besteht aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram, Molybdän, Tantal oder Kieselglas. Das Verfahren nutzt Arbeitsgase wie Stickstoff und Argon zur Druckübertragung. Die Arbeitsdrücke liegen zwischen 30 und 200 MPa.

Obwohl bei dieser Presstechnik höchste Verdichtungsgrade bei minimalen Sinteradditivgehalten möglich sind, wird dieses Verfahren wegen der aufwendigen Hülltechnik und wegen der meist teuren Hüllmaterialien relativ selten angewandt. Wesentlich häufiger wird die HIP-Technik genutzt, um einen drucklos vorgesinterten Körper nachzuverdichten. Damit dies allerdings gelingt, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein. Zunächst sollte der Vorkörper so weit verdichtet sein, dass nur noch eine geschlossene Porosität vorliegt. Des Weiteren muss der vorgesinterte Körper noch eine Restsinteraktivität besitzen.

Grün- und Weißbearbeitung Komplizierte Werkstückkonturen erfordern eine zusätzliche Bearbeitung durch trennende Fertigungsverfahren. In Abhängigkeit vom Produktionsablauf lassen sich die Grün- und Weißbearbeitung in die Nach-, End-, oder Hartbearbeitung unterteilen (Bild 7.5). Pulversynthese, Masseaufbereitung

Keramikerzeugung

Fertigungsabschnitte al!nl[mJ!mmrltmln Fertigungsverfahren

Bild 7.5: Einordnung der GTÜn- und Weißbearbeitung in den Fertigungsablauf [nach SPUOO]

Die Grünbearbeitung erfolgt direkt im Anschluss an die Formgebung vor dem Brand. Als Weißbearbeitung ist die Bearbeitung eines nach einem Vorbrand verfestigten Bauteils defi-

7.2 Trennen

235

niert, dessen Schwindung noch nicht abgeschlossen ist. Die Nach-, End- oder Hartbearbeitung bezieht sich auf die endgültig gebrannten Keramiken. Sie besteht aufgrund der geringen möglichen Abtrennvolumina vorwiegend aus Feinbearbeitungsverfahren und ist mit hohen Kosten verbunden. Alle bestimmenden Formänderungen am Werkstück werden vor dem Brand durchgeführt, da die Grün- und Weißbearbeitung infolge der geringen Werkstoffverfestigung der Rohlinge und der anwendbaren Fertigungsverfahren größere Zeitspanungsvolumina, also kürzere Bearbeitungszeiten zulässt. Bei der Grün- und Weißbearbeitung können alle spanenden Verfahren mit geometrisch bestimmter und -unbestimmter Schneide verwendet werden. Die Bearbeitung der Grünlinge ist auch mit einfachsten Mitteln, beispielsweise von Hand, mit einem Spachtel oder mit einem feuchten Schwamm möglich. Das primäre Ziel der Bearbeitungsschritte vor dem Brand ist die Erzeugung einer endformnahen Kontur, wobei eine Verbesserung der Maß- und Formtoleranzen nur bedingt erreicht werden kann. Eine Verbesserung der Oberflächengüte ist durch spanende Bearbeitungsverfahren nicht möglich. Mit der Zerspanung eingebrachte Kerben oder sonstige Fehlstellen verschlechtern die mechanischen Eigenschaften des Fertigteils. Die geringe Festigkeit der Grün- und Weißlinge wirft Probleme beim Transport, bei der Handhabung und beim Spannen auf. Ihre hohe Empfindlichkeit und die abrasiv wirkenden Abspanprodukte, die beispielsweise im Fall von Graphit elektrisch leitend sind, müssen auch bei den Maschinenkonzeptionen berücksichtigt werden.

7.2

Trennen

Die an die Bauteile gestellten Anforderungen bezüglich Formgenauigkeit, Maßgenauigkeit und Oberflächengüte können durch Formgebung und Sintern nicht ohne zusätzliche Bearbeitung erreicht werden. Dies liegt zum einen an den beschränkten Formgebungsmöglichkeiten, zum anderen an Schwindungs- und Verzugserscheinungen, die beim Trocknen und während des Brandes entstehen. Neben den ungenügenden Form- und Maßgenauigkeiten treten in der Oberflächenrandzone Werkstofffehler auf, die zur Gewährleistung der Sicherheit beim späteren Bauteileinsatz durch eine spanende Nachbearbeitung beseitigt werden müssen. Die Werkstoffeigenschaften, die die Bearbeitbarkeit keramischer Werkstoffe stark vermindern, sind die hohe Härte, die fehlende Duktilität, die geringe Thermoschockbeständigkeit und die hohe Schmelz- und Zersetzungstemperatur. Die hohe Härte und Sprödigkeit schließen bei den meisten keramischen Werkstoffen die Anwendung spanender Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide weitgehend aus. Gründe dafür liegen nicht nur in der geringen Werkzeugstandzeit, sondern insbesondere in der schlechten Oberflächenqualität und den hohen Randzonenschädigungen. Wesentliche Kriterien zur Auswahl von Endbearbeitungsverfahren sind einerseits die erreichbaren Zeitspanvolumen, andererseits die herstellbare geometrische Bauteilkomplexität in geforderter Maß- und Formgenauigkeit sowie die Oberflächenqualität. Hinsichtlich des Zeitspanvolumens nimmt das Schleifen den höchsten Stellenwert unter den Nachbearbeitungsverfahren ein. Funktionsflächen höchster Oberflächengüten lassen sich durch Läppen fertigen. Das Ho-

236

7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung

nen gelangt vor allem für die Fertigung von kleinen und langen Bohrungen zur Anwendung. Diesen Verfahren sind jedoch in Bezug auf die Komplexität der zu erzeugenden Konturen Grenzen gesetzt. Hierfür bieten sich das Ultraschallschwingläppen, Funkenerodieren und Lasertrennen an.

7.2.1

7.2.1.1

Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden

Schleifen

Verfahren Bauteile aus Keramik werden vorwiegend durch Plan- und Rundschleifen bearbeitet. Keramische Werkstoffe werden für Teile mit Verzahnungen oder Gewinden sehr selten verwendet. Daher spielen das Wälz- und Schraubschleifen nur eine untergeordnete Bedeutung.

Werkzeuge Aufgrund der hohen Härte keramischer Werkstoffe werden für eine wirtschaftliche Schleifbearbeitung Diamantwerkzeuge verwendet. Wegen des hohen Preises des hochharten Schleifmittels bestehen Diamantschleifscheiben aus einem Grundkörper und einem auf ihn aufgebrachten Schleitbelag. Während der Grundkörper die statische und dynamische Steifigkeit des Schleifkörpers bestimmt, entscheiden die Zusammensetzung und die Topographie des Schleifbelages weitgehend über die Zerspanungseigenschaften der Schleifscheibe. Bei der Wahl des Werkstoffes für den Grundkörper sind die Werkstoffeigenschaften Dämpfungsverhalten, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit zu berücksichtigen. Oft verwendete Grundkörperwerkstoffe sind Aluminium, Stahl, Keramik und Kunstharz mit metallischen und nichtmetallischen Füllstoffen. Der Schleifbelag setzt sich aus dem Schleifmittel, dem Bindungsmaterial und gegebenenfalls Zuschlagstoffen zusammen. Bei den Schleifmitteln wird zwischen synthetischen und natürlichen Diamantkömem unterschieden. Wichtigstes Kriterium zur Klassifizierung von Diamantkömungen sind die Schlagfestigkeit und die Wärmebeständigkeit. Die Bindungssysteme können in Kunstharz-, Metall-, Keramik- und galvanische Bindungen eingeteilt werden. Die Aufgabe der Bindungen besteht zum einen darin, die hochwertigen Diamantkörner bis zum Erreichen des Verschleißzustandes festzuhalten, zum anderen darin, einen Spanraum für die Spanabfuhr zu bilden. Eine bleibende Schleiffähigkeit ist nur dann gegeben, wenn die Spanräume, oder anders ausgedrückt, der Komüberstand konstant gehalten werden. Dies erfolgt nur, wenn sich der Kom- und der Bindungsverschleiß gleichmäßig fortsetzen. Daher ist der durch Abspanprodukte verursachte Bindungsverschleiß an den Komverschleiß anzupassen. Das Schleifverhalten wird nicht nur von den Prozessparametern und der Werkzeugauswahl festgelegt. In besonderem Maße beeinflusst die Schleifscheibenvorbereitung das Schleifergebnis. In Arbeitsschritten, die dem Schleifprozess vor- oder gleichgeschaltet sind, muss eine auf die Schleifaufgabe ausgerichtete Wirkfläche am Schleifwerkzeug ausgebildet werden. Alle zur Schleifscheibenvorbereitung notwendigen Operationen werden unter dem Oberbegriff Konditionieren zusammengefasst.

7.2 Trennen

237

Das Konditionieren umfasst zum einen das Abrichten, zum anderen die Schleifscheibenreinigung. Im Gegensatz zur Metallbearbeitung mit konventionellen Schleifscheiben, bei denen der für die Schleifbearbeitung notwendige Rundlauf, die Profilform und die Schleifscheibentopografie in einem Arbeitsgang erzeugt werden, muss das Abrichten von hochharten Diamantschleifscheiben häufig in zwei Schritten erfolgen, dem Profilieren und dem Schärfen. Beim Profilieren wird die Makrostruktur der Schleifscheibe hergestellt. Hierzu ist der Schleifscheibenrundlauf in Umfangsrichtung und das Scheibenprofil zu zählen. Während des Profiliervorganges werden sowohl Veränderungen im Bereich der Körnungen als auch der Bindungen durch Trennvorgänge vorgenommen. Eine hohe Rundlaufgenauigkeit ist zur Vermeidung von Schnittkraftschwankungen und damit verbundenen Folgefehlern wie Maschinenschwingungen und Gestaltabweichungen unbedingt erforderlich. In Abhängigkeit vom angewandten Profilierverfahren weisen Diamantschleifscheiben nach

dem Profilieren einen zu geringen Kornüberstand über die Bindung auf, so dass in nach- oder gleichgeschalteten Schärfoperationen die Schleifscheibenbindung gezielt zurückgesetzt werden muss. Die Erzeugung der Topografie durch das Schärfen muss so ausgelegt sein, dass nur die Schleifscheibenbindung entfernt wird und kein Verlust an schneidfähigen Diamantkörnem eintritt. Die so erzeugte Mikrostruktur bestimmt bei der Schleifbearbeitung im Wesentlichen die Größe der Schleifkräfte, der Schleiftemperaturen und des Schleifverhältnisses. Die Schleifscheibenreinigung hat die Aufgabe, Rückstände aus dem Spanraum der Schleifscheibe zu entfernen, ohne dabei die Körnung oder die Bindung zu beseitigen. Rückstände sind Abspanprodukte der Bindung, des Kommaterials und vor allem des Werkstückes.

7.2.2

Thermisches Abtragen

Für die Bearbeitung keramischer Werkstoffe stellen die Fertigungsverfahren des thermischen Abtragens eine technische Alternative zu den spanenden Fertigungsverfahren dar. Während die spanende Bearbeitung aufgrund der hervorragenden Härte und Verschleißfestigkeit der Keramiken an die Verwendung extrem harter Schneidstoffe gebunden ist, ergibt sich bei der Anwendung abtragender Fertigungsverfahren aufgrund des nichtmechanischen Materialabtrages keine direkte Einschränkung der Bearbeitbarkeit. Zur Bearbeitung keramischer Werkstoffe durch thermisch abtragende Verfahren kommen aufgrund der erforderlichen hohen Energiedichten nur das Abtragen auf der Basis der elektrischen Gasentladung und das Abtragen durch Strahl in Frage. Für die industrielle Anwendung haben vor allem die Funkenerosion und das Abtragen durch Laserstrahl eine große technische und wirtschaftliche Bedeutung. Während sich geometrisch einfache Oberflächen durch spanende Verfahren wie Schleifen, Honen und Läppen fertigen lassen, bereitet die Erzeugung von komplexen Konturen, Durchbrüchen und kleinsten Bohrungen oft erhebliche Schwierigkeiten. Neben dem Ultraschallschwingläppen bietet nur das funkenerosive Abtragen die Möglichkeit einer komplexen dreidimensionalen Formgebung an keramischen Bauteilen. Das Abtragen mit Laserstrahl eignet sich vor allem zum Trennen keramischer Plattenmaterialien und zum Einbringen von Bohrungen [SPUOO].

238

8

Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe

Unter den nachwachsenden Rohstoffen ist der Werkstoff Holz von besonderer industrieller Bedeutung, und daher auch für die Fertigungstechnik zentral. Fertigungstechnisch komplexer als die Verarbeitung von Vollholz ist die Herstellung von Holzwerkstoffen. Holzwerkstoffe werden hergestellt, indem Vollholz zum Teil aufgelöst und in neuer Form wieder zusammengefügt wird. Unter den Holzwerkstoffen wiederum sind Spanplatten das wichtigste Produkt.

8.1

Herstellung von Spanplatten

Spanplatten werden vor allem in der Möbel- und Bauindustrie verwendet. Die Eigenschaften von Spanplatten sind weniger anisoptrop als die von Vollholz, Wachstumsfehler sind nicht vorhanden und sie reagieren weniger empfindlich auf Feuchtigkeitsänderungen.

8.1.1

Rohstoffe

Den wichtigsten Rohstoff für die Herstellung von Spanplatten stellen Holzreste dar. Neben Hobel- und Sägespänen werden Waldholz und Restholz aus der Sägeindustrie zerspant und als sog. künstliche Späne eingesetzt. Andere Rohstoffe sind Flachsschäben, Bagasse und in geringem Maße Bambus und Stroh. Der Zusammenhalt der Spanplatten wird in der Regel mittels duroplastischer, wärmehärtender Klebstoffe geschaffen. Als synthetische Bindemittel werden vorwiegend Harnstoff-, Melaminund Phenolformaldehydharze verwendet. In jüngster Zeit kommen auch pflanzliche Klebstoffe (Tannine) zum Einsatz. Tannine werden aus Rindenextrakten von Mangroven- und Wattlebäumen gewonnen. Die Kondensation der Harnstoffharze wird beim Harzhersteller künstlich unterbrochen. Durch Zugabe zusätzlicher Härter (Ammoniumchlorid und Ameisensäure) härten diese bei der Spanplattenpressung vollständig aus. Spanplatten quellen bei Einwirkung eines Feuchtigkeitsklimas und bei Benetzung mit Wasser. Um die Quellung zu vermindern, wird ein Hydrophobierungsmittel in Form einer Paraffinemulsion auf die Späne aufgebracht. Fast alle in der Spanplattenindustrie verwendeten Holzarten sind nicht pilzfest. Die gebräuchlichsten Holzschutzmittel sind Fluorverbindungen, Salzgemische oder organische Wirkstoffe.

E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_8, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

8.1 Herstellung von Spanplatten

239

Da Spanplatten zu 80-82 % aus Holz bestehen, sind sie grundsätzlich brennbar. Durch eine homogene Verteilung eines Feuerschutzmittels in der Platte kann das Durchbrandverhalten verbessert werden. Als Feuerschutzmittel fungieren verschiedene Phosphate, Borate sowie Borsäure.

8.1.2

Fertigungsprozess

Die Spanplattenherstellung lässt sich in vier Fertigungsabschnitte einteilen (Bild 8.1) .

Spanherstellung Das Rohholz muss vor der eigentlichen Zerspanung vorbehandelt werden. Hierzu gehören die Entrindung, Reinigung, Sortierung und Konditionierung. Die Entrindung steigert die technische und optische Qualität der Platte . Bei besonders hohen Anforderungen an die Qualität der Spanplattendecklagen erfolgt eine Sortierung nach Gesundheit, Farbreinheit, Vollformigkeit und Feuchte. Die Zerspanung kann grundsätzlich mit Hilfe von Schneidaggregaten und Mühlen erfolgen. Es kommen in der Regel die Direktzerspanung und die Hackschnitzelzerspanung zum Einsatz. 1.Spanherstellung

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Bild 8.1: Fertigungsschritte bei der Herstellung von Spanplatten

Spanaujbereitung Nach der Spanherstellung müssen die Späne durch Trocknung auf einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 4-(j % gebracht werden. Die Trocknungsgeschwindigkeit wird im Wesentlichen durch das Ausmaß der Wärmezufuhr und des Wärmeüberganges bestimmt. Die Wärmeübertragung erfolgt entweder durch direkten Kontakt mit wärmeabgebenden Flächen, durch Konvektion bei gasförmigen Trocknungsmedien oder durch Wärmestrahlung.

240

8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe

Die unterschiedlichen Abmessungen der Späne nach ihrer Erzeugung zwingen zu einer Sichtung des Spangutes. Zu dicke Späne ergeben bei Verwendung als Deckenlagespäne unruhige und porige Oberflächen. Als Mittellagenspäne bedingen sie poröse Kanten. Ein zu hoher Feingutanteil im Spangut ruft eine ungleichmäßige Beleimung hervor, indem das Feingut auf Grund seiner spezifisch größeren Oberfläche einen erheblichen Teil des Bindemittels absorbiert, ohne in jedem Fall eine genügende Verleimung zu gewährleisten. Die einfachste Methode der Spanseparierung ist der Einsatz von Siebmaschinen. Beim Einsatz von Sieben wird die Trennung überwiegend durch die Flächenabmessungen der Späne beeinflusst und weniger durch die, für die Spanqualität wichtigere, Dicke. Sie werden deshalb häufig zur Trennung von grobem und feinem Spangut verwendet. Die Fraktionierung des Spangutes erfordert weitere Sichtsysteme. Die Beleimung gliedert sich in die Abschnitte Leimaufbereitung, -dosierung und -auftrag. Die verwendete Leimtlotte wird erst im Spanplattenwerk angesetzt. Zum einen sind die benötigten Leimmengen groß, zum anderen besitzt die fertige Mischung nur eine begrenzte Topfzeit (Verarbeitungszeit), Eine konstante Beleimung wird durch eine Spänedosierung und einen entsprechenden nachgeregelten Beleimungsvorgang sichergestellt.

Streuung und Pressung Die Streuung des Spänevlieses ist einer der wichtigsten Abschnitte in der Spanplattenfertigung. Da viele Eigenschaften der Spanplatten mit der Rohdichte korrelieren, kann nur durch eine genaue Dosierung ein in Plattenebene homogener Werkstoff erzeugt werden. Senkrecht zur Plattenebene wird in der Regel ein geschichteter Aufbau oder ein stetiger Übergang der verschiedenen Spansorten gefordert. Für die Mittelschichten von Spanplatten werden relativ grobe, weniger stark beleimte Späne verwendet. In den Randzonen der Platten werden feine Späne angeordnet. Dadurch ergeben sich glatte Oberflächen und eine Verbesserung des Biegeverhaltens in derPlatte. Es gibt zwei Möglichkeiten, um den gewünschten Plattenaufbau zu erzielen. Entweder wird o das Spangut vor der Beleimung separiert und über verschiedene Streuk:öpfe auf die Formungsunterlage gebracht oder die Separierung erfolgt erst bei der Streuung der Späne. Die Separierung während der Streuung gewährleistet, dass der Übergang zwischen den verschie\<~i>.:., ... ) :. :( > . denen Spanfraktionen stufenlos erfolgt. Dabei -,~~~~~~,.;:.:';;;~ :ijli: ;'~'~~ werden zwei Systeme, die Wurf- (Bild 8.2) und die Windstreuung eingesetzt. In beiden Fällen ist das Verhältnis von Masse zur Oberfläche Bild 8.1: Wurfstreuung des Spanes ausschlaggebend für die Separlerung. Bei der Wurfttreuung werden die Späne einer rotierenden Walze zugeführt. Durch die Energie, die den Spänen durch die Wurfwalze vermittelt wird, fliegen die groben Späne auf Grund ihrer im Verhältnis zur Oberfläche größeren Masse weiter als die feinen Späne, die an der Streumaschine unmittelbar herunterrieseln. Durch die Anordnung von zwei gegeneinander arbeitenden Wurfstreuköpfen kann ein symmetrischer Plattenaufbau erzeugt werden. Bei der Windstreuung werden die Späne durch einen Luftstrom mitgerissen.

8.1 Herstellung von Spanplatten

241

Anschließend erfolgt das Pressen des gestreuten Spänevlieses und damit die eigentliche Erzeugung der Platte. Hierbei werden die Platteneigenschaften weitgehend geprägt. In der Heißpresse findet unter Druck bei erhöhter Temperatur die Aushärtung des Bindemittels statt. Das lose Spänevlies wird durch die Anwendung von Druck komprimiert. Hierbei erfolgen elastische und plastische Verformungen der Späne. Die plastischen Verformungen werden durch die erhöhte Temperatur und Feuchtigkeit unterstützt. Die Aushärtung des Bindemittels findet ab einer Temperatur von ca. 100 "C statt. Die sich bildenden Verknüpfungspunkte zwischen den Spänen nehmen deren Rückstellkräfte auf, so dass bei vollständiger Vernetzung der erforderliche Pressdruck praktisch auf Null abgefallen ist und die fertige Rohplatte theoretisch keine Rückfederung mehr zeigt. In Bild 8.3 sind die Prozessketten des kontinuierlichen Pressens und des Mehretagen-Taletpressen schematisch dargestellt. Zuf&derer

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Bild 8.3: Schematische Darstellung der Prozessketten zur Formung und Pressung von Spanplatten (Quelle : Dieffenbacher, 2003)

Für den Transport des gestreuten Spänevlieses werden Aluminiumbleche verwendet, die als Spangutträger mit in die Heißpresse eingebracht werden. Nachteilig ist hierbei, dass Dickenschwankungen der Pressbleche auf die fertigen Platten übertragen werden und dass die Rückführung der Bleche nach der Heißpresse sowie verwendete Kühlvorrichtungen maschinentechnisch aufwendig sind.

Endfertigung Während des Heißpressens finden eine Austrocknung der Deckschicht und eine Feuchteanreicherung in der Mittelschicht statt. Bei Ausgleich dieses Feuchtigkeitsgradienten ergeben sich entsprechend den Quellmaßen gegensinnige Verformungen, die zu erheblichen Spannungen

242

8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe

führen können. Durch eine Reifelagerung in Stapeln auf planer Unterlage kann ein langsamer Feuchtigkeitsausgleich erfolgen. Die auftretenden Spannungen relaxieren weitgehend, unterstützt von den noch relativ hohen Temperaturen in den Stapeln. Erst nach Abschluss dieser Konditionierung erfolgt die Weiterverarbeitung. Nach dem Konditionieren erfolgt in der Regel das Begradigen der Spanplattenkanten, das sog. Besäumen. Die Rohplatten erfüllen aufgrund von Schwankungen der Streuung, Pressung usw. nicht unbedingt die vorgeschriebenen Dickentoleranzen. Daher werden die Rohplatten durch einen nachfolgenden Schleifprozess auf die gewünschte Nenndicke gebracht. Endlagerung bzw. Fixmaßaufteilung (Sägen auf Sollgeometrie) bilden den Abschluss im Produktionsablauf.

8.2

Holzbearbeitung

Die Holzbearbeitung kennt verschiedene Fertigungsverfahren, die sich prinzipiell nach den Hauptgruppen der DIN 8580 gliedern lassen. Entsprechend der DIN kommen die Verfahren Urformen bis Beschichten zur Anwendung. Von großer Bedeutung sind die Verfahren des Spanens mit geometrisch bestimmter Schneide. Aus diesem Grund werden im Folgenden die Grundlagen der Zerspanung von Holz dargestellt.

8.2.1

Grundlagen der Zerspanung von Holz

Das Prinzip des Trennens von Holz mit dem Schneidkeil beruht auf der Konzentration der Energie auf eine winzige Fläche, die Schneide. Die Schneide ist theoretisch eine Schnittlinie von Span- und Freifläche, praktisch jedoch eine Fläche mit einer Breite von etwa 2 um bis weniger als 1/10 mm. Durch den Verschleiß der Schneide vergrößert sich die Fläche mit der Bearbeitung zunehmend. Durch die Bewegungen an der Schneide mit einer für die Metallbearbeitung unüblich hohen Schnittgeschwindigkeit von 20 m/s bis zu 150 m/s und mehr, wird die für die Zerspanung erforderliche Energie auf die Schneidenspitze auf einer winzigen Fläche konzentriert. Derartig hohen Energiekonzentrationen können nur wenige Schneidstoffe widerstehen. Deshalb kommt es bei einer neu geschliffenen Schneide zunächst zu einem steilen Verschleißanstieg, der mit zunehmendem Vorschubweg geringer wird. Mit fortlaufender Abstumpfung wird die Schneidenfläche größer, so dass die Energiekonzentration an der Schneide abnimmt. Freiwinkel An der Schneide entsteht eine Verschleißfase, die durch den Abtrag an der Span- (Verschleißfasenbreite) und Freifläche (Schärfmaß) beschrieben wird (Bild 8.4).

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Verschleißfasenbreite (Abtrag der Spanfläche ) Schärfmaß ( Abtrag der Freifläche)

Bild 8.4: Verschleiß des Schneidkeils

8.2 Holzbearbeitung

243

Als Verschleißursachen werden vermutet: • • •

Entstehung von Mikroausbrüchen durch zu große Spannungen in der Keilspitze, Reibung von Werkstück und Schneidkeil sowie thermische, chemische und elektrochemische Einflüsse.

Die Verschleißformen des Schneidkeiles sind bei der Holzbearbeitung sehr vielfältig. Das Verschleißprofil senkrecht zur Schneide entspricht etwa der Darstellung im Bild 8.4, wobei die scharfkantigen Ecken mehr oder weniger abgerundet sein können. Die Spanbildung von Holz ist durch die Anisotropie und Inhomogenität dieses Werkstoffes mit einigen Besonderheiten behaftet, die bei der Zerspanung von Metallen und Kunststoffen nicht auftreten. Durch die Abstumpfung des Schneidkeiles wird die Zellstruktur im Bereich unmittelbar unterhalb der erzeugten Oberfläche gestaucht und dadurch nachhaltig beeinflusst (Bild 8.5). Die mikroskopische Aufnahme zeigt, dass die Zellstruktur unmittelbar unter der Oberfläche regelrecht zerstört werden kann. Die zusammengestauchten Zellen quellen nach einer Wasserlagerung oder Lackierung auf, wodurch Höhenunterschiede zwischen Früh- und Spätholz deut- Bild 8.5: Zerstörung der Zellstruktur des Holzes durch die Schneide lich sichtbar werden. [TROE96]

Wie auf Bild 8.5 zu erkennen, ist das Holz durch Gebiete enger Zellstruktur (Spätholz) und lockerer Struktur (Frühholz) gekennzeichnet. Die Holzstruktur ist deutlich inhomogen. Infolge des Längs- und Dickenwuchses sowie der unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeit in den einzelnen Jahreszeiten, besteht der Aufbau des Holzes gewissermaßen aus ineinander geschachtelten Zylindern. Zudem setzt sich die Struktur von Ästen im Stamm fort. Durch diese Struktur wird die Faserstruktur des Stammes unterbrochen. Ebenso ändern sich die technisch-physikalischen Holzeigenschaften im Astbereich ganz erheblich. Daher spricht man vom anisotropen und inhomogenen Aufbau des Holzes. Alle Angaben zu den Schnittgrößen haben somit nur Bedeutung, wenn zugleich Angaben zur Schnittrichtung gemacht werden. Für die Bearbeitungsqualität ist ausschlaggebend, ob mit oder gegen die Faser geschnitten wird. Durch die Anisotropie des Holzes kann es bei der Zerspanung zur Vorspaltung (Bild 8.6) kommen. Der Span wird nicht unter dem Einfluss der Schneidfläche, sondern Schnitt mit der Faser Schnitt gegen die Faser schon vor dem eigentlichen Bild 8.6: Vorspaltung Schnitt durch Spaltung vom Holz getrennt. Verlaufen die Fasern in Schnittrichtung nach außen, so wird trotz der Vorspaltung eine glatte Oberfläche erzielt. Verlaufen sie jedoch nach innen, so läuft der Spalt im Holz der Schneide voraus.

244

8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe

Als Maßnahmen gegen Vorspaltung kommen Veränderungen der Zerspanungsgrößen und konstruktive Methoden in Frage. Die Schnittgeschwindigkeit kann über der des Spanbruchfortschritts liegen, so dass sich der Vorspalt nicht ausbreiten kann. Je größer die Spandicke, desto größer ist der Biegewiderstand im Span. Sind die abgetrennten Späne sehr dünn, so können sie beim Zerspanen gefaltet bzw. gestaucht werden. Sie brechen nicht, wodurch ein Vorspalt unter den Bedingungen dieser Spanbildung zwangsläufig vermieden wird. Konstruktiv lässt sich die Vorspaltung durch Druckeinrichtungen vermeiden. Bei der Vorspaltung wird der Span von der Spanfläche des Werkzeugs angehoben. Wird dieser Vorgang dadurch behoben, dass der Span unmittelbar vor der Schneidkante niedergedrückt wird, so wirkt das der Vorspaltung entgegen. Verfahrensbedingt lässt sich eine Druckeinrichtung bei rotierenden Werkzeugen nicht einsetzten. Im Wesentlichen kommt dieses Verfahren bei Schäl-, Messermaschinen und Handhobeln zum Einsatz. Mit kleinem Spanwinkel wird ein sauberer Schnitt erzielt, wobei allerSpandings die Möglichkeit zur Vorspalbrecher tung gegeben ist. Mit großem Spanwinkel lässt sich die Vorspaltung vermeiden, wobei umgekehrt die Oberfläche infolge der stumpfen Schneide schlecht wird. Die Vorteile des großen und des kleinen Spanwinkels lassen sich dadurch kombinieren, dass nach der Schneide ein Bild 8.7: Spanbrecher beim Handhobel Spanbrecher angeordnet wird (Bild 8.7). Die Schneide dringt dabei mit kleinem Spanwinkel in das Holz ein. Nachdem der Span abgelöst ist, wird er vom Spanbrecher erfasst und von oben auf die Holzoberfläche gedrückt, was dem Vorspalten entgegenwirkt. Zugleich wird der Span kurz hinter der Stelle, an der er abgelöst wurde, gebrochen. Diese Methode wird z. B. beim Handhobeln angewandt.

8.2.2 8.2.2.1

Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Sägen

Sägen ist Spanen mit kreisförmiger oder gerader Schnittbewegung mit einem vielzahnigen Werkzeug von geringer Schnittbreite, wobei die Schnittbewegung vom Werkzeug ausgeführt wird [DIN 8589]. Beim Sägen werden nach der Kinematik bzw. nach dem Werkzeugaufbau die Verfahren Kreis-, Band-, Hub- (Gatter-, Bügel-, Stichsägen) und Kettensägen unterschieden. Der Einsatzbereich des Sägens in der industriellen Fertigungstechnik liegt in der Vorfertigung. Allen Sägen ist gemeinsam, dass sie, um die Schnittfuge dünn und damit den Schnittfugenverlust klein zu halten, einerseits möglichst dünn sein sollen, andererseits aber, um Verlaufen zu vermeiden und den wiederum dadurch bedingten Holzverlust klein zu halten, möglichst stabil sein müssen. Bei fast allen Sägen muss daher das Blech in einen Vorspannungszustand gebracht werden, der ihm unter der vorgegebenen Belastung die nötige Steifigkeit gibt.

8.2 Holzbearbeitung

245

Kreissägen werden nach dem verwendeten Werkstoff eingeteilt in Stahlsägen, Hartmetallsägen, Stellitsägen und Diamantsägen. Die Verzahnung von Stahlsägen geschieht in zwei Schritten. Die ursprüngliche Zahnung wird durch Stanzen, die endgültige Zahnform durch Schärfen hergestellt. Bei Hartmetall-, Stellit- und Diamantsägen werden die Zähne mit dem Sägeblatt verlötet. Mit wenigen Ausnahmen müssen diese gespannt werden, so dass bei einer möglichst geringen Blechdicke eine hohe Stabilität erreicht wird. Ein ungespanntes ebenes Sägeblatt dreht sich bei kleineren Drehzahlen rund, bei größeren bekommt es einen Planschlag. Vom Standpunkt eines ruhenden Beobachters flattert das Blatt oder aber bildet eine stehende Welle aus, die bei sehr hohen Drehzahlen eine Amplitude von mehreren Millimetern haben kann. Die heute übliche Methode diesen ebenen Spannungszustand zu erzielen, geschieht durch das Walzen. Dabei wird eine ringförmige Spur zwischen zwei Walzen gepresst, die die Säge in einen äußeren Ring und eine Scheibe teilt. Zugleich bewirkt die Materialverdrängung des Walzprozesses, dass der Ring zusammengepresst auf dem Innenteil sitzt.

Ihre Geräuschemission beruht vor allem auf zwei Quellen. Zum einen entstehen an den mit Umfangsgeschwindigkeit des Sägeblattes rotierenden Zähnen Luftturbulenzen. Diese Geräusche können durch eine geeignete Gestaltung von Zähnen und Spanräumen sowie durch Verringerung der Schnittgeschwindigkeit herabgesetzt werden. Zum anderen werden Schnittgeräusche durch Biegeschwingungen des Sägeblattes verursacht, welche durch den Eingriff der Zähne in das Werkstück angeregt werden. Körperschallschwingungen treten vor allem bei den Eigenfrequenzen auf. Das Schwingungsverhalten kann durch Störung bzw. Verzerrung der Eigenschwingungsform beeinflusst werden. Stahl besitzt eine geringe Eigendämpfung und somit nur eine geringe innere Reibung, die Schwingungsenergie verzehren kann. Da innere Reibung an Berührungsflächen entsteht, müssen durch konstruktive Maßnahmen zusätzliche Flächen geschaffen werden. Eine Möglichkeit ist es, Nieten in das Sägeblatt einzubringen. In der Berührungsfläche zwischen Niete und Blattkörper entsteht Reibung. Des Weiteren können Dehnungsschlitze in das Stammblatt eingebracht werden. Hierdurch kann die Ausbreitung von Schwingungen, die sowohl im Sägeblatt in konzentrischer, als auch in radialer Richtung auftreten, bestmöglich verhindert werden. Sägen lassen sich auch aus mehreren Einzelteilen zusammensetzen, die geschraubt, genietet oder geklemmt werden. Bandsägen gehören zu den umlaufenden Sägen und haben gegenüber den Kreissägen den Vorteil, dass ihre Schnittfuge erheblich dünner ist. Dies führt neben dem geringeren Schnittfugenverlust auch zu einem geringeren Späneanteil und Leistungsbedarf. Die Sägendicke richtet sich nach dem Radius der Umlenkrollen. Ihre Zahnformen entsprechen im Wesentlichen denen der Stahlkreissägen. Gattersägen führen wechselnde translatorische Bewegungen aus. Sie werden aus Kohlenstoffstählen oder niedrig legierten Stählen gefertigt und besitzen oftmals zusätzlich eine Hartchromschicht. Damit wird neben einer höheren Härte des Sägeblattes auch eine geringere Reibung der Wirkpartner in der Schnittfuge erzielt. Kettensägen gehören ebenfalls zu den umlaufenden Sägen. Sie werden als Handmaschinen bevorzugt im Forst, im Sägewerk und bei Gelegenheitsarbeiten eingesetzt. Bei diesen Sägen läuft eine Kette mit Schneiden um ein genutetes Führungsblech, das Schwert. Die Kette setzt sich aus Treibgliedern, die in das Ritzel einrasten und der Kraftübertragung dienen, den Verbindungsgliedern und den eigentlichen Schneidgliedern zusammen.

246

8.2.2.2

8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe

Fräsen

Konstruktion und Ausführung der Fräswerkzeuge :für die Holzbearbeitung ergeben sich aus der herzustellenden Arbeitsfläche. Im Folgenden werden wichtige Fräswerkzeuge und deren Anwendungsgebiete vorgestellt. Der Nutfräser gleicht einer Kreissäge mit geringer Zähnezahl. Im Gegensatz zur Kreissäge besitzen die Zähne des Fräsers keinen radialen Freiwinkel und werden somit beim Schärfen am Zahnrücken nicht schmäler. Ihre Verstellbarkeit wird durch verschiedene Konstruktionen realisiert. Für größere Nutbreiten werden Werkzeuge aus zwei ineinander greifenden Teilen verwendet, deren Abstandsänderung durch Distanzringe oder durch ein Gewinde vorgenommen wird. Für kleinere Nutbreiten wird bevorzugt die Wanknutsäge eingesetzt. Bei diesem Werkzeug wird die Nutbreite durch Schrägstellen einer Säge geändert. Ihr Nutgrund ist nicht eben, sondern gewölbt, da die einhüllende Fläche aller Flugkreise eine Kugelfläche ist. Falzfräser fräsen im Gegensatz zu den Fasefräsern nur eine Ecke aus. Mit Fasefräsern werden die Schmalseiten von Platten schräg bearbeitet. Ihr Einstellwinkel ist im Gegensatz zu Fügefräsern kleiner als deren Einstellwinkel von 90°. Profilfräser dienen der Fertigung vielfältiger Werkstückkonturen. Das Fräsen von Profilen kann nicht völlig getrennt von der Maschine betrachtet werden. Die Anzahl verfiigbarer Spindeln bei Kehlmaschinen und die Möglichkeit der Spindelschrägstellung bei Tischfräs- und Kehlmaschinen haben großen Einfluss bei der Werkzeugauswahl. Nut- und Federfräser sind Profilfräser, um die Profile von Fußbodenbrettem, Parkettdielen und Paneelen zu erstellen. Verleimfräser sind Profilfräser, deren Zweck es ist, Flächenfür einen nachfolgenden Verleimvorgang mit einer Profilierung zu versehen. Keilzinkenjräser sind Verleimfräser zur Herstellung der Profile :für Längsverbindungen. Alle Keilzinkenfräser haben gemeinsam, dass jede Schneide nur jeden zweiten Zinken erzeugt und der jeweilige Nachbar von der nachfolgenden Schneide gefräst wird, die um eine Zinkenbreite versetzt angeordnet ist. Damit wird die Lücke zwischen den benachbarten Zähnen so breit, dass die Zähne mit einer profilierten Schleifscheibe hergestellt werden können. Messerwellen werden aus einem Grundkörper und mehreren Spanmessem zusammengesetzt. Die Spanmesser werden achsparallel oder unter einem Neigungswinkel schräg zur Messerwellendrehachse angeordnet. Bild 8.8 zeigt eine Konstruktion zur Befestigung von Spanmessem im Messerwellengrundkörper. Das Spanmesser wird durch eine Klemmleiste angepresst, die unter einer Federvorspannung steht. Während der _ _ Spanraum MesserZerspanung wird der Anpressdruck durch die ZenweIle trifugalbeschleunigung der Klemmleiste erhöht. Spanmesser Vor dem Spanmesser und der Messerhalteplatte existieren Spanräume, die die Späne aufnehmen und in einen Spanschacht transportieren. Die Spanräume sind in Richtung Messerwellenbreite durch Klemmlei Stege unterbrochen. Diese ergeben :für das Holz eine Auflage, so dass es nicht in den Spanraum Bild 8.8: Hobelmesserwelle hineingepresst werden kann.

8.2 Holzbearbeitung

8.2.2.3

247

Bohren

Bei den Wendelbohrern lassen sich zwei Bauarten unterscheiden. Der Wendelbohrer mit vförmiger Spitze ist universell einsetzbar. Die Ausfiihrung mit Vorschneidern und Zentrierspitze ist nur für die Holzbearbeitung geeignet. Bohrer mit Vorschneider werden zur Herstellung ausrissfreier Bohrungen verwendet. Da Vorschneiden beim Aufsetzen auf das Werkstück zum Verlaufen neigen würde, werden die Bohrer mit einer Zentrierspitze ausgeführt und hauptsächlich als Sacklochbohrer verwendet. Bohrer für Durchgangslöcher besitzen eine Zentrierspitze und keine Vorschneiden. Dadurch kann die Austrittsstelle des Bohrers auf der anderen Werkstückseite ausrissfrei gehalten werden. Zusätzlich werden Spitzenwinkel und die Anschrägungen der Bohrerspitze variiert. Mit Beschlagbohrer werden Bohrungen zur Aufuahme von Beschlägen in Plattenwerkstoffen hergestellt. Sie besitzen meist eine Zentrierspitze, zwei Stimschneiden und zwei Vorschneiden.

248

9

Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

9.1

Produktion unter reinen Bedingungen

Mehr und mehr Industriebereiche, wie die Medizintechnik, die Feinmechanik, die Mikrosystemtechnik, die Pharmazie, die Lebensmittelindustrie oder die Halbleiterfertigung, benötigen bei der Herstellung ihrer Produkte reinste Fertigungs- und Umgebungsbedingungen. Dazu gehören beispielsweise der Reinraum, der die äußere Hülle der Fertigungsumgebung darstellt, die Handhabungs- und Transportsysteme sowie die Medienver- und -entsorgungssysteme, die zum Transport von Prozessmedien benötigt werden. Besonders hohe Reinheitsanforderungen werden dabei z. B. an • die Raumluft, • den Arbeitsplatz (Werkzeuge und Maschinen), • die Prozessmedien (Gase, Chemikalien, Flüssigkeiten) und • das Personal gestellt. Die Gründe hierfür liegen nicht nur in den steigenden Qualitätsansprüchen der Verbraucher, sondern auch in der Notwendigkeit für die Unternehmen, durch innovative Produkte ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten bzw. zu stärken. Dabei gilt insbesondere, langfristig eine wirtschaftliche Produktion mit geringem Ausschuss, hoher Qualität, Präzision und Zuverlässigkeit zu sichern. Nur so kann dem ständig wachsenden nationalen und internationalen Konkurrenzdruck standgehalten werden. Für Ingenieure werden deshalb Kenntnisse der Fertigungstechnik im Reinraum zunehmend wichtiger.

9.2

Reinraumtechnik

In allen industriellen Bereichen findet die Reinraumtechnik auf Grund ständig wachsender Anforderungen an Produkte eine immer breitere Anwendung.

9.2.1

Grundlagen

Die Entwicklung der Mikromechanik und Mikroelektronik sowie Neuerungen auf dem Gebiet der Gen- und Bioverfahrenstechnik machten den Einsatz von Reinräumen erforderlich. In diesen Branchen werden Produkte hergestellt, die hochsensibel sind und auf geringste Veränderungen der Fertigungsverfahren reagieren. E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_9, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

9.2 Reinraumtechnik

249

Reinräume gewährleisten eine permanent klimatisierte, gefilterte und partikelkontrollierte Luftströmung. Sie werden unabhängig von ihrem Einsatzgebiet in verschiedensten Größen erstellt. Das Spektrum reicht von so genannten Laminar-flow-Boxen bis hin zu Großreinräumen mit einigen tausend Quadratmetern. Nach der Inbetriebnahme müssen bei allen Reinraumanlagen Abnahmemessungen zum Nachweis der spezifischen Qualität durchgeführt werden. Die Reinheitsklasse ist erfüllt, wenn die gemessene Teilchenkonzentration die ausgewiesene Grenzkonzentration unterschreitet. Die Reinraumtechnik hat nicht nur die Aufgabe, das Produkt vor dem Einfluss von Verunreinigungen aus der Fertigungsumgebung oder durch das Personal zu schützen, sondern auch den Personalschutz hinsichtlich gesundheitsschädlicher Partikel, Keime oder Bakterien zu gewährleisten. Faktoren, die die Reinraumtechnik beeinflussen, sind u. a. die • • • •

Qualität der Zuluft (Reinheit, Temperatur, usw.), Verdrängungsströmung im Bereich des Produktes, Prozess und Fertigungsschritte sowie Arbeitsplatzgestaltung im Hinblick auf die Strömungsführung.

9.2.2

Reinraumklassen

Die Reinheit der Luft wird durch die Konzentration bestimmter Partikelgrößen mit Hilfe von Partikelzählern (u. a. im Streulichtverfahren) bestimmt. Je höher die Reinheitsklasse, desto höher die Anzahl von Partikeln je Volumeneinheit Luft (Bild 9.1). 107 -- ---

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10°

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n,

250

9.2.3

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

Verschiedene Reinraumkonzepte

Zielsetzung der Reinraumtechnik ist es, die von außen auf den reinen Bereich und somit auf das dort zu fertigende Produkt einwirkenden Störgrößen möglichst gering zu halten. Um den von Mensch, Maschine, Werkzeug oder Zuluft eingebrachten Verunreinigungen vorzubeugen, werden verschiedene Vorsichtsmaßnahmen getroffen. •

Bauliche Maßnahmen

• • • •

räumliche Trennung von Straßen- und Reinraumkleidung, Personal- und Materialschleusen mit Reinigungseinrichtung sowie Robotereinsatz.

Maßnahmen an der Luftströmung

Als Zuluft wird die aus den Schwebstofffiltern in die reine Umgebung eintretende Luft bezeichnet. Diese so genannte Erstluft wird durch einen bestimmten Reinheitsgrad, die Luftfiihrung und durch die Größe des Reinraumes bestimmt. Es werden zwei Formen der Luftströmung unterschieden (Bild 9.2). Bei der turbulenten Strömung entstehen Luftwirbel an Hindernissen, wodurch ein Abtransport der Partikel nicht gewährleistet ist. Bei der laminaren Strömung erscheinen diese Luftwirbel nicht. Die Verunreinigung des Produktes durch Partikel ist gering. Turbule~t? Mis~hströmung ~"'\"\.

~.,~

Turbulenzarrne Verdrängungsströmung

r.:

~'\

1,_ •• )

Bild 9.2: Misch- und Verdrängungsströmung

Bild 9.2 zeigt die turbulente Mischströmung. Reine Luft wird dem Reinraum durch Deckeinlässe und evtl. von der Seite zugeführt. Im Reinraum vermischt sie sich mit der höher kontaminierten Raumluft und erniedrigt so die Partikelkonzentration. Die durchmischte Luft wird seitlich wieder abgeführt. Diese Strömungsfiihrung kommt vor allem in weniger kritischen Arbeitsbereichen zum Einsatz (RR-Klasse 100000-1 000). Bei der turbulenzarmen Verdrängungsströmung, ebenfalls in Bild 9.2 dargestellt, strömt die reine Luft flächendeckend mit gleichförmiger Geschwindigkeit über den gesamten reinen

9.2 Reinraumtechnik

251

Querschnitt. Die Stromlinien sind dabei parallel. Bestehende Partikel werden so schnell durch den Doppelboden in das Umluftsystem abtransportiert (RR-Klasse 1-1 000).

9.2.4

Kontaminationsarten

Das zu fertigende Produkt muss zur Gewährleistung einer einwandfreien Funktionalität und eines hohen Qualitätsstandards bestimmte Spezifikationen erfüllen. Diese können nur erfüllt werden, wenn das verwendete Material der Fertigungsumgebung das Produkt nicht schädigt. Die Qualität des Materials muss umso höheren Anforderungen genügen, je näher das betrachtete Material zu dem Produkt gelangen oder mit diesem in Berührung kommen kann. Folgende Kontaminationsarten können dabei einen Einfluss auf das Produkt ausüben: • • • •

funktionale Kontamination (partikel, Kleinstteilchen, Filme etc.) biologische Kontamination (Mikroorganismen, Pyrogene etc.) chemische Kontamination (Säuren, Basen, Fremdmetalle, TOC etc.) energetische Kontamination (Schwingungen, elektromagnetische Felder etc.)

Entscheidendes Auswahlkriterium bei der Wahl der Handhabungs- und Transportsysteme ist die Partikelemittierung durch bewegte Teile, da alle sich berührenden Oberflächen bei Reibung Partikel generieren. Transport- und Lagerbehälter sind im Allgemeinen aus Metall oder Kunststoff. Bei der Verwendung von Kunststoffbehältern ist das Ausgangsverhalten des Kunststoffes zu beachten. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ausgasung von Kunststoffen eine deutliche Kontamination der Produktoberfläche verursachen kann. Den oben genannten Kontaminationsarten sind in der Regel eindeutige Ursachen zuzuordnen. Diese Ursachen müssen reduziert werden, wenn sie negativen Einfluss auf die Produktqualität haben. Mögliche Einflussfaktoren auf die Produktqualität sind in Bild 9.3 näher erörtert.

• Reinraum\ypen

1 • Ablauf • Medien

-

• ToolS

>----;"Vertii lten • Bewegung . Kleidung ~-

~

1 • Zuströmung • Abströmung - . Equlpment - • Wärmequellen

Bild 9.3: Mögliche Kontaminationsursachen eines Produktes

• Qualität der Filter - . Geschwindigkeit dar Lufllltrömung

252

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

Beispiel: Partikelerzeugung bei Bewegung

Die geringste Kontamination wird durch sitzende Personen mit leichter Unterarmbewegung erzeugt. Wird die Bezugspartikelgröße von 0,5 um gewählt, so werden hierbei 15 000 Partikel pro Person und Minute generiert. Steht die Person auf, erhöht sich die Partikelzahl auf ca. das dreifache. Geht die Person langsam, so ist die Partikelgenerierung fast identisch auf dem fiinfbis sechsfachen Wert.

9.3

Grundlagen der Halbleitertechnologie

Bei der Anwendung der Elektrizität werden Leiter und Isolatoren unterschieden. Halbleiter lassen sich je nach Bedarf zu Leitern oder Isolatoren verändern. Sie erhalten ihre charakteristische Eigenschaft, indem Fremdatome im Kristallgitter des betreffenden Materials und in Abhängigkeit zu dessen Temperatur angelagert werden. Folglich zählen zu den Halbleitern alle Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die eines Leiters und größer als die eines Isolators. Auf Grund dieser Eigenschaft eignen sich Halbleiter ideal als Schalter, die den Strom in der einen oder anderen Richtung fließen lassen oder dies verhindern. Sie sind zudem sehr einfach aufgebaut.

9.3.1

Halbleiter-Diode

Treffen in einem Halbleitereinkristall p- und n-leitende Bereiche aufeinander, handelt es sich um einen p-n-Übergang. Im spannungslosen Zustand (Bild 9.4) sind die Ladungsträger im Grenzgebiet zwischen p- und n-Gebiet bestrebt, sich durch Diffusion auszugleichen. Bei dem Diffusionsvorgang wandern Löcher vom p-Gebiet in das n-Gebiet und verursachen demzufolge im p-Gebiet ein Defizit an Löchern, woraufhin sich eine negative Raumladung ausbildet. Im nGebiet hingegen wandern die Elektronen in das p-Gebiet, so dass dort eine positive Raumladung entsteht. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis die entstehende Diffusionsspannung einen weiteren Austausch an Ladungsträger verhindert. p-Gebiet

I±J I±J I±J

pn-Übergang

G

8

I±J I±J I±J 1::::J , I±J I±J I±J G

o

n-Gebiet

() 'I±J G G G () 'I±J G G G () , I±J G G G

Ladungstragerausgleich durc Diffusion

Bild 9.4: Aufbau und Funktionsweise einer Diode

Das am p-n-Übergang verarmte Gebiet an Ladungsträgern entspricht einem Gebiet höheren elektrischen Widerstandes. Der so entstandene Halbleiter wird Sperrschichthalbleiter genannt. Beim Anlegen einer Spannung an den Sperrschichthalbleiter, wie in Bild 9.5 dargestellt, wan-

9.3 Grundlagen der Halbleitertechnologie

253

dem die Elektronen und die Löcher aus dem Grenzgebiet zu den Elektroden. Der p-n-Übergang wird zur elektrischen Sperrschicht. Sperrschicht

o t-00 ! 00 !i 00

--

0 0 0

-+

pn-Übergang mit äußerer Spannung in Sperrichtung

Bild 9.5: pn-Übergang in Sperrrichtung

Wird hingegen das elektrische Feld wie in Bild 9.6 angelegt, dann bewegen sich die Elektronen und die Defektelektronen durch den p-n-Übergang hindurch. Die Leitfähigkeit des p-nÜbergangs erhöht sich und der Durchlassstrom steigt exponentiell mit wachsender Spannung an. In der Technik wird solch eine Anordnung des p-n-Übergangs als Gleichrichter eingesetzt, die z. B. in Dioden zur Anwendung kommt. Wird im gleichen Halbleitereinkristall ein zusätzlicher, in Durchlassrichtung gepolter p-n-Übergang angeordnet, dann lässt sich der Sperrwiderstand eines p-n-Übergangs steuern. Diese Anordnungen von pnp- bzw. von npn-Zonen wird Transistor (transfer resistor) genannt [SCHAD3].

-0

m0 +-0

l±J l±J0

m0

o

m l±J

0

i0 [±] 0 0 0[±] J0 [±] 0 o

ltJ

rn

--

Bild 9.6: pn-Übergang in Durchlassrichtung

9.3.2

Feldeffekt-Transistor

Der Halbleitereffekt lässt sich an der Funktionsweise eines Metall-Oxid-Semiconductor Feldeffekt-Transistors (MOSFET) veranschaulichen, wie er in modemen Speicherchips verwendet wird. Als Substrat wird entweder n- oder p-Ieitendes Silicium verwendet. Für p-leitendes Silicium stellt Bild 9.7 den Aufbau dar. In einem schmalen Bereich werden durch Eindiffusion von Fremdatomen n-leitende Bereiche eingebracht und mit Elektroden eines Stromkreises verbunden, die als Quelle S (Source) und als Senke D (Drain) bezeichnet werden.

Bild 9.7: Funktionsprinzip eines MOSFETs [Berg7!]

254

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

Der Stromfluss zwischen den Elektroden wird durch die Steuerelektrode G (Gate) beeinflusst. Wird an der Steuerelektrode G eine positive Spannung angelegt, so werden die Defektelektronen im p-leitenden Silicium in die tiefere Si-Schicht gedrängt und die Elektronen aus der tieferen Schicht angezogen. Der Kanal unter der Steuerelektrode enthält dann mehr oder weniger Ladungsträger. Man nennt diesen Bereich auch Verarmungszone. Auf diese Weise lässt sich die Leitfähigkeit über die Elektrode G steuern. Wird die Spannung an der Steuerelektrode weiter erhöht, reicht die negative Akzeptorladung zur Feldlinienkompensation nicht mehr aus, so dass weitere Elektronen (Minoritätsträger) aus dem Halbleiterinneren zur Halbleiteroberfläche hingezogen werden. Kommt es dabei zu einer starken Elektronenanreicherung, dann tritt im Oberflächenbereich n-Leitung, Inversion, ein. Dies führt wiederum dazu, dass zwischen dem p-leitenden Silicium und dem n-leitendem Kanal ein pn-Übergang entsteht. Bei entsprechender Polung des pn-Übergangs können die Elektronen nicht in das p-leitende Silicium übertreten. Somit bleibt der Stromfluss auf den engen Kanal begrenzt. Wird anstatt von p-leitendem Silicium n-leitendes Silicium verwendet, dann ist der Kanal entsprechend p-leitend,

9.4

Herstellung eines Halbleiterchips

Halbleiterchips sind prinzipiell betrachtet elektronische Schaltungen im Mikroskopischen. Die Transistoren dieser Halbleiterchips oder integrierten Schaltungen, wie Halbleiterchips auch bezeichnet werden, sind nicht mehr diskrete Bauteile, sondern minimale, in Silicium eingeprägte Strukturen. Durch diese Form der Miniaturisierung ist eine extrem hohe Anzahl von Transistoren pro Chip fläche zu erreichen. Heutzutage kennzeichnen sich integrierte Schaltungen durch mehrere Millionen Transistoren auf einigen Quadratmillimetern. Dieser Trend zu einer immer höheren Integration zeigt sich aber auch in einer Zunahme der Prozesskomplexität bei der Fertigung. Für das Verständnis des Fertigungsprozesses einer integrierten Schaltung, häufig als Technologie bezeichnet, genügt es aber die elementaren Prozessschritte bei der Entstehung einer integrierten Schaltung im Silicium zu betrachten.

9.4.1 9.4.1.1

Notwendige Prozessschritte Herstellung von einkristallinen Siliciumscheiben

Aus den Materialien Fels- oder Kieselquarz, welche zu über 99 % aus Siliciumdioxid bestehen, wird in Elektroschmelzöfen durch Reduktion mit Kohlenstoff Rohsilizium, auch technisches Silicium genannt, hergestellt. Das so produzierte Rohsilizium enthält Verunreinigungen von Aluminium und Eisen zu 0,2 % bis 0,5 % sowie Bor und Phosphor von 20 bis zu 50 ppma (parts per million atoms). Für eine kontrollierte Dotierung des Einkristalls sind jedoch maximal Fremdatome im Bereich von ppba (parts per billion atoms) vertretbar. Deshalb ist für die Bauelemente- und Schaltungsintegration technisches Silicium nicht geeignet und muss durch weitere chemische Prozesse in hochreines Silicium überführt werden. Der chemische Prozess, der zur Gewinnung hochreinen Siliciums dient, ist der TrichlorsilanProzess. Bei diesem Prozess wird technisches Silicium bei etwa 300°C in die Chlor-Wasser-

9.4 Herstellung eines Halbleiterchips

stoff-Verbindung Trichlorsilan umgewandelt. Durch die unterschiedlichen Kondensationstemperaturen von Trichlorsilan und den Verunreinigungen können dabei die Verunreinigungen durch Destillation abgetrennt werden.

255

Keim

Durch eine anschließende Umkehrung des TrichlorsiN'I/!lI----jT- Kristall lan-Prozesses wird aus dem durch Destillation gereio nigten Trichlorsilan hochreines Silicium in polykris~4\fI=;~Hft- Schmelze o o talliner Form zurückgewonnen. Dieses Polysilizium Induktionsheizung ist in Stäben von bis zu 200 mm Durchmesser und Vorratsstab 2 m Länge verfügbar und kann als Ausgangsmaterial (Poly-Si) zur Herstellung von einkristallinern Silicium verwendet werden. Der Reinheitsgrad ist jedoch für die Herstellung von elektronischen Bauelementen meist nur Dotiergase Schutzgas bedingt geeignet, weshalb sich nach der Einkristallzucht ein Zonenreinigen anschließt. Dadurch wird die Bild 9.8: Schemaeiner Anlagezum tiegelGesamtkonzentration der Verunreinigungen unterhalb freien Zonenziehen der Eigenleitungskonzentration gesenkt. Die Herstellung von einkristallinern Silicium aus polykristallinern, hochreinem Silicium wird überwiegend nach dem Verfahren des tiegelfreien Zonenziehens durchgeführt (Bild 9.8). Bei diesem Verfahren wird ein Stab aus polykristallinern Reinstsilizium durch eine Hochfrequenzheizung in einer schmalen Zone geschmolzen. An einem Impfkristall, welcher sich ebenfalls in der Zonenziehapparatur befmdet und zu Beginn des Zonenziehens das polykristalline Reinstsilizium fast berührt, wächst ein versetzungsfreier Einkristall mit einer Grunddotierung. Dabei rotieren der Impfkristall und der wachsende Einkristall gegeneinander und werden gleichzeitig durch die Schmelzzone kontrolliert geführt. Wird der eben beschriebene Prozess mehrfach an dem Einkristall durchgeführt, so wird dieser Vorgang als Zonenreinigen bezeichnet. Nachdem der Einkristallrohling erstellt ist, müssen gebrauchsfertige Siliciumscheiben mit definierter Oberflächenorientierung hergestellt werden. Dazu wird der Einkristallstab auf den gewünschten Durchmesser abgedreht und zur Kennzeichnung der Kristallrichtung mit Flats versehen. Anschließend erfolgt ein Abtrennen der Siliciumscheiben vom Einkristallrohling mit Hilfe von Innenlochsägen, wobei sich die Schnittfläche an einer Hochsymmetrieebene des Einkristallrohlings orientiert. Die durch das Sägen erstellten Siliciumscheiben weisen eine raue Oberfläche auf und haben, bedingt durch den Sägevorgang, Gitterschäden in den oberen Kristallschichten. Zur Beseitigung dieser Mängel werden die Siliciumscheiben geläppt, die Scheibenränder abgerundet, Gitterfehler durch ein nasschemisches Ätzen vollständig beseitigt und abschließend poliert. Mit dem Polieren der Siliciumscheiben ist der eigentliche Herstellungsprozess von einkristallinen Siliciumscheiben abgeschlossen. Es folgen mehrere Reinigungs- und Trocknungsprozesse, an welche sich eine optische Inspektion und das Verpacken der Siliciumscheiben anschließen.

256

9.4.1.2

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

Oxidation

Das Ziel der thermischen Oxidation ist es, stabile Oxidschichten auf den Siliciumsubstraten herzustellen. Diese werden sowohl im Fertigungsprozess eingesetzt als auch schaltungstechnisch verwendet. Im Fertigungsprozess wird eine Oxidschicht hauptsächlich für zwei unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Einerseits als Maskierung zum lokalen Abdecken des Siliciumsubstrats für nachfolgende Prozessschritte und andererseits als Diffusionsbarriere zur Verhinderung des Ausdiffundierens von Dotierstoffen aus dem Siliciumkristal1.

Als Bestandteil einer integrierten Schaltung wird die Oxidschicht als Gateoxid, als Feldoxid und als Kondensatoroxid eingesetzt. Entsprechend den unterschiedlichen elektrischen Anforderungen sind die Abläufe in der Herstellung der Oxidschichten verschiedenartig. Zur Erzeugung von Siliciumdioxidschichten werden überwiegend zwei Verfahren eingesetzt. Das Verfahren der trockenen Oxidation findet Verwendung zur Herstellung dünner Oxidschichten mit hoher Durchbruchspannung. Die so genannte H20 r Verbrennung wird eingesetzt, falls ein schnelles Oxidschichtwachstum mit geringer Verunreinigung benötigt wird. Bei einer trockenen Oxidation wird Sauerstoff als oxidierendes Gas über erhitzte Siliciumscheiben geführt. Der Sauerstoff reagiert mit dem Silicium und es bildet sich auf der Oberfläche der Siliciumscheiben Siliciumdioxid. Dieser Prozess findet bei Temperaturen um 1000 °C für 200-mrn-Siliciumscheiben in einem so genannten 5-Zonen-Ofen statt. Diese Oxidationsöfen erlauben das Einstellen einer konstanten Temperatur über I m Länge innerhalb eines Ofenquarzrohres, so dass bis zu 200 Siliciumscheiben gleichzeitig oxidiert werden können (Bild 9.9). Die Oxidation selbst kann je nach zugeschaltetem Prozessgas so variiert werden, dass die jeweils benötigte Sorte von Oxidschicht erzeugt werden kann.

Wafer ............. I IIII I II I ........... Quarzrohr

Widerstandsbeheizler Zonenofen

Bild 9.9: Aufbau eines Oxidationsofens zur trockenen und nassen Oxidation von Silicium

Bei der H20 2- Verbrennung, einer Variante der feuchten Oxidation, werden Wasserstoff und Sauerstoff über getrennte Zuleitungen in einem geeigneten Mischungsverhältnis zusammengeführt und am Gaseinlass der Ofenquarzrohre kontrolliert verbrannt. Diese Verfahren zur Oxidschichtenerzeugung werden beim Aufwachsen von dicken Oxidschichten als auch zur Erzeugung dünner Oxidschichten bei geringeren Temperaturen um 900°C eingesetzt. Ein Beispiel für die Oxidschichterzeugung bei geringen Temperaturen ist das Erzeugen eines Kondensatordielektrikums. Eine weitere Möglichkeit, Siliciumdioxidschichten zu erzeugen, ist die CVD-Abscheidung. Der grundlegende Unterschied zur thermischen Oxidation ist, dass hierbei kein Substratmaterial verbraucht wird.

9.4 Herstellung eines Halbleiterchips

9.4.1.3

257

Lithographie

Ein wesentlicher Schritt zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen ist das Erzeugen unterschiedlicher geometrischer Strukturen auf einer Siliciumscheibe. Da in der Regel diese Strukturen nicht direkt auf einer Siliciumscheibe herstellbar sind, wird ein zweistufiges Verfahren angewandt. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt in einer Fotolackschicht eine Struktur erzeugt. Diese Struktur wird mit Hilfe der Lithographie auf die Lackschicht übertragen. Der zweite Schritt, das Erzeugen der Struktur auf der Siliciumscheibe, erfolgt durch Ätzen. Das Ätzen hat die Aufgabe einer Strukturübertragung der lithographisch erzeugten Maskenmuster auf die Siliciumscheibe. In der heutigen Halbleiterfertigung wird hierzu hauptsächlich das nasschemische Ä·tzen eingesetzt, wobei TrockenätzverJahren mit gasförmigen Medien sich trotz höherer Anlagekosten immer stärker durchsetzen. Dieser Prozess wird in Kapitel 5 (chemisches Abtragen) näher beschrieben. Eine Ausnahme bildet die Ionenimplantation, bei der der Fotolack selbst als lokale Maskierung dient und eine Maskenübertragung durch Ätzen nicht erforderlich ist. Die Lithographie beinhaltet die Prozessschritte Aufbringen von Fotolack auf die Siliciumscheibe, Belichten des Fotolackes über eine Maske, Entwickeln und Härten des Lackes sowie nach einer lokalen Bearbeitung (Ätzen oder Ionenimplantation) das Ablösen der Lackmaske. Vor dem Aufbringen des Fotolacks erfolgen eine intensive Reinigung der Siliciumscheibe und eine Oberflächenbehandlung, durch die eine gute Fotolackhaftung gewährleistet wird. Nach dieser Behandlung wird der Fotolack gleichförmig mit einer Dicke von I um bis 2,5 um auf die Siliciumscheibe aufgebracht. Dies geschieht durch ein Auftragen einer kleinen Fotolackmenge in das Zentrum einer rotierenden Siliciumscheibe. Durch das Ausschleudem des Fotolackes wird dieser gleichmäßig über die Scheibenoberfläche verteilt. Nachdem der Vorgang der Belackung abgeschlossen ist, erfolgt die Lacktrocknung. Diese beiden Schritte erfolgen meist vollautomatisch. Reflektor

Der nächste Schritt bei der Lithographie ist das Belichten des Fotolacks mittels Masken O. Die Masken selbst bestehen aus Glas bzw. Quarz und enthalten heutzutage die Strukturen mehrerer Design-Ebenen. Bei der Belichtung wird nur der zum Aufbringen der Struktur auf die fotolackbeschichtete Siliciumscheibe notwendige Bereich der Maske ausgewählt. Die Struktur wird auf die Lackschicht mittels UV-Licht im Bereich von 365 nm bis 436 nm übertragen. In diesem Bereich ist auch der Fotolack lichtempfmdlich. Nach der Belichtung ist die in den Fotolack eingebrachte Struktur noch nicht als Ätz- oder Dotiermaske geeignet.

Hg-Lampe Kondensorlinse Chrom maske

Projektionslinse

Bild 9.10: Schematische Darstellung zur verkleinernden Projektionsbelichtung im Step-und

Repeatverfahren

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

258

Dazu muss der Fotolack entwickelt und gehärtet werden. Mit Hilfe einer konstant temperierten Positiv-Fotolacklauge (Entwicklerlösung) werden die bestrahlten Bereiche des Fotolacks abgetragen. Nach Ablauf der Entwicklungszeit werden die Siliciumscheiben intensiv mit Wasser abgespült. Dadurch wird der Entwicklungsprozess des Fotolacks gestoppt. Um eine hohe Resistenz des auf der Siliciumscheibe verbliebenen Fotolacks gegen die nachfolgenden Prozessschritte zu erreichen, wird die Siliciumscheibe kurzfristig auf 110 "C bis 130 "C aufgeheizt. Bei besonders starker Beanspruchung des Fotolacks kann noch eine Aushärtung mittels UVLicht erfolgen.

9.4.1.4

Ionenimplantation

Das Dotieren von Silicium erfolgt heutzutage fast ausschließlich über eine Ionenimplantation. Die ursprüngliche Vorgehensweise zur Dotierung, der Einsatz von Diffusionsöfen mit Dotierstoffen in Trägergasen, wird weitgehend nicht mehr angewandt. Diffusionsöfen werden heute nur noch zur Eindiffusion und der Aktivierung von implantierten Dotierstoffen eingesetzt. Der Begriff Ionenimplantation bezeichnet in der Halbleitertechnologie ein Dotierverfahren, bei welchem die Dotanten ionisiert, anschließend in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf das zu dotierende Substratmaterial gerichtet werden. Durch die hohe Beschleunigung dringen die ionisierten Dotanten in das zu dotierende Silicium ein, wobei sie durch Stöße mit den Siliciumatomen ihre Energie verlieren und zur Ruhe kommen. Dies kann zu einer Modiftkation des Kristallgitters führen, welche als Strahlenschaden bezeichnet wird. Deshalb muss nach der Implantation das dotierte Silicium ausheilen. Dieses Ausheilen erfolgt entweder durch Erwärmung der Siliciumscheiben in Diffusionsöfen oder durch Beleuchtung mit inkohärentem Licht, wobei bei diesem Verfahren von Vorteil ist, dass eine vollständige Aktivierung der Dotieratome fast ohne Diffusion erreicht wird. Durch Messung der den Siliciumscheiben zugeführten Ladung während der Implantation und der zur Einstellung des Tiefenproftls angelegten Beschleunigungsspannung können Konzentration und Lage der dotierten Bereiche im Silicium bestimmt werden (Bild 9.11). Die Ionenimplantation wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Somit können bereits eingebrachte Dotierungsproftle nicht mehr verlaufen. Es sind ferner keine Maskieroxide erforderlich, da als Maskierung eine Fotolackschicht benutzt wird.

9.4.1.5

Bild 9.11: Isokonzentrationslinien für Ga, P, B bei identischer Implantationsenergie

Diffusion

Die Diffusion ist ein Ausgleichsprozess, bei dem auf Grund eines Konzentrationsunterschiedes in der Dotierstoffverteilung ein Transport von Materie im Silicium erfolgt O. Der Einsatz von Diffusionsprozessen zur Dotierung wird heutzutage nur noch äußerst selten praktiziert. Häuftger wird die Diffusion als Eintreib- und Ausheilverfahren nach einer Dotierung durch die Ionenimplantation angewandt.

Si

Bild 9.12: Laterale Diffusion unter einer Maskieroxidkante

9.4 Herstellung eines Halbleiterchips

259

Trotzdem soll der Ablauf des Diffusionsprozesses für einen Dotiervorgang kurz beschrieben werden. Der Diffusionsprozess bei einer Dotierung wird häufig in zwei Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe erfolgt ein Einbringen einer Dotierstoffmenge bei ca. 900°C in das Silicium. Falls eine lokale Dotierung erfolgen soll, wird zuvor auf der Siliciumoberfläche eine Maskierschicht aus Siliciumdioxid mit 300 nm Dicke aufgebracht. Alternativ kann das Einbringen des Dotierstoffes auch durch eine Oxidation erfolgen. In der zweiten Stufe wird die Temperatur auf ca. 1200 °C erhöht und es beginnt der Eintreibprozess. Durch diesen Prozess lässt sich die Eindringtiefe des Dotierstoffes im Silicium sowie die Oberflächendotierung einstellen.

9.4.1.6

Beschichten mittels CVD-Verfahren

Die Aufgabe des Beschichtens ist das Herstellen von homogenen, festen, amorphen, poly- oder monokristallinen Filmen, die sich durch eine geringe Verunreinigung und eine hohe elektrische Qualität auszeichnen. In der Regel kommt hierzu das chemische Vakuumbeschichten (CVD) zum Einsatz. Bei der CVD-Abscheidung wird prinzipiell zwischen den Verfahren APCVD-Abscheidung (athmospheric pressure CVD) (Bild 9.13) und LPCVD-Abscheidung (low pressure CVD) unterschieden. Dabei wird die APCVD-Abscheidung zum Erzeugen von undotierten und dotierten Oxiden eingesetzt, während das LPCVD-Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten aus Siliciumnitrid, Siliciumoxidnitrid, Siliciumdioxid, Polysilizium und Wolfram verwendetwird.

N 2

I

2

2

N

u

JljtJ

O

IrSiH.

• 000000000 Heizung

Absaugung

Bild 9.13: Schematische Darstellung einer Apparatur zur APCVD-Abscheidung von SiOz

9.4.1.7

Metallisierung durch physikalische Vakuumbeschichtung

Ist die Fertigung eines Wafers insofern abgeschlossen, als sämtliche Strukturen der integrierten Schaltung erzeugt worden sind, erfolgt durch die Metallisierung das Herstellen von Leiterbahnen, welche die einzelnen Komponenten der integrierten Schaltung miteinander verdrahten. Um diese Aufgabe optimal zu erfüllen, muss die Metallisierung eine hohe Leitfähigkeit und einen geringen Kontaktwiderstand zwischen dem Metall und dem dotierten Silicium aufweisen. Dabei haben sich als bevorzugte Metallisierungsmaterialien Kupfer und Aluminium durchgesetzt. Die Herstellung der Verdrahtung erfolgt ähnlich dem Übertragen einer Struktur auf eine Siliciumscheibe (Bild 9.14). Der erste Prozessschritt bei der Metallisierung ist das gleichmäßige Aufbringen eines Metallfilms auf die Siliciumscheibe. Dies geschieht hauptsächlich über ein Absputtern durch Ionenbeschuss eines Aluminiumtargets mit Hilfe des Magnetronsputterns.

260

9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente

Auf dem so erzeugten Film werden durch die Lithographie mit einer Maske die zukünftigen Leiterbahnen festgelegt. Anschließend wird das übrige Metall durch einen Ätzschritt entfernt.

I Si02

Metall

I

I

I

<,

SI0 2

SIO

SiO

Si028SI02

./ Si

Si

Si

Bild 9.14: Strukturierung einer Metallschicht durch Lithographie und Ätzung

9.4.1.8

Chemisch-mechanisches Polieren

Um die Chipflächen bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen klein zu halten, wird die Verdrahtung der Schaltkreiskomponenten meist auf mehrere Metallisierungslagen verteilt. Um mehrere Lagen übereinander aufbauen zu können, müssen die einzelnen Metallisierungslagen vor dem Aufbringen weiterer Lagen vollständig planarisiert werden. Dazu wird das chemischmechanische Polieren (CMP) eingesetzt. Bei diesem Polierverfahren wird zur Vorbereitung des Poliervorgangs ein Oxid in einer Dicke oberhalb der größten Stufenhöhe auf der zu polierenden Siliciumscheibe abgeschieden. Anschließend wird die Oberfläche auf einer rotierenden Polierscheibe abpoliert, bis die Scheibenoberfläche vollkommen planar ist. Als Poliermittel wird eine Lösung eingesetzt, die unter Druck oberflächenverändernd wirkt und somit den Abtragungsprozess unterstützt.

9.4.1.9

Scheibenreinigung

Die Ausbeute einer Fertigung von integrierten Schaltungen ist extrem vom Reinheitsgrad der Wafer über den gesamten Fertigungsprozess abhängig. Deshalb müssen jegliche Arten von Verunreinigungen, Partikeln sowie chemische Kontaminationen auf den Scheibenoberflächen entfernt werden. Um diese unterschiedlichen Verunreinigungen optimal entfernen zu können, kommen verschiedene Verfahren in einer fest vorgegebenen Reihenfolge zum Einsatz. Zum Entfernen grober Verunreinigungen der Scheibenoberfläche wird zum Abblasen ein Stickstoffstrom eingesetzt. Stark haftende Partikel müssen durch eine Ultraschallreinigung in einer Reinigungsflüssigkeit entfernt werden. Um eine Durchmischung der Reinigungsflüssigkeiten zu vermeiden, erfolgt vor jedem folgenden Reinigungsschritt eine Spülung mit Reinstwasser. Die weiteren Schritte zur Reinigung der Wafer sind das Entfernen organischer Rückstände mit Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und wässriger Ammoniaklösung bei 80°C, das Abätzen des natürlichen Oberflächenoxids durch verdünnte Flusssäure, das Binden der ionischen und metallischen Verunreinigungen durch wässrigen Chlorwasserstoff und das Entfernen von Metallen und Alkaliionen mit Wasserstoffperoxid und wässrigem Chlorwasserstoff. Sind diese Reinigungsschritte alle durchlaufen, erfolgen abschließend ein letzter Spülschritt mit Reinstwasser und das Trocknen der Wafer in einer Trockenschleuder unter Stickstoffatmosphäre.

9.4 Herstellung eines Halbleiterchips

261

Immer kleinere Bauteilstrukturen von Halbleiterprodukten stellen immer höhere Anforderungen an die Reinheit der Oberflächen der Wafer. Der weltweite Preis- und Konkurrenzdruck macht es außerdem immer mehr erforderlich, kostengünstiger zu fertigen. Ein Schritt die Produktionskosten von Halbleiterprodukten zu senken, ist die Suche nach neuen und kosteneffektiveren Reinigungsprozessen. Das Ziel einer umweltfreundlichen Produktion stellt eine weitere Motivation in diese Richtung dar. Fast allen diesen neuen Verfahren ist die Verwendung von verdünnten Chemikalien (Dilute Chemistry) gemeinsam. Bei der oben beschriebenen traditionellen Reinigung werden bis zu zehn Prozessschritte durchgeführt, um die erforderliche Reinigung und Trocknung zu erzielen. Neue Reinigungsverfahren kommen mit bis zu vier Prozessschritten aus. In einer verkürzten Prozessfolge werden organische Verunreinigungen mit ozonisiertem, deionisiertem Wasser entfernt. Eine kombinierte Flusssäure (HF; Fluorwasserstoff) / Ozon-Behandlung sorgt mit der Unterstützung durch ein Tensid für die Entfernung von Partikeln und Metallen. Nach weiterem Spülen werden die Wafer wie bei der traditionellen Reinigung getrocknet. Eine weitere Variante ist die Schaffung von hydrophoben (wasserabweisenden) Waferoberflächen in einer verdünnten HF-Lösung mit Zugabe von Ozon. Werden die Wafer gleichmäßig aus der Reinigungsflüssigkeit gezogen, kommen diese trocken und fleckenfrei aus dem Reinigungsbad. Je nach Anforderungen der nachfolgenden Prozesse können die Wafer mittels Ozon mit einem dichten gleichmäßigen Oxid passiviert werden. Die hydrophile Oxidschicht schützt die Wafer vor erneuten Verunreinigungen und verbessert eine gleichmäßige Benetzung bei nachfolgenden Nassprozessen.

9.4.2

3D-Chip-Technologie

Handys, Notebooks, modeme Haushaltsgeräte, Fahrzeuge und viele weitere Produkte in der Fertigung und im Alltag verlangen nach immer kleineren Siliciumplättchen. Neben der Bauteilgröße jedes einzelnen Chips ist die Verbindungsstrecke zwischen den einzelnen Chipbauteilen ein weiterer Faktor im Bezug auf Baugröße und Signalgeschwindigkeit. Eine Lösung für dieses Problem stellt die Stapeltechnik dar. Mit ihr werden nicht nur die Verbindungen zwischen den einzelnen Chipbauteilen verkürzt, sondern auch die Gesamtbauteilgröße verkleinert. Bei diesen 3D-Verfahren werden die Chips nicht nur neben-, sondern auch übereinander angeordnet, je nach Art der Verbindung zwischen den einzelnen Chips wird zwischen dem Sandwich- und dem Face-to-face-Verfahren unterschieden. Beim Sandwich- Verfahren werden zwei benachbarte Chips übereinander gestapelt und mittels winziger Drähte miteinander verbunden. Als Lötschicht dient hierbei eine dünne, auf den Chip aufgebrachte Kupferschicht. Es kommen auch einige Klebetechniken zum vertikalen Verbinden der Chips zum Einsatz. Beim Face-to-face-Verfahren wird zwischen den einzelnen Chips eine hauchdünne Kupferschicht aufgebracht, die als Lötschicht fungiert. Zwei benachbarte Chips werden dann mittels Diffusionslöten miteinander verbunden. Dies geschieht bei Temperaturen um die 270°C, wobei heute winzige Lötzinnstärken von bis zu drei Mikrometern erreicht werden.

262

10

Rapid Prototyping

Neue Rahmenbedingungen wie kürzere Produktlebenszyklen, der Wunsch nach kundenindividuellen Produkten, gestiegene Verbraucheransprüche hinsichtlich Funktion, Qualität und Design der Produkte, deren Umweltverträglichkeit und Recyclebarkeit müssen schon bei der Neuoder Weiterentwicklung eines Produktes berücksichtigt werden. Ein wichtiger Einflussfaktor für den wirtschaftlichen Erfolg eines Produktes stellt seine gezielte und rechtzeitige Platzierung am Markt dar. Produkte sowie deren Entwicklungs- und Fertigungsprozesse werden somit immer komplexer, ihre Stückzahlen aber bei zunehmender Variantenvielfalt immer geringer. Diese neuen Rahmenbedingungen erfordern neue Technologien, mit denen sich die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens durch kürzere Entwicklungszeiten, und somit einen früheren Marktantritt eines Produktes, verbessern lässt. Mit Hilfe von Werkzeugen wie FEMBerechnungsmodellen, neuronalen Netzen, Kinematiksimulationen und 3D-Simulationen mit fotorealistischer Ergebnisausgabe lassen sich viele Fragen bezüglich eines neuen Produktes schon in einer frühen Phase der Entwicklung klären. Dennoch ist der Verzicht auf physische Prototypen in den meisten Fällen undenkbar. Die konventionelle Prototypenherstellung bedient sich neben Verfahren wie dem Modellieren und manuellen Bearbeiten und Fügen von Materialien vor allem den klassischen Fertigungsverfahren wie NC- und Kopierfräsen, Drehen, Schleifen, Erodieren und gegebenenfalls dem Urformen durch Gießen. Mittels Mehrachs-CNCBearbeitungszentren können Prototypen über ein NC-Programm direkt aus dem vollen Material gefertigt werden. Dieses Verfahren stößt aber bei komplexen Geometrien mit Hinterschneidungen und kompliziert ausgeformten Hohlräumen an seine Grenzen. Auf Grund des hohen Fertigungsaufwandes der oben genannten traditionellen Verfahren und der geringen Anzahl an zu fertigenden Prototypen hat der herkömmliche Prototypenbau einen hohen Zeit- und Kostenanteil an der gesamten Produktentwicklung. Die direkte Prototypenherstellung aus den CAD-Informationen eines Bauteils wird Rapid Prototyping genannt. Mit den heute eingesetzten Rapid Prototyping-Verfahren und deren Folgeprozessen lassen sich selbst komplizierte Bauteilgeometrien realisieren. Es können seriennahe bis serienidentische Prototypen und Werkzeuge (Rapid Tooling) aus Kunststoffen, Metallen und Keramiken in sehr kurzer Zeit hergestellt werden. Das derzeitige Haupteinsatzgebiet liegt in der Fertigung von Anschauungsobjekten, Funktionsprototypen und Vorserienwerkzeugen.

10.1 Prinzip und Prozesskette des Rapid Prototyping Zur Prototypenherstellung mittels Rapid Prototyping (RP) wird lediglich eine 3D-Geometriebeschreibung des zu fertigenden Bauteils benötigt, es muss kein NC-Programm erstellt werden. Als Schnittstelle zwischen den Geometriedaten (CAD) und der Rapid Prototyping Software hat sich das STL-Format (Standard Transformation Language) durchgesetzt. Die RP-Software zerlegt die 3D-Informationen in dünne Schichten (Slicen) und generiert die für die RP-Anlage E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_10, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

263

10.1 Prinzip und Prozesskette des Rapid Prototyping

notwendigen Schicht- und Steuerinformationen. Diese Informationen werden von der RPAnlage verarbeitet und das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Diesem Fertigungsprozess können sich noch Finishing- und Folgeverfahren anschließen. Die gesamte Prozesskette des Rapid Prototyping wird im Folgenden beschrieben:

3D-Geometriedatenmodellierung und Aufbereitung Der Prototypenbau mittels RP-Verfahren setzt die Kenntnis der Geometriedaten des gewünschten Bauteils voraus. Liegt ein Objekt bereits physisch vor, so muss dieses zu RP-Zwecken durch Einscannen digitalisiert werden. In der Regel liegen die Geometrieinformationen der Bauteile in Form von CAD-Daten vor. Zur Weiterbearbeitung durch die RP-Software müssen die CAD-Daten in ein neutrales Datenformat (in der Regel STL) überführt werden. Mit allen gängigen CAD-Systemen kann das STLFormat in Form von einer Exportfunktion erzeugt werden. Beim STL-Format wird die gesamte Geometrie des Bauteils durch Dreiecke beschrieben. Auf diese Weise ist jeder Dreieckspunkt auf der Randkontur mathematisch eindeutig beschrieben. Wird beim Zerteilen in Schichten (Slicen) eine Dreieckskontur durchgeschnitten, so kann dieser Schnittpunkt auf der Verbindungslinie zweier Punkte mathematisch eindeutig berechnet werden. Durch die Beschreibung der Bauteilskontur durch Dreiecke erhält man allerdings nur eine Annäherung an die mathematisch exakt beschriebene Kontur, so dass für die gewünschte Genauigkeit eine ausreichende Anzahl an Dreiecken (zu viele erhöhen unnötig das Datenvolumen) gewählt werden muss (Bild 10.1). Die RP-Software zerteilt das Bauteil in einzelne Schichten (SliceBild 10.1: Abhängigkeit der RP-Bauteilkontur von Prozess) und generiert alle für den Bauder Dreiecksanzahl bzw. -größe, grob (a) prozess notwendigen Informationen. und fein (b) vemetzte Kreiskontur

RP-Bauprozess Aufgabe des RP-Bauprozesses ist es, aus den Geometrie- und Steuerdaten ein physisches Modell (Prototyp) zu fertigen. Hierzu muss zunächst über die mögliche Dicke der pro Ebene gefertigten Bauteilschicht die Zustellung in vertikaler Richtung bestimmt und festgelegt werden. Die Wahl der Schichtdicke bestimmt auch die Genauigkeit der Bauteilkontur. Wird die Schichtdicke zu groß gewählt, entsteht ein gestuftes Modell (treppenförmige Außenkontur, Bild 10.2). Außerdem muss der Bauteilquerschnitt für jede zu fertigende Ebene generiert und miteinander verbunden werden. Der Erzeugung eines physischen Modells stehen prinzipiell verschiedene physikalische Verfahren zur Verfügung:

264

• •

•

10 Rapid Prototyping

Generierung eines Modells aus dem flüssigen Zustand (Polymerisation) Generieren aus dem festen Zustand (Sintern von Pulvern, Verkleben und Aushärten von Pulvern mit Bindemitteln, Aufschmelzen mit anschließender Extrusion, Ausschneiden und Verkleben von Folien und Papierbögen) Abscheidung aus der Gasphase (besonders zur Erzeugung von Mikrostrukturen geeignet)

:; '-",~;~"'''"" Bauteilaufbau mit zu

Post Processing J. mittels RP gefertigte Zum Post Processing gehören sowohl die FinishbearbeiBauteilkontur tungen nach dem Generieren des Prototypen in der RPAnlage als auch anschließende Folgeverfahren . Nach dem Bauprozess in der RP-Anlage weisen die Prototypen meist nicht die gewünschte Oberflächengüte, Gefügestruktur, Dichte, Festigkeit und Härte auf. Aus diesem Grund müs- Bild 10.2: Abhängigkeit der RPBauteilkontur von der sen die generierten Modelle oft nachbearbeitet werden. Schichtdicke Dies kann durch die klassischen Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Schleifen, Läppen und Honen geschehen oder z. B. durch Sandstrahlen und thermisches Abtragen erfolgen. Je nach angewandtem RPVerfahren müssen z. B. noch Stützkonstruktionen und überschüssiges , anhaftendes Material entfernt oder die Bauteile noch anschließend in einem Ofen nachgesintert oder mittels ultravioletter Strahlung nachvernetzt werden. Bei einigen RP-Verfahren schließen sich an den RP-Bauprozess noch Folgeverfahren an, um aus dem RP-Prototypen ein seriennahes Modell oder eine Prototypenserie aus dem gewünschten Zielwerkstoff herzustellen. Bild 10.3 zeigt zusammenfassend schematisch die RP-Prozesskette. RP-Software

CAD

Datenaufbereitung (Slicen)

3D-Geomelriedaten

~

RP-Bauprozess ~

Bild 10.3: Prozesskette des Rapid Prototyping

10.3 Industriell eingesetzte Verfahren des Rapid Prototyping

265

10.2 Industriell eingesetzte Verfahren des Rapid Prototyping Im Folgenden werden die in der industriellen Anwendung am weitesten verbreiteten RPVerfahren kurz vorgestellt:

Polymerisation Ein flüssiges Monomer wird mittels Belichtung (in der Regel UV-Licht) örtlich ausgehärtet. Die unbelichteten Stellen des Monomers bleiben flüssig. Auf diese Weise wird das Bauteil Schicht für Schicht erzeugt (siehe Kapitel 6, Stereolithographie). Die Belichtung kann durch einen UV-Laser erfolgen, der die Bauteilkontur Ebene für Ebene abfährt. Eine weitere Möglichkeit der Belichtung stellt das Maskenverfahren dar. Hierbei wird für jede Schicht eine Maske erzeugt, durch die danndas Monomerbad belichtet wird. Die Masken werden in der Regel ähnlich dem XEROX-Kopierverfahren auf eine Glasscheibe aufgebracht.

Lasersintem Ein vorverdichtetes Pulver wird mittels eines Lasers partiell aufgeschmolzen. Nach der Energieeinbringung durch den Laser erstarrt das Material, so dass nach und nach eine Bauteilebene nach der anderen gefertigt werden kann (siehe KapitelS, Selektives Lasersintern, Laserschmelzen).

3D-Drucken Das Verfahrensprinzip des 3D-Druckens entspricht im Großen und Ganzen dem des Lasersinterns. Hierbei wird das Pulvermaterial jedoch nicht mittels eines Lasers aufgeschmolzen, sondern durch ein Bindemittel örtlich verklebt. Die Bindemittelinjektion erfolgt ähnlich dem Verfahrensprinzip eines Tintenstrahldruckers.

Extrusionsverfahren Bei den Extrusionsverfahren werden aufgeschmolzene Materialien (in der Regel Polymere) über eine beheizte Düse oder einen Druckkopf gezielt Schicht für Schicht aufgespritzt. Bei Düsen erfolgt der Auftrag faden-, bei Druckköpfen tröpfchenförmig.

Laminate- Verfahren Beim Laminate-Verfahren wird das Modell durch Verkleben aufeinander folgender Schichten (in den meisten Fällen Folien) erzeugt (Laminate Object Manufactoring, LOM). Die Konturerzeugung jeder einzelnen Schicht kann mittels eines Lasers, eines Messers (Schneidplotter) oder eines Schichtfräsers realisiert werden. Durch Aufeinanderkleben der einzelnen Ebenen entsteht das gesamte 3D-Modell.

10.3

Folgetechnologien Rapid Tooling und Rapid Manufacturing

Um serienidentische Prototypen oder sogar kleine Bauteilserien zu fertigen, kommen sogenannte Folgeprozesse zum Einsatz. Folgetechniken sind in der Regel Abformverfahren, bei denen das in der RP-Anlage generierte und nachbearbeitete Bauteil als Urmodell verwendet

266

10 Rapid Prototyping

wird. Hierbei werden meist Gießverfahren, bei metallischen Werkstoffen vorzugsweise das Feingießen aber auch das Kokillen-, Druck- und Schleudergießen, bei Kunststoffen vor allem das Vakuumformverfahren und das Spritzgießen, angewandt. Bei Bauteilen aus Kunststoff wird außerdem das Silikongießen eingesetzt. Besonderheit dieses Gießverfahrens ist der Einsatz von Silikonkautschuk als Formmaterial. Durch Folgetechniken können sowohl Duplikate des Prototypen als auch Formwerkzeuge gefertigt werden. Die Herstellung von kleinen Bauteilserien ist mittels der zuvor beschriebenen Folgeverfahren oft schneller und günstiger als die weitere Prototypenherstellung in der RPAnlage. Das Erzeugen von Formwerkzeugen durch Abformen des RP-Modells wird indirektes Rapid Tooling genannt Das direkte Fertigen eines Formwerkzeugs mittels des RP-Prozesses, z. B. durch Lasersintem, bzw. Laserschmelzen mit anschließender Nachbearbeitung wird als direktes Rapid Tooling bezeichnet.

indirektes Rapid Tooling

...

RP-Anlage I Urform

• Gusswerkzeug

Herstellung der Gussform

...

...

Gießen des Bauteils

•

Bauteil(e) Gießen des Bauteils direktes Rapid Tooling

Bild 10.4: Prozesskette des indirekten und direkten Rapid Tooling

Ziel der aktuellen Forschung auf dem Gebiet Rapid Prototypingffooling ist es, durch Weiterentwicklung bzw. Entwicklung neuer RP-Verfahren und die Erweiterung auf neue Werkstoffe diesen Fertigungsprozess zur direkten Herstellung von Serienbauteilen bzw. Serienwerkzeugen zur industriellen Anwendung zu führen. Für das Rapid Manufacturing kommen sämtliche generative Fertigungsverfahren aus dem Bereich des Rapid Prototyping zur Anwendung. Aber auch konventionelle Verfahren wie das Fräsen können im Bereich des Rapid Manufacturing eingesetzt werden. Ziel ist dabei stets, ein Produkt herzustellen, das dieselben Anforderungen erfüllt, wie sie an End- und Serienprodukte gestellt werden. Dies umfasst sämtliche Anforderungen bezüglich Festigkeit, Genauigkeit, Oberflächengüte usw. Somit ist das Rapid Manufacturing die notwendige Weiterentwicklung des Rapid Prototyping hin zur Serienreife der Produkte.

267

11

Recycling

11.1 Recycling in den Ingenieurwissenschaften Der aus dem angloamerikanischen Sprachraum stammende Begriff Recycling kann inzwischen auch im deutschen Sprachgebrauch als allgemein eingeführt und gebräuchlich bezeichnet werden, wobei hier auch von ,,Kreislaufwirtschaft" gesprochen wird. Dennoch muss festgestellt werden, dass eine allgemein anerkannte deutsche Übersetzung und auch eine einheitliche Definition fiir Recycling bisher noch fehlen. Der sehr weit gespannte Begriff beinhaltet das Rezyklieren von Stoffen aus festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzuständen. Entsprechend groß ist auch das Spektrum der zur Anwendung kommenden physikalischen, chemischen und biologischen Gesetzmäßigkeiten und die Nutzbarkeit von Erkenntnissen aus bereits überaus traditionsreichen Naturwissenschaften fiir Fragestellungen des Recyclings. Darauf aufbauend sieht die sich gerade in jüngerer Zeit sehr lebhaft entwickelnde wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Thema Recycling einen Erfolg versprechenden Lösungsansatz darin, zunächst eine möglichst wirkungsvolle Synthese schon vorhandener Verfahren oder übertragbarer Erkenntnisse aus verwandten Gebieten vorzunehmen, um so nicht nur zu technisch und wirtschaftlich zweckmäßigen, sondern auch zu rasch in die Praxis umsetzbaren Recyclingmöglichkeiten zu gelangen. Industrielle Verfahren zum Produktrecycling können beispielsweise zum einen Teil aus der Fertigungstechnik, zum anderen Teil aus der Instandhaltungstechnik abgeleitet werden. Auch eine solche, eher pragmatisch angelegte Wissenssynthese erweist sich allerdings schon als durchaus aufwendig und komplex, da Erkenntnisse aus sehr verschiedenen Wissensgebieten - im größeren Zusammenhang aus der Fertigungstechnik, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Konstruktionslehre, Volks- und Betriebswirtschaftslehre einschließlich Operations Research interdisziplinär zusammengeführt und weiter entwickelt werden müssen. Während im Jahr 1980 lediglich 63 % der Hersteller im Automobilbereich über ein RecyclingKonzept verfügten, waren es im Jahr 2005 nahezu 100 % [SYS06]. Dennoch ist die Aufgabenstellung Recycling in den Ingenieurwissenschaften ein vergleichsweise junges Thema, dessen Umsetzung in der Wirtschaft bei Weitem noch nicht abgeschlossen ist.

11.1.1 Motivation für Recycling Die Motivationen aus denen heraus Produktionsbetriebe Schritte unternehmen, um das Recycling ihrer Produkte zu vereinfachen, oder selbst das Recycling ihrer Produkte betreiben, sind vielfältig. In vielen Fällen werden Hersteller und Händler vom Gesetzgeber gezwungen, sich E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5_11, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

268

11 Recycling

des Themas anzunehmen. Die Richtlinien der Europäischen Gemeinschaft wie z. B. die RoHS zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten werden von allen Mitgliedsstaaten entsprechend umgesetzt [RoHS]. Ebenfalls durch umfangreiche Gesetzgebung auf europäischer Ebene sind die Hersteller und Händler mittlerweile verpflichtet, bestimmte Verwertungs- und Recyclingquoten zu erfüllen bzw. die Produkte am Ende ihres Lebenszyklus zurückzunehmen. So können z. B. Elektro- und Elektronikaltgeräte sowie Altfahrzeuge vom Kunden kostenlos beim Hersteller zurückgegeben werden [WEEE; ELV], wodurch den Herstellern erhebliche Mehrkosten entstehen können. Gebrauchte Produkte können jedoch auch eine gefragte Ressource sein, z. B. als Quelle von Ersatzteilen oder als Rohstofflieferanten. Hier gilt es, der Gesetzgebung immer einen Schritt voraus zu sein und Umweltfreundlichkeit als Image- und Wettbewerbsfaktor zu begreifen.

11.2 Begriffe und Gliederungen Arbeiten zur begrifflichen Gliederung des Recyclings in der Technik haben bereits einen Stand erreicht, der eine zielorientierte Beschäftigung mit dem Thema und die Bildung von Schwerpunkten erleichtert. So können Bemühungen zur Bildung von Stoffkreisläufen dann aufbesonders vordringliche Aufgaben konzentriert werden. Sicherlich werden solche Schwerpunkte je nach Branche, Produkten, verarbeiteten Werkstoffen und zu rezyklierenden Mengen jeweils gesondert zu setzen sein. Neben diesen technischen sind auch wirtschaftliche und organisatorische Faktoren bereits im Vorfeld zu beachten. Wichtige Beiträge zur begrifflichen Klärung in allgemeingültiger Form haben die Arbeiten zur VDI-Richtlinie 2243 geleistet [VDI 2243]. Dort wird Recycling nicht nur nach Kreislaufarten gegliedert, sondern auch in unterschiedliche Recycling-Behandlungsprozesse eingeteilt, wobei sich der Kreis dann noch in jeweils eigenen Recyclingformen schließen kann. Die nachfolgenden Definitionen und Erläuterungen zum Recycling lehnen sich an die VDI Richtlinie 2243 an.

11.2.1 Recycling-Kreislaufarten im Produktlebenszyklus Die erste Gliederungsmöglichkeit des Recyclings nach Kreislaufarten orientiert sich direkt am Lebenszyklus technischer Produkte. Parallel zu Produktion, Gebrauch und Entsorgung von industriell gefertigten Produkten werden die in Bild 11.1 gezeigten drei zugeordneten Kreislaufarten unterschieden: • Produktionsabfallrecycling • Recycling während des Produktgebrauchs • Altstoffrecycling Die Recycling-Kreislaufarten ergänzen sich gegenseitig und führen zu der in Bild 11.1 veranschaulichten deutlichen Verringerung der Stoffflüsse. Einige Beispiele zum Stand der Technik und zu Anwendungen des Recyclings in diesen Kreislaufarten werden nachstehend behandelt.

11.2 Begriffe und Gliederungen

269

Produktlebenszyklusphasen Produktion

Produktgebrauch

Entsorgung

Bild 11.1: Recycling-Kreislaufarten

Andere Produktionsabfälle stammen aus der verarbeitenden Industrie; sie werden vom Handel erfasst und verwertet. Dazu gehören z. B. Stanzabfälle aus unterschiedlichen Materialien, Späne usw. Produktionsabfälle sind meist sauber, solange sie getrennt gesammelt werden. Zu den Produktionsabfällen gehören auch die für die jeweilige Fertigungstechnologie erforderlichen Hilfs- und Betriebsstoffe, für deren Entsorgung ebenfalls eine Wiederverwertung anzustreben ist. Produktionsabfallverminderung und Produktionsabfallrecycling sind bereits seit Langem, vor allem in der Metall- und Kunststoffverarbeitenden Industrie, gut eingeführt. Bild 11.2 zeigt hierzu zwei Beispiele:

... MINIMIERUNG

VERMINDERUNG

~;:~mög_G;TI Blechaus nutzung

b

c ..Q..

Zuschnittsabhängiger Blechtafel-Verschnitt

Rechnergestützte Zuschnittsanordnuno

Rest- REST-

abfälle ein-

~

schmelzen VERWERTUNG

Werkstückgeometrieabhängiger iefziehteil-Ausschnitt

Glätten durch Nachwalzen AUFBEREITUNG

Klein-1/ teile L...../~ fertigen ~ WIEDERVERWERTUNG

Bild 11.2: Produktionsabfallverminderung und -verwertung beim Produktionsabfallrecycling: Beispiele aus der Blechverarbeitung

270

11 Recycling

Im oberen Teil des Bild 11.2: In der Blechteile-Kleinserienfertigung mit häufig wechselnden Werkstücken lassen sich Produktions abfalle etwa durch rechnergestütztes Schachteln der auszuschneidenden Werkstücke aus der Blechtafel sehr weitgehend nutzen bzw. vermeiden . Eine solche Verschnittminimierung wird z. B. bei Laserschneidanlagen häufig angewendet und ermöglicht Einsparungen bis zu 25 % des Materialverbrauchs. Ein weiteres Beispiel, das Bild 11.2 im unteren Teil zeigt: Das Nachwalzen teilverformter Blechabfälle ermöglicht das anschließende Ausstanzen eines Kleinteils aus dem ursprünglichen Abfallblechstück. Dieser Weg wird vor allem dort mit Erfolg beschritten und optimiert, wo die Abfall verursachenden Großteile und die aus dem Abfall herstellbaren Kleinteile in gleichermaßen großen Serien, z. B. auf Pressenstraßen, zu fertigen sind. Die Einsparungen erreichen dabei bis zu 10 % des Materialverbrauchs. Das Recycling während des Produktgebrauchs, also die zweite Kreislaufart, hat zum Ziel, ein genutztes Produkt einer erneuten Verwendung zuzuführen. Es ist im Maschinenbau in sogenannten ,,Austauscherzeugnisfertigungen" verwirklicht. In fünf Fertigungsschritten - (1) Demontage, (2) Reinigung, (3) Prüfen und Sortieren, (4) Bauteileaufarbeitung bzw. Ersatz durch Neuteile sowie (5) Wiedermontage - entstehen zum Beispiel Kfz-Austauschmotoren . Eine solche industrielle Aufarbeitung in Serie findet sich in zahlreichen Branchen, die Bild 11.3 zeigt.

.

..

• Automobilbaugruppen • Elektrowerkzeuge • Haushaltsgeräte • Kopierer

.

..

Fertigungsschritte

.

.

Aufgearbeitetes Austauscherzeugnis statt Instandsetzung

• Werkzeugmaschinen • Industrieroboter

Aufgearbeitetes und modernisiertes Erzeugnis statt Neuinvestition

Bild 11.3: Anwendungen (Branchen und Produkte) und Fertigungsschritte beim Recycling während des Produktgebrauchs

Besonders bei Werkzeugmaschinen und Elektronikprodukten wird oft nicht nur eine Aufarbeitung, sondern auch eine Modernisierung (Einbau neuer Steuerungen, Erhöhung der Genauigkeit) durchgeführt. In solchen Fällen wird der Wert des rezyklierten Produkts höher als der des ursprünglichen Neuprodukts. Man spricht hierbei auch von "Upcycling". Die industrielle Aufarbeitung von Produkten in Serie ist durch das Bemühen gekennzeichnet, das individuelle Recycling jedes Produkts als eine Serienfertigung größerer Lose zu gestalten: Die Stückzahlen aufgearbeiteter Kfz-Produkte, wie z. B. Motoren, Getriebe, Hinterachsgetriebe, Anlasser und Lichtmaschinen, erreichen vielfach schon 10 % der Neuproduktion. In geringerem Maße werden Gebrauchsgüter, z. B. Haushaltsgeräte wie Elektrorasierer, Warmwasser-

271

11.2 Begriffe und Gliederungen

bereiter und Elektrowerkzeuge sowie Investitionsgüter, z, B. Büromaschinen wie Schreibmaschinen und Kopiergeräte oder deren Baugruppen, aufgearbeitet. Im Ausland werden auch Kühlaggregate, Benzinrasenmäher, Investitionsgüter wie Industrieroboter, Warenautomaten für Zigaretten, Getränke usw. und zahlreiche weitere Produkte bereits in großen Stückzahlen aufgearbeitet.

Am Ende der Produktlebensdauer greift die dritte Kreislaufart, das Altstoffrecycling. Hier sind zum Massenschrottrecycling rationelle Anlagen Stand der Technik. Die meistverbreitete Technologie vom Mengendurchsatz her gesehen ist die Shredderanlage (Bild 11.4).

In einer Hammermühle mit einer Antriebsleistung von 2000 bis 3000 kW werden hier beispielsweise vollständige Kraftfahrzeuge sowie überwiegend meta11ha1tige Haushaltsgroßgeräte innerhalb weniger Sekunden in faustgroße Stücke zerkleinert. Darauf folgen Magnetscheider, Windsicht-, Schwimm- und Sinkanlagen sowie in großem Umfang auch Handauslese zur Sortierung von Nichtmetallen, Eisen/Stahl, Leicht- und Buntmetallen. Das Zerkleinern der Produkte in Shreddern mit anschließendem Separieren der Werkstoffe zur Verwertung durch Wiedereinschmelzen erlaubt jedoch nur ein Recycling der wichtigsten, vorwiegend metallischen Werkstoffe. Für den wachsenden Anteil der verschiedenen. z, B. in Kraftfahrzeugen verbauten Kunststoffe, für organische Stoffe wie Leder und Fasern, leichte Gummi- und Metallfragmente, Glas, Schmutz, Lacke, Beschichtungen und Betriebsflüssigkeiten gelang bisher keine Verwertung.

Sortieren im Magnet-

abscheider und durch Hand-

auslese

Bild 11.4: Stand der Technik zum Altstoffrecycling bei Anwendung der Shreddertechnik (Hammermühle)

Hierfür werden in Zukunft nicht nur neue Zerlegetechnologien zu entwickeln sein, sondern vor allem gestalterische Bemühungen und konstruktive Maßnahmen auf der Produktseite notwendig, um vollständig geschlossene Stofikreisläufe erst zu ermöglichen.

272

11 Recycling

11.2.2 Recycling-Behandlungsprozesse Neben der dem Lebenszyklus folgenden chronologischen Gliederung in Recycling-Kreislaufarten defmiert VDI 2243 auch zwei unterschiedliche Recycling-Behandlungsprozesse: • •

die Aufbereitung und die Aufarbeitung.

Die Aufbereitung ist der vorherrschende Behandlungsprozess beim Produktionsabfallrecycling und beim Altstoffrecycling und dient meist zur Vorbereitung für die eigentliche metallurgische oder sonstige Verwertung. Aufbereitungsprozesse sind somit in der Regel verfahrenstechnische Prozesse und dienen der Werkstoffrückgewinnung. Die Aufarbeitung ist der vorherrschende Behandlungsprozess beim Recycling während des Produktgebrauchs und dient der Wahrung oder Wiederherstellung der Produktgestalt und der Produkteigenschaften für eine erneute Verwendung. Aufarbeitungsprozesse sind in der Regel fertigungstechnische Prozesse und dienen der Werkstückrückgewinnung.

11.2.3 Recyclingformen Als weitere Einteilungsmöglichkeit des Recyclings neben Kreislaufarten und Behandlungsprozessen sind verschiedene Recyclingformen für die Praxis wichtig. Grundsätzlich wird zwischen den beiden Recyclingformen • •

Verwertung und Verwendung

unterschieden und noch feiner nach Wieder- und Weiterverwertung sowie Wieder- und Weiterverwendung unterteilt. Die Verwertung löst die Produktgestalt aufund folgt auf Aufbereitungsprozesse zur Werkstoffrückgewinnung. Die Verwendung ist durch die weitgehende Beibehaltung der Produktgestalt gekennzeichnet und folgt auf Aufarbeitungsprozesse zur Werkstückrückgewinnung.

11.2.4 Gemeinsamkeiten von Produktion und "Deproduktion" Auch wenn Stofikreisläufe zum Recycling keinesfalls als "Produktion rückwärts" beschreibbar bzw. gestaltbar sind, so dass hinsichtlich Stoffgruppierungen und Verfahrensauswahl zum Recycling andersartige Gesetzmäßigkeiten wirksam werden, ist die Tatsache von Bedeutung, dass darüber hinaus durchaus einige wichtige Gemeinsamkeiten zwischen der Produktion und der in Bild 11.5 gewissermaßen als deren Gegenstück dargestellten .Deproduktion" bestehen bzw. bei der Gestaltung technisch und wirtschaftlich erfolgreicher Stofikreisläufe vorteilhaft genutzt werden können: Bild 11.5 stellt hierfür einerseits typisch • •

die Montage in der Produktion und die Demontage in der .Deproduktion" gegenüber.

11.2 Begriffe und Gliederungen

Rohmate rial -,

273

.. ~ v~~~~:;;:~~~ ~~ Verwertung von Grundstoffen

Teilefertigung Wiederververwendung von Teilenund Komponenten

r~

Montage

I

I

Instand-

hattune

I I

I I

Wiederherstellunq

~

.

.

Benutztes! verbrauchtes Produkt

I: •••

Abfall ~ ~ Aufbereitung

Neues Produkt

Demontage

I

Bild 11.5: Materialkreisläufe bei der .D eproduktion"

Bis zu einem gewissen Grad kann bei der Gestaltung von Demontagelinien auch durchaus auf Vorbilder aus der Produktion, d. h. auf die Merkmale von Montagelinien, zurückgegriffen werden. Demontagelinien, etwa in Austauschmotorenfertigungen, sind bezüglich Abläufen und technischen Einrichtungen oftmals ähnlich strukturiert wie die entsprechenden Montagebänder, auch wenn in der Produktion Bauteile zusammengeführt, in der .Deproduktion'' dagegen die Bauteil- und Stofftlüsse verzweigt werden. Verschmutzung, Verölung und Korrosion der zu demontierenden Erzeugnisse werden jedoch stets zu hohen Belastungen des in der Demontage beschäftigten Personals führen. Um zu kostengünstigen und menschengerechten Arbeitsplätzen in der Demontage zu gelangen, muss daher die Entwicklung von Einrichtungen zur Mechanisierung und Automatisierung der Demontage vorangetrieben werden. Ein Rückschluss von der Automatisierbarkeit der Montage auch auf die Automatisierbarkeit der Demontage ist allerdings nur zu einem Teil zulässig. Eine logische Umkehrung der Vorgänge - dies bedeutet im Sinne einer Automatisierung die Nutzbarkeit von Technologien und Einrichtungen zur automatisierten Montage auch für die Demontage - gilt nur für die Abläufe bei der Bildung bzw . Auflösung der Baustruktur eines Produkts, d. h. für die Reihenfolge, in der die Bauteile montiert bzw . demontiert werden. Sie gilt nicht in jedem Fall für Verfahren zum Fügen bzw. Lösen der Verbindungen zwischen Bauteilen. Es ist offensichtlich, dass insbesondere nicht lösbare Verbindungen, z. B. Schweißverbindungen, ohne weiteres automatisiert gefügt, nicht aber mit derselben technischen Einrichtung auch wieder gelöst werden können. Somit sind für eine Automatisierbarkeit der Demontage eines Produkts in erster Linie zwei Faktoren zu beachten: •

die für einen automatischen Ablauf der Demontage maßgebliche Komplexität der Baustruktur sowie

•

die für automatisierbare Demontageverfahren maßgebliche Ausführung der Verbindungen.

Als Baustrukturen besonders geeignet sind Baumstrukturen, die auch als hierarchische Strukturen bezeichnet werden. Dies ergibt einen sehr einfachen Demontageablauf, da lediglich alle Bauteile nacheinander von einem Zentralbauteil zu lösen sind, ohne dieses umspannen, umgreifen oder wechseln zu müssen.

274

11 Recycling

Als Verbindungen für eine Automatisierung der Demontage besonders geeignet sind lösbar ausgeführte Verbindungen mit einer in Füge- bzw. Löserichtung liegenden axialen Zugänglichkeit der Verbindung für ein Demontagewerkzeug. So sind in Bild 11.5 auch die beiden Prozesse • •

Teile- und Komponentenherstellung in der Produktion und Wiederherstellung in der .Deproduktion"

in gleicher Weise einander gegenübergestellt. In der Phase des Produktgebrauchs unterstützen die bekannten Maßnahmen der Instandhaltung den Kreislaufgedanken. Nach DIN 31051 sind dies die Wartung, die Inspektion und die Instandsetzung (umgangssprachlich wird anstelle des Fachbegriffs "Instandsetzung" zumeist von "Reparatur" gesprochen). Instandhaltungsmaßnahmen dienen allerdings überwiegend zur Erreichung der vorgesehenen Nutzungszeit eines Produkts, während Recycling auf zusätzliche Nutzungszyklen abzielt. Eine strenge Trennung zwischen der Aufarbeitung und Instandsetzung aufgrund der oft vergleichbaren Operationen und der Ergebnisse wird jedoch nicht immer gelingen. Dies ist auch nicht sinnvoll. Wie Bild 11.6 zeigt, sollte man daher, statt eine Abgrenzung zu betreiben, besser von einer "Verwandtschaft" der beiden Begriffe Recycling und Instandhaltung von Produkten sprechen [STEI88 , KAV02] . Beide ergänzen sich gegenseitig und gehören auch in jedem Recyclingkonzept sinnvoll zusammen.

.

..

. .. Bild 11.6: Instandsetzung als Bindeglied zwischen Instandhaltung und Recycling von Produkten

Der Begriff "Wiederherstellung" ist zwar in der Praxis nicht sehr verbreitet bzw. auch nicht genormt (die einschlägige Terminologie definiert hierfür den Begriff .Aufarbeitung"), doch hält der angelsächsische Sprachgebrauch hier ein durchaus gebräuchliches und allgemein anerkanntes Begriffspaar: • •

"Manufacturing" (für Herstellung) und .Remanufacturing" (für Wiederherstellung!Aufarbeitung)

als Beleg für die Gemeinsamkeiten von Produktion und Deproduktion bereit: In der Tat lassen sich zahlreiche Fertigungsverfahren sowohl in der Produktion als auch im Zuge der .Deproduktion" ersetzen, etwa

11.3 Produktgestaltung fiir Stoftkreisläufe

•

• •

275

aus der Gruppe "Trennen", z. B. das Drehen oder Überdrucken von Kollektoren in der Herstellung wie auch in der Wiederherstellung (Aufarbeitung) von Elektromotoren- und Lichtmaschinenankern, aus der Gruppe "Beschichten", z. B. das Lackieren/Galvanisieren von Bauteilen sowohl bei deren erster Herstellung als auch bei der unter Umständen mehrmaligen Wiederherstellung, aus der Gruppe "Stoffeigenschaftändern", z. B. das Härten bzw. Nachhärten von Führungsbahnen bei der Neuherstellung, Wiederherstellung, Überholung und Modernisierung von Werkzeugmaschinen usw.

Somit rekrutieren sich zahlreiche Verfahren der .Deproduktion" aus den entsprechenden Verfahren der Produktion bzw. können durch geeignete Anpassungen aus diesen abgeleitet werden. Auch die Entwicklung und Gestaltung technischer und logistischer Gesamtkonzepte fiir Stoffkreisläufe profitiert in mancherlei Hinsicht von den Methoden und Hilfsmitteln zur Gestaltung von Produktionskonzepten.

11.3

Produktgestaltung für Stoffkreisläufe

Im fortwährenden Bemühen, Produktion und Produkte technisch und wirtschaftlich zu verbessern, stößt der Ingenieur auch heute noch auf den Lehrsatz: Das gesamte Leistungs- und Kostenprofil eines Produkts wird zu mehr als zwei Dritteln durch seine Konstruktion bereits festgelegt. Nur unerhebliche Anteile der Produkteigenschaften können danach, etwa mittels verbesserter Herstellverfahren oder durch sachgemäßen Gebrauch, günstig beeinflusst werden.

Der Produktentwickler und Konstrukteur trägt somit seit jeher eine weitreichende Verantwortung fiir das von ihm geschaffene Produkt. In jüngerer Zeit hat sich diese noch erheblich erweitert. Auch die Eigenschaften eines Produkts in Bezug auf seine Auswirkungen auf die Umwelt und damit auch seine Eignung zum Recycling - werden durch seine Konstruktion maßgeblich mitbestimmt. Damit dehnt sich die Gesamtverantwortung des Konstrukteurs ebenfalls weiter aus. Der Verantwortungsbereich des Konstrukteurs schließt damit neben Produktion und Gebrauch auch die Entsorgung mit ein und ist als geschlossenes Ganzes zu gestalten. Dies nennt man auch Life Cycle Engineering.

11.3.1 Ökobilanzierung Die Ökobilanz, auch Life Cycle Assessment genannt, dient dazu alle während des Lebenszyklus eines Produkts, eines Verfahrens oder einer Dienstleistungsform ausgehenden Umweltauswirkungen zu erfassen und zu bewerten. Um eine Bewertung zu ermöglichen, sollte stets ein Vergleichsprodukt oder -prozess entsprechend der internationalen Normung analysiert werden [DIN ISO 14040 ff]. So können Schwachstellen identifiziert und Erfolge nach außen kommuniziert werden [JANZ05; JANU05].

276

11 Recycling

11.3.2 Produktionsabfallvermindernde Produktgestaltung Die Produktion kann insbesondere durch Einsparung und Kreislaufführung von Energie, Prozessmedien und Material zum Umweltschutz und zu Stoffkreisläufen beitragen. Häufig bereitet nicht der Produktionsabfall aus den hauptsächlich verarbeiteten Werkstoffen selbst Schwierigkeiten. Vielmehr verursachen meist die nur als "Begleiterscheinungen" der Produktion anfallenden Betriebsmittel- und Hilfsstoffabfälle die größten Umweltprobleme. An Beispielen aus der Reinigungs- und Beschichtungstechnik lässt sich jedoch zeigen, dass viele verarbeitete Werkstoffe, aber auch Betriebsmittel sich durch Kreislaufführung und mehrfache Wiederverwendung umweltbewusster und sogar kostengünstiger einsetzen lassen. Für Stoffkreisläufe in der Produktion bzw. zur Produktionsabfallverminderung gelten folgende grundsätzliche Regeln bzw. Empfehlungen: •

Wahl abfal/armer Fertigungsverfahren Es sind solche Fertigungsverfahren zu bevorzugen, bei denen möglichst kein Abfall, zumindest aber möglichst wenig Abfall entsteht. Hierzu sind solche Fertigungsverfahren anzustreben, die die Fertigform des Teils möglichst weitgehend ohne Stofftrennung erreichen (z. B. Urformverfahren wie Feingießen, Umformverfahren wie Kaltfließpressen).

•

Wahl kreislauffähiger Werkstoffe Es sind solche Werkstoffe zu bevorzugen, bei denen sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften als auch seitens der vorhandenen Verarbeitungskapazitäten in der Produktion selbst oder auf dem Entsorgungsmarkt ausreichende Recyclingmöglichkeiten gegeben sind. Hierzu sind zunächst vor allem Metalle prädestiniert, so dass sie in einigen Fällen (z. B. Aluminium statt Kunststoff) gewissermaßen eine "Renaissance" erleben können. Innerhalb der Kunststoffe bieten sich insbesondere Thermoplaste an, da sie die Möglichkeit bieten, sie sortenrein oder verwertungsverträglich zu sammeln und anschließend direkt oder durch Aufschmelzen zu rezyklieren.

•

Verzicht aufZusatzstoffe und Hilfsstoffe Es sind solche Werkstoffe und Fertigungsverfahren zu bevorzugen, die möglichst ohne Hilfs- und Zusatzstoffe, zumindest aber mit möglichst wenigen und möglichst umweltunfreundlichen Hilfs- und Zusatzstoffen auskommen. Zusatzstoffe und Hilfsstoffe fiihren nicht nur zu jeweils eigenen Produktionsabfallen (z. B. Kühlschmierstoffe), sie erschweren oder vermindern oft auch das Verwerten der Abfalle aus dem Produktwerkstoff selbst (z. B. galvanische Überzüge) und sind daher möglichst zu vermeiden. Wo unvermeidlich, sind ungiftige Hilfs- und Zusatzstoffe zu bevorzugen.

•

Wahl energiesparender und emissionsarmer Fertigungsverfahren Es sind solche Fertigungsverfahren zu bevorzugen, die entweder ohne großen Energieeinsatz auskommen und in denen keine Schadstoffe verarbeitet werden, oder die als geschlossene Systeme die Energie bestmöglich ausnutzen und unvermeidbare Schadstoffe im Kreislauf halten. Hierzu sollten generell so genannte "integrierte Technologien" eingesetzt werden, bei denen im Voraus Emissionen, Abfalle, Lärm und Abwasser weitestgehend vermieden und

11.3 Produktgestaltung für Stoffkreisläufe

277

der Energie- und Stoffeinsatz minimiert werden, so dass eine Nachschaltung von Filtern, Kläranlagen usw. ("End-of-pipe"- Technologien) nicht erforderlich ist. Dort, wo Energieverluste verfahrensbedingt entstehen müssen, sollten sie in Kreisläufen weiter genutzt werden (z. B. Nutzung der Abwärme aus Motorenprüfständen , Trocknungsanlagen etc. über Wärmetauscher z. B. zur Hallenbeheizung). Bild 11.7 zeigt eine Checkliste zum systematischen Abprüfen der von den vorstehend aufgestellten grundsätzlichen Regeln für Stoffkreisläufe in der Produktion berührten Handlungsfelder mit einer Ermittlung des zugehörigen Handlungsbedarfs.

Checkliste Produktionsabfallverminderndes Konstruieren Umwelt- und recyclinggerechte Produktentwicklung

Handlungsbedarf

Ergebnis Handlungsfelder Bittejeweilsentsprecheq.d ankreuzen

®

Fertigungsverfahren

• abfallarm

®

®

• abfallintensiv

®

• recyclingfähig im Werk.

Hauptwarkstoffe

• recyclingfähig am Markt

®

®

• nichtrecyclingfähig

®

• keine

Zusatz-! Hilfsstoffe

• kreislauffähiglungiftig

®

®

• umweltschädlich

®

• keine Energieverbrauchl -verluste

• weiternutzbar

®

®

• hoch

®

• keine Emissionen

• gut beherrschbar

®

®

• hoch

Fazit:

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Bild 11.7: Checklisten zum produktionsabfallvennindemden Konstruieren

Ein exzellentes Beispiel, dass Auswege aus Umweltproblemen in vielen Branchen und Produktionszweigen auch Kostenentlastungen mit sich bringen, ist aus der Hausgeräteindustrie bekannt geworden: Hier konnte mit der Lösung eines Entsorgungsproblems aus der Oberflächenbehandlung ein Recycling-Kreislauf besonderer Art geschaffen werden . Es gelang, das Gesenköl vom Tiefziehen der Edelstahl-Innengehäuse von Waschmaschinen, das vorher aufwendig von den Teilen vor der Montage abgewaschen werden musste, durch eine

278

11 Recycling

selbst entwickelte Schmierseife zu ersetzen, die an den Teilen verbleibt und nunmehr gleich für den Probewaschgang bei der Endprüfung der Geräte genutzt werden kann (Bild 11.8). Vorher

Nachher

Bild 11.8: Vermeidung von Hilfsstoffabfällen durch Kreislauffiihrung bei der Waschmaschinenfertigung

Dies ist auch ein Beleg dafür, dass nicht nur ein gestiegenes ökologisches Bewusstsein den Bemühungen um Stoffkreisläufe derzeit einen zunehmend höheren Rang verleiht. Richtig geplant und richtig gerechnet erweisen sie sich auch ökonomisch im Gesamtergebnis als vorteilhaft. •

Wahl kreislauffähiger Werkstoffe Es sind solche Werkstoffe zu bevorzugen, bei denen sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften als auch seitens der im Entsorgungsmarkt vorhandenen Verwertungsverfahren und Kapazitäten Recyclingmöglichkeiten gegeben sind. Diese Regel verfolgt vor allem die Zielsetzung, dass ein Recycling anderen Entsorgungsverfahren, wie thermischer Verwertung oder Ablagerung auf Deponien, vorzuziehen ist.

•

Minimierung der Werkstoffvielfalt Es sind Einstoffprodukte bzw. Einstoffbaugruppen zu bevorzugen. Wo dies nicht möglich ist, sollte die Werkstoffvielfalt auf das (Produkt-) funktionsbedingte oder (Werkstoff-) eigenschaftsbedingte Mindestmaß beschränkt werden. Diese Regel gilt für Metalle und insbesondere für deren Beschichtungen, bei denen oft in einem Produkt unterschiedliche Schutzschichten, wie z. B. galvanisierte, brünierte, verzinkte und lackierte für unterschiedliche Bauteile aus demselben Werkstoff anzutreffen sind.

11.3 Produktgestaltung fiir Stoftkreisläufe

279

•

Kombination untereinander verträglicher Werkstoffe Wenn sich ein verwertungsoptimales Einstoffprodukt nicht verwirklichen lässt, sind bei untrennbaren Komponenten (Verbundbauweisen) bzw. schwer zerlegbaren Baugruppen zumindest nur solche verträglichen Werkstoffkombinationen (auch Lacke und Beschichtungen) anzustreben, die sich wirtschaftlich und mit hoher Qualität gemeinsam verwerten lassen. Für die Erfüllung dieser Regel muss man die Anforderungen der unterschiedlichen Verwertungsverfahren kennen. Solche Anforderungen sind aus sogenannten WerkstoffVerträglichkeitsmatrizen ersichtlich, aus denen der Produktentwickler fiir einen bestimmten Werkstoff ersehen kann, mit welchen anderen Werkstoffen dieser gemeinsam problemlos verwertet werden kann.

•

Verzicht aufSchadstoffe Stoffe, die bei der Aufbereitung und/oder Verwertung eine Gefahr fiir Mensch oder Umwelt darstellen (z. B. toxische oder explosive Stoffe), sind nach Möglichkeit zu vermeiden. Wo unverzichtbar, sind sie in jedem Fall gut zu kennzeichnen und leicht abtrennbar bzw. entleerbar anzuordnen. Besonders angesprochen sind hier Handlungsfelder, in denen Alternativen zu schadstofihaltigen Bauteilen bestehen, sowohl im Automobilbau als auch in der Elektrotechnik und Elektronik. Beispiele sind schadstofffreie Kondensatoren, Akkus und Batterien usw. Wenn funktionsbedingt auf Schadstoffe oder Gefahrstoffe nicht verzichtet werden kann (z. B. chemische Treibsätze in Kfz-Airbags), sollten diese gut abtrennbar angeordnet werden.

•

Schaffung einer zerlegefreundlichen Verbindungstechnik Nicht gemeinsam verwertbare bzw. verfahrenstechnisch nur schwer trennbare und separierbare Baugruppen und Bauteile sind hinsichtlich Baustruktur und Verbindungstechnik fiir eine rationelle Vorzerlegung geeignet zu gestalten. Eine Vorzerlegung auf Schrottsammelplätzen oder in speziellen Zerlegungsbetrieben vor dem Shreddern ist nur wirtschaftlich durchführbar, wenn die Zerlegung in Werkstoffgruppen oder eine Abtrennung störender Teile ohne großen Aufwand mit einfachen Werkzeugen und möglichst ungelerntem Personal erfolgen kann.

•

Kennzeichnung von Werkstoffen Nicht eindeutig identifizierbare sowie verfahrenstechnisch nicht eindeutig separierbare Werkstoffe sind durch eine gut sichtbare, nicht entfernbare und maschinenlesbare Kennzeichnung an Teilen, Baugruppen und/oder am Gesamtprodukt sicher identifizierbar zu machen. Eindeutig identifizierbar sind nur die wichtigsten bzw. wertvollen Metalle. Schon Aluminium- und Magnesiumlegierungen lassen sich jedoch bei Metallen nicht eindeutig auseinander halten bzw. identifizieren. Dies gilt vor allem auch fiir Kunststoffe. Hier ist eine Kennzeichnung sehr wünschenswert.

•

Trenn- und Separierbarkeit der Werkstoffe Es sind nur solche, aus Funktionsgründen unterschiedliche, im Produkt verwendete Werkstoffe miteinander zu kombinieren, die sich ohne manuelle Vorzerlegung verfahrenstechnisch trennen und separieren lassen. Metalle, die verfahrenstechnisch eindeutig separierbar sind, können ohne Bedenken kombiniert werden. Eine automatische Separierung kann z. B. durch die Eigenschaften .magne-

280

11 Recycling

tisch - nicht magnetisch" oder "niedrige Dichte - hohe Dichte" erfolgen. Innerhalb unterschiedlicher Leichtmetalle ist dagegen Zurückhaltung empfehlenswert. Bei Kunststoffen beginnen sich die Kriterien zur eindeutigen verfahrenstechnischen Separierbarkeit mit der im Gange befindlichen Entwicklung zugehöriger Verfahren derzeit erst abzuzeichnen.

11.4

Recyclingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen

Einen beeindruckenden Massenstrom von Erzeugnissen, wie er tagtäglich das Herstellerwerk verlässt und seinen Weg durch die Distributionskanäle zu den Kunden findet, in vergleichbaren Größenordnungen auch umgekehrt dem Recycling zuzuführen, heißt nur in wenigen Fällen "zurück zum Hersteller" bzw. zu den Zulieferem. Statt "Produktion rückwärts" ist ein intelligent gesponnenes Netz von Verwertem verschiedenster Ausrichtungen aufzubauen, zu beliefern und zu pflegen. Dieses Recyclingnetz reicht von Gebrauchtgeräte- und Gebrauchtteilehändlern bis zu Edelmetallscheideanstalten, vom Elektronik-Nischenvermarkter der wertvollen, sorgfältig herausgelöteten elektronischen Bauteile, vielfach auch zum Shredderbetrieb, zur Stahl- oder Metallverhüttung oder zur Deponie, aber durchaus auch ins "Recycling-Center" des eigenen Unternehmens. In den allermeisten Fällen sind die für das Recycling zu bildenden Produktfarnilien und Werk-

stoffgruppen sehr verschieden von den Teilefamilien und Montage-Baugruppen aus der Produktion. Für die richtige Gruppierung von Produktbestandteilen und Werkstoffen und deren Zuordnung zu dem entsprechenden Recyclingverfahren sind nicht nur neue Trennlinien zu ziehen - es sind oft auch höchst unterschiedlich erscheinende Erzeugnisflüsse gezielt zusammenzuführen, um Mengen- und damit Kostenvorteile zu nutzen. Ein Beispiel: Bei der Elektronikschrottverwertung gilt in der Praxis: "Ein Staubsauger ist dasselbe wie ein Telefon." Mit dieser etwas saloppen Ausdrucksweise umschreibt der Elektronikschrottverwerter die Tatsache, dass beide Produktgruppen z. B. grauen Kunststoff, bestimmte Metallanteile und Elektronik in vergleichbarer Verteilung enthalten und beim Recycling daher ähnliche Verfahren und Verfahrensschritte erforderlich sind, so dass beides gemeinsam verarbeitet werden kann. Vor bzw. neben der eigentlichen Verwertung der Wertstoffe selbst sind grundsätzlich einige Vorbehandlungsverfahren für die Altprodukte erforderlich. Diese dienen in den ersten Schritten hauptsächlich der Zerkleinerung, Trennung und Separierung, in weiteren Schritten dann meist einer Reinigung oder Qualitätserhöhung der zu regenerierenden Wertstoffe. Viele davon haben sich aus den bisherigen Verwertungsverfahren der klassischen Schrottwirtschaft herausgebildet. Einige sind auch neu, vor allem für Nichtmetalle. Darüber hinaus ist zu beobachten, dass sich in erster Linie branchenbezogene Verfahren und Verfahrenskombinationen beim Recycling zu entwickeln beginnen bzw. bereits teilweise etabliert haben.

11.4 Recyc1ingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen

281

Beim Recycling von Kraftfahrzeugen, Haushaltsgeräten ("weiße Ware": Waschmaschinen, Herde, Geschirrspüler, Kühlschränke, etc.), Industrie-Elektronik (Computer, Steuerungen) und zunehmend auch Unterhaltungselektronik ("braune Ware") ist grundsätzlich eine Aufeinanderfolge von vier Verfahrensschritten erforderlich: • • • •

Trennung und Separierung Wieder- und Weiterverwendung (von ProduktenlBautei1en) Wieder- und Weiterverwertung (von Wertstoffen) Entsorgung (von Reststoffen).

Die Anforderungen seitens der Verwertung benötigen für die Aufbereitung von Kraftfahrzeugschrott und weißer Ware leistungsfähige Verfahren zur Trennung und Separierung, die einen weitgehend sortenreinen Schrott ausbringen. Beim derzeitigen Stand der Technik wird vor allem das Shredderverfahren mit zahlreichen nachgeschalteten Verfahrenstechniken angewandt.

Bild 11.10 zeigt im Überblick mögliche Verfahrensschritte beim Trennen und Separieren von Kraftfahrzeugschrott. Shredderanlagen sind nach dem Prinzip der Hammermühle gebaut. Eine Großshredderanlage besteht aus dem eigentlichen Shredder, der Entstaubungsanlage, überwiegend durch Windsichtung, Separieranlagen mit Magnet- und Siebtrommel sowie SchwimmSink-Anlagen für NE-Metalle und dem Drehrohrofen. Die rotierenden Hämmer des Shredders reißen die Wracktei1e über eine ambossartige Abschlagkante in etwa faustgroße Stücke. Ausreichend zerkleinerte Stücke werden durch einen Rost ausgetragen. Grobteile, die nicht zerkleinert werden, gelangen durch eine Auswurfklappe auf die Abzugsrinne. Die Anforderungen der Abnehmer an die Sauberkeit des Schrotts zwingen danach zu einer Windsichtung des Materials am Rotor und an der Separiertrommel, wobei Abfall und Staub abgesaugt werden. Nur mit einer aufwendigen Entstaubungsanlage lassen sich die Auflagen des Umweltschutzes für die notwendigen großen Ab1uftmengen erfüllen. Im Windsichter werden daher mittels eines aufsteigenden Luftstromes flugfähige Anteile vom schweren Material getrennt. Die abgesaugte Fraktion enthält die leichten, flugfähigen Bestandteile des Shreddergutes und wird Shredderleichtfraktion genannt (Bild 11.9). Nach der Windsichtung werden Stahl und Eisen magnetisch separiert. Die Flussmengen in Bild 11.10 zeigen, dass eine Shredderanlage auf die Stahlrückgewinnung spezialisiert ist. Übrig bleibt der Shreddergrobmüll, der mit Nichteisen (NE)-Metallen, nichtmagnetischem Stahl und Nichtmetallen, insbesondere Gummi, noch viele Werkstoffe enthält. Vor weiteren Verarbeitungsstufen werden deshalb auch NE-Metalle auf Sortierbändem von Hand ausgelesen. Dabei erfasst man nur lohnend große Stücke. Vor allem stark kupferha1tige Eisenteile (beispielsweise Lichtmaschinenanker) sowie Gummi- und Polsterteile mit Eisenkern werden von Hand aus dem Restschrott aussortiert.

282

11 Recycling

Windsichter

- ........

Shredder Hämmer

Rotor

Drehrohrofen

...

-

D",

\Ziiik.7 ~

Schwimm-8ink-Anlage (hier nur eine von mehreren Stufen)

Bild 11.9: Verfahrensschritte beim Kraftfahrzeugschrott Recycling nach [PAH07]

Aus der nach der Magnetseparation verbleibenden Schwerfraktion, bestehend aus Holz, Glas, größeren Kunststoffteilen, Gummi, Steinen und NE-Metallen, werden die größeren NE-Stücke ebenfalls per Handsortierung entnommen und nach Sorten getrennt an Umschmelzwerke veräußert. Der Wertinhalt des verbliebenen Grobmülls ist so groß, dass es lohnt, die Restströme mehrerer Shredderanlagen zusammenzufassen und Schwimm-Sink-Anlagen zuzuführen. Der ungefähre Umfang der einzelnen Stoffströme ist in Bild 11.10 dargestellt, hier werden die Stoffströme zusätzlich durch Absieben verzweigt. Das Einsatzmaterial bei Shredderanlagen besteht zu etwa 70 % aus Altautos und zu etwa 30 % aus leichtem Sammel- und Mischschrott. Dessen metallischer Anteil lässt sich mithilfe der Shredder-Technik, der nachgeschalteten Schwimm-Sink-Trennung, die besonders auf die Aluminiumrückgewinnung ausgerichtet ist, sowie der laseranalytischen Reinsortierung oder der Abschmelzung, die Blei, Zink und Rotmetalle ergibt, fast vollständig wiederverwerten. Besondere konstruktive Maßnahmen sind dafür nicht notwendig, wenn nur darauf geachtet wird, dass Kupfer in nicht zu große Menge und gut abtrennbar verbaut wird. Ganz anders verhält es sich mit den Nichtmetallen. Die Shredderleichtmüllfraktion enthält sie in so verunreinigter und vermischter Form, dass bisher keine wirtschaftliche Wiederverwertung möglich ist. Der Leichtmüll wird noch immer zum Großteil deponiert [GRU08]. Dabei wird er zunehmend als Sondermüll eingestuft.

11.4 Recyclingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen

283

ca. 70% Karosserieschrott und ca. 30% Mischschrott Shreddern 100% WIndsichtung -23%

Shredder·-M;;;;t-~-:;=;::---:~~~~O.····. Magnet-

Leichtfraktion

Magnetseparierung

separierung -3,2% Fe-Teile mit NE-Anhaftung

-10% Fein-Fraktion <15mm Minerale und Metalle

-0,2% NE-Metalle >15mm

-9,6% Grob-Fraktion >15mm Schaumstoffe, Holz, Papier, ...

1 81'.:1-----..

- 6,5% MagnetSeP1l rierung r-'--==Jl:J5jC:r:NI ~)CJjeJl SchredderI -2% -1,6% Schwerfraktion - 0,1% NE-Nichtmetall- NE-MetallFe-Teile Gemisch Gemisch -0,5% <15mm >15mm Cu-Spulen, Metallanteil Metallanteil - 70% Cu-Gewölle, -95% -13-30% Fe-5chredderschrott Verunreinigungen

-2,8% NichtmetallGemisch >15mm

Bild 11.10: Produkte einer Karosserie-Shredderanlage [MET08]

Eine Mengenreduktion des Shredderleichtmülls gelingt durch Demontage von Kunststoffteilen, von Glas und durch gründliche Entsorgung der Betriebsflüssigkeiten, "Trockenlegung" genannt. Es werden aber auch neue, hocheffiziente "Post-Shredder-Verfahren" entwickelt [GRU08].

284

Literaturverzeichnis ADA03 AND89 ASK96 BAC04 BAR08 BAS03 BAU87 BAUE88 BAUM86

BAUM09 BEH89 BEN89 BER08 BERT94 BIR02 BODOI BOE89 BUR96 CEROI CZE02 DEC88 DSTV83 DUT02

DUT07 EBN95 EIC06 EIS02 EYE04 FEL90 FIS06 FRI05 GOL84

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Literaturverzeichnis

GR007 GR009 GRU83 GRU08 GUE09 HAA89 HAB07 HEI93 HESS88 HIN03 HOF09 HOR02 HOR98

HUE92 HUE09 HUP89 lliK06

JANU05

JANZ05

JOE86 KAU02 KIP04 KLEOI

KLE09 KL006 KNE06 KOE95 KOE89 KOE08 KRA89

KRA09

285

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286

LAN90 LANOO LANG90 LAU87 LEH85 LEI06 LOH99 LOT02 MAT08 MAT03 MEIN89 MEN88 MET08 MEU90 MEY89 NEU94 NEUM91 NIE05 NIE09 N.N.06 OLF08 OND09 OPP03 OST99

PAR07 PETZ86 RIE89 RIE08 RUG86 SAL89 SCH05 SCHA03 SCHL86 SCHL009a

SCHL009b

Literaturverzeichnis

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Literaturverzeichnis

SCH002 SCHU86 SLCR03 SPE89 SPU79 SPU80 SPU81 SPU83 SPU84 SPU85 SPU98a SPU98b SPU87 SPUOO STE83 STE09 STEI88 STR09a STR09b SUB92 SYS06 TROE96 TSC08 TSC05 UHL03 WAR89 WAR96a WAR96b WEC02 WEC98 WES97 WIROO

287

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288

Normen und Richtlinien DIN 323-1 DIN 406-12

DIN962 DIN 1910 DIN 4760 DIN 4764 DIN 4768-1 DIN 6580 DIN 6581 DIN 8552 DIN 8580 DIN 8582 DIN 8583 DIN 8584 DIN 8585 DIN 8588 DIN 8589 DIN 8590 DIN 8593 DIN 1052 DIN 17022 DIN 31051 DIN 34800 DIN 55350 DIN 55945 DIN EN 657 DINEN 1011 DINEN 10025 DINEN 10052 DINEN 13018 DIN EN ISO 1302 DIN EN ISO 2560 DIN EN ISO 4287

DIN EN ISO 4757 DIN EN ISO 8402

DIN EN ISO 9000-1 DIN EN ISO 9001

Norm DIN 323-1 08.74: Normzahlen und Normzahlreihen, Hauptwerte, Genauwerte, Rundungswerte Norm DIN 406-12 06.94: Technische Zeichnungen, Maßeintragung, Eintragung von Toleranzen für Längen- und Winkelmaße DIN 1319-1 Norm DIN 1319-1 01.95: Grundlagen der Messtechnik - Teil 1: Grundbegriffe Norm DIN 962: Schrauben und Muttern; Bezeichnungsangaben, Formen und Ausführungen Norm DIN 1910 02.08: Schweißen und verwandte Prozesse Norm DIN 4760 06.82: Gestaltabweichungen, Begriffe, Ordnungssystem Norm DIN 4764 06.82: Oberflächen an Teilen für den Maschinenbau und Feinwerktechnik, Begriffe nach der Beanspruchung Norm DIN 4768-1 05.90: Ermittlung der Rauheitsmessgrößen Ra, Rz, R max Norm DIN 6580 10.85: Begriffe der Zerspantechnik; Bewegungen und Geometrie des Zerspanvorgangs Norm DIN 6581 10.85: Begriffe der Zerspantechnik; Bezugssysteme und Winkel am Schneidteil des Werkzeugs Norm DIN 8552 01.06: Schweißnahtvorbereitung - Fugenformen an Kupfer und Kupferlegierungen Norm DIN 8580 09.03: Fertigungsverfahren; Begriffe, Einteilung Norm DIN 8582 09.03: Fertigungsverfahren Umformen; Einordnung, Unterteilung, Begriffe, Alphabetische Übersicht Norm DIN 8583 09.03: Fertigungsverfahren Druckumformen Norm DIN 8584 09.03: Fertigungsverfahren Zugdruckumformen Norm DIN 8585 09.03: Fertigungsverfahren Zugumformen Norm DIN 8588 09.03: Fertigungsverfahren Zerteilen NormDIN 8589 09.03: Fertigungsverfahren Spanen Norm DIN 8590 09.03: Fertigungsverfahren Abtragen Norm DIN 8593 09.03: Fertigungsverfahren Fügen Norm DIN 1052 12.08: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken Norm DIN 17022-1 10.94: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen Norm DIN 31051 06.03: Grundlagen der Instandhaltung Norm DIN 34800: Schrauben mit Außensechsrund mit kleinem Flansch Norm DIN 55350 05.08: Begriffe zum Qualitätsmanagement Norm DIN 55945 03.07: Beschichtungsstoffe und Beschichtungen Norm DIN EN 657 06.05: Thermisches Spritzen. Begri e, Einteilung. Norm DIN EN 1011 07.09: Schweißen - Empfehlung n zum Schweißen metallischer Werkstoffe Norm DIN EN 10025 02.05: Warmgewalzte Erzeugnis e aus Baustählen Norm DIN EN 10052 01.94: Begriffe der Wärmebehan ung von Eisenwerkstoffen Norm DIN EN 13018 07.01: Zerstörungsfreie Prüfung Sichtprüfung - Allgemeine Grundlagen. Deutsche Fassung EN 13018: 2001 Norm DIN EN ISO 1302 06.02: Geometrische Pro uktspezifikation (GPS)- Angaben der Oberflächenbeschaffenheit in der technischen Produktd kumentation Norm DIN EN ISO 2560 03.06: Schweißzusätze - U üllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von unlegierten Stählen und Feinkronstä en Norm DIN EN ISO 4287 10.98: Geometrische Prod espezifikation (GPS), Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit mit dem Tastschnittverf en - Benennungen, Definitionen und Kenngrößen Norm DIN EN ISO 4757: Kreuzschlitz für Schrauben Norm DIN EN ISO 8402: Qua1itätsmanagement-Syste udit, 4. überarb. Aufl. 1998. Grundlage sind die Normen DIN EN ISO 9001 und DIN EISa 9004, TeilIDIN EN ISO 18265 Norm DIN EN ISO 1826502.04: Metallische Werksto e - Umwertung von Härtewerten Normen zum Qualitätsmanagement und zur Qualitäts icherung/QM-Dar1egung Teil 1: Leitfaden zur Auswahl und Anwendung Norm DIN EN ISO 9001 12.00: Qualitätsmanagem systeme - Modell zur Qualitätssicherung/QM-Dar1egung in Design, Entwicklung, Produkti n, Montage, Wartung

E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

Normen und Richtlinien

DIN EN ISO 9004-1 DIN EN ISO 10360 DIN EN ISO 10664 DIN EN ISO 14040 DIN EN ISO 14253-1

DIN EN ISO 18265 DIN ISO 286-1 DIN ISO 286-2 DINISO 525 DINISO 1101

DIN ISO 2768-1 DIN ISO 2768-2 DIN ISO 3040 DINISO 5459 DINISO 8015 DIN V 32950 DIN V ENV 13005 ELV ISO 3 ISO 17 ISO 497 ISO 2692 ISO 4287-1

RoHS

VDA4 VDA5 VDI2243 VDINDE2617 VDINDE/DGQ 2618 VDI2628 VDI3146 WEEE

289

Norm DIN EN ISO 9004-1 12.00: Qualitätsmanagement und Elemente eines Qualitätsmanagementsystems - Teill: Leitfaden zur Leistungsverbesserung Norm DIN EN ISO 10360 06.03: Annahmeprüfung und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG) Norm DIN EN ISO 10664: Innensechsrund für Schrauben Norm DIN EN ISO 14040: Umweltmanagement - Ökobilanz - Prinzipien und al1gemeine Anforderungen. Deutsche Fassung EN ISO 14040 Norm DIN EN ISO 14253-1 03.99: Prüfung von Werkstücken und Messgeräten durch Messen Teil 1: Entscheidungsregeln fiir die Feststel1ung von übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung mit Spezifikationen. Deutsche Fassung EN ISO 14253-1: 1998 Norm DIN EN ISO 1826502.04: Metallische Werkstoffe - Umwertung von Härtewerten Norm DIN ISO 286-1 11.90: ISO-System für Grenzmaße und Passungen, Grundlagen für Toleranzen, Abmaße und Passungen Norm DIN ISO 286-2 11.90: ISO-System für Grenzmaße und Passungen, Tabel1en der Grundtoleranzgrade und Grenzabmaße für Bohrungen und Wel1en Norm DIN ISO 525 08.00: Schleifkörper aus gebundenem Schleifmittel Norm DIN ISO 1101 08.95: Technische Zeichnungen, Form- und Lagetolerierung, Tolerierung von Form, Richtung, Ort und Lauf, Al1gemeine Defmitionen, Symbole, Zeichnungseintragungen Norm DIN ISO 2768-1 06.91: Allgemeintoleranzen, Längen- und Winkelmaße ohne einzelne Toleranzeintragungen Norm DIN ISO 2768-2 04.91: Allgemeintoleranzen, Toleranzen für Form und Lage ohne einzelne Toleranzeintragungen Norm DIN ISO 3040 09.91: Technische Zeichnungen, Eintragung der Maße und Toleranzen für Kegel Norm DIN ISO 5459 01.82: Technische Zeichnungen, Form- und Lagetolerierung, Bezüge und Bezugssystem für geometrische Toleranzen Norm DIN ISO 8015 06.86: Technische Zeichnungen, Tolerierungsgrundsatz 04.97 Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Übersicht (ISOrrR 14638:1995) Norm DIN V ENV 13005 06.99: Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen Deutsche Fassung des "Guide to Expression ofUncertainty in Measurement (GUM) Richtlinie 2000/53/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 18. September 2000 über Altfahrzeuge - Erklärung der Kommission Norm ISO 3 04.73: Normzahlen, Normzah1reihen Norm ISO 1704.73: Richtlinien für die Anwendung von Normzahlen und Normzah1reihen Norm ISO 497 05.73: Anleitung für die Auswahl von Hauptwertreihen und Rundwertreihen von Normzahlen Norm ISO 2692 AMD 10.92: Technische Zeichnungen, Form- und Lagetolerierung, Maximum-Material-Prinzip Norm ISO 4287-106.98: Geometrische Produktspezifikation und -prüfung (GPS) der Oberflächenbeschaffenheit durch das Tastschnittverfahren - Benennungen, Definitionen und Kenngrößen Richtlinie 2002/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar 2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten VDA-Richtlinie VDA 4: Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie - Sicherung der Qualität vor Serieneinsatz VDA-Richtlinie VDA 5: Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie - Prüfprozesseignung VDI-Richtlinie VDI 2243, BI. 1: Konstruieren recyclinggerechter Produkte. Grundlagen und Gestaltungsregeln VDI-Richtlinie VDI /VDE 2617: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten VDI-Richtlinie VDI /VDE /DGQ 2618: Prüfmittelüberwachung VDI-Richtlinie VDINDE 2628: Automatisierte Sichtprüfung VDI-Richtlinie VDI 3146: Innenhochdruck-Urnformung. 2000 Richtlinie 2002/96/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar 2003 über Elektro- und Elektronik-Altgeräte - Gemeinsame Erklärung des Europäischen Parlaments, des Rates und der Kommission zu Artikel 9

290

Stichwortverzeichnis 0-9 3D-Chip-Technologie 3D-Drucken

261 265

A Abbrennstumpfschweißen 151 f. Abmaß 15, 17 Abmaß, obere 17 Abmaß, untere 17 Abrichten 135 Abschrecken 206, 210 f. Abschreibungen, kalkulatorische .44 Absorption 11, 66, 159 Abtragen 141 Ätz145 chemisches 104, 141, 145 chemisch-thermisches 145 elektrochemisches 141, 147 funkenerosives 141, 237 mit Elektronenstrahlen 141 mit Elektronenstrahlen 144 mit Laserstrahlen 237 mit Laserstrahlen 141, 143 thermisches 141, 237 Acetylen 156 Additive 184, 230 Adhäsion 168 Airless-Zerstäubung mit Luftunterstützung .. 189 17 Allgemeintoleranzen (Form und Lage) Allgemeintoleranzen (Längen- und Winkelmaße) 16 Altstoffrecycling 271 f. Aluminieren 210 Aluminium 52 f., 79, 85,182,198 Aluminium-Gusslegierungen 53 Aluminium-Knetlegierungen 53 Aluminiumlegierungen 53,88,105,106,149 Aluminiumoxid 68, 229 Aluminiumtarget 259 Ammoniumchlorid 238 Amortisationsrechnung .48 Amortisationszeit .48 Anion 196

Anisotropie Anlassen Anolytkreislauf Anstauehen APCVD-Abscheidung Aramidfasern Arbeitspläne Arbeitsraum Arbeitsvorbereitung Argon

75, 111,218 203,206 199 104 259 67 3 4 3 88

~~=~.:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::.~~~

Ätzen 145, 147,257 Ätzen, nasschemisches 145, 255, 257 Ätzmaske 257 Aufarbeitung 270, 272, 274 Aufbereitung 272, 281 Aufbohren 128 Aufdampfen 181 f. Aufkohlen 150,203,209 f. Aufladung, elektrostatische 201 Aushärtung 107, 185,211,219,221,241,258 Auslagern 211 Ausscheidungshärten 211 Außendrehen 126 Außenhonen 136 Außemnaß 18 Außen-Planräumen 131 Aussondem 203, 209 Austauschbau 13 Austenit 203, 211

B Bandsägen Bandschleifen Bauschnittholz Bauteileaufarbeitung Beanspruchungsarten Bedrucken Beflocken Beißschneiden Beleimung Belichten Benetzung Bereich der Nichübereistimmung

E. Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke, Einführung in die Fertigungstechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9798-5, © Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010

160, 244 f. 135 75 270 174 217, 228 228 116 240 257 162 28

Stichwortverzeichnis

291

Bereich der Übereinstimmung 28 Beryllium 53 Beschaffung 2 Beschichten 8, 172 Beschichten, chemisches 195 Beschichten, elektrostatisches 200 Beschichten, galvanisches 195 Beschlagbohrer 247 .41 Bewertungskriterien Bewertungsmethoden 42 Bezugsprofil 27, 129 Bildsamkeit 230 Bindemittel., 76 f., 84, 184, 238 Bindungen (Honen) 136 Bindungen (Schleifen) 236 Bindungstyp-Tetraeder 64 Bioenergie 71 214,217 Blasformen Blechronde 110 Blei 282 Blindnieten 164 Bohren 127 f., 144,225,247 Bohrwerkzeuge 128 Bolzenschweißen 152 Bor 254 Borkarbid 133 Bornitrid, kubisch-kristallines 136 Brecher 230 Brettschichtholz 76 Brinell-Härteprüfung 204 Bronze 55 Buckelschweißen 151 f. Bügelsägen 244 Bürsten 168

c Carbonitrieren ceramies cermets CFC CFK Chill-Roll-Verfahren Chrom Chromieren Clinchen CNC-Drückmaschine COrLaser COrVerfahren Coextrusion

210 124 124 69 69 216 196 210 166 112, 114 143 83 214

Cold-Box-Verfahren CVD-Abscheidung CVD-Verfahren CVD-Verfahren, thermisch aktivierte

84 256 181 184

D Dauerformen 87 Deckenlagespäne 240 Decklack. 185 Deckschicht 241 Defekthalbleiter 66 Dekapieren 195 Demontage 270, 272 ff Deposition 180, 183 Deproduktion 272 f. Destillation 255 Diamant 64, 109, 124, 133, 136 f. Diamantwerkzeuge 236 Diffusion 258 Diffusionsglühen 205 Diffusionsöfen 258 Diode 252 Direkthärten 210 Direktzerspanung 239 Dissoziation 195 Dotierstoffe 256 Drahtummantelung 215 Drehen 25, 125, 224 Drei-Niveau-Laser 10 Drücken 109, 112 f. Druckgießen 89, 105 Druckgießmaschine 89 Druckluftzerstäubung 188 Drucksintem 233 Druckumformen 98, 103, 105 Drückverhältnis 113 Drückwalzen 101 f. Duktilität 235 Durchdrücken 98, 105, 107 Durchhärten 207 Durchsetzen 166 Durchsetzfiigen 166 Durchziehen 109 Duromere 60 Duroplaste 59 f., 223, 231

292

Stichwortverzeichnis

E

F

Ebenheit 23 Eckenwinkel.. 121 Edelkorund 136 Eigenfrequenzen 245 Einbrennlack 185 Einbringen 203,209 Eindiffusion 209 Eindrücken 98,105 Einguss 80 Einheitsbobrung 20 f. Einheitswelle 20 f. Einkristallrohling 255 Einnietm.utter 165 Einsatzhärten 209 f. Einschnecken-Extruder 213 Einstellwinkel 12l, 246 Einzelkosten 42 Einzelrauhtiefe 26 Elastomere 59, 212, 223 Elektrode 157 Elektrolyse 199 Elektrolyt 92, 196 Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlage 144 Elektronenstrahlen 144, 186 Elektronenstrahlschweißen 159 f. elektrostatisches Pulverauftragen 193 Elektrotauchanlage 199 Elektrotauchemaillieren 193 Elektrotauchlackieren 187 Elevationswinkel 16 Eloxalschicht. 196 Emaillieren 193 Emission 276 Emulsion 124 Energiekosten 45 Entfetten 168 Entgraten 103, 134 Enthalpie 232 Entkohlen 203 Entwicklung 2 Epoxidharz 68 Epoxid-Harze 168 Ersatzproblem 46 f. Erstzug 110 Extruder 213 Extruderschnecke 213 Extrudieren 213 f., 218, 219 Extrusionsverfahren 265 Extrusionswerkzeug 214

Face-to-face-Verfahren Fähigkeitsindex Fahrzeugreifen Faltenbildung Falzfräser Farbmittel Fasergewinnung Faserspritzen Faserverbunde Faserwerkstoffe Federfräser Feingießen Feinschneiden Feldeffekt-Transistor Feldoxid Feldspat Felsquarz Fernfeldschweißen Ferrit Ferromagnetismus Fertigung Fertigungsmittel Fertigungstechnik Fertigungsverfahren 3,6 f., 41, Festkörperlaser Festkörpemutzungsgrad Feuerschutzmittel Filmbildner Flachs Flachschleifmaschinen Flachwalzen Flammhärten Flannnkegel. Flammspritzen Flansch Fließgrenze Fließpressen Fließpressen, kombiniertes Fließspan Fließtemperatur Fluidisierbettverfahren Flussmittel Folienblasanlage Folienblasen Foliengießen Folienherstellung Formabtragen, elektrochemisches Formdrehen Formfräsen

261 35 219 110 246 184 f. 71 221 67 67 246 85, 276 119 253 256 229 254 226 203 51 4 4 6 274, 276 9 192 239 184 70 136 99, 101 208 156 193 111 98, 123 105, 107 107 123, 225 61 201 161 f. 217 214 231 216 147 126 129

293

Stichwortverzeichnis

Formgebung 78 f., 94, 138, 219, 231, 237 Formstoffe chemisch gebundene 83 physikalisch gebundene 86 tongebundene 82 Formtoleranzen 22, 24 Fotolack 257 Fräsen 25, 129, 225, 246 Freimaßtoleranzen 79 Freisclmeidwerkzeug 118 Freiwinkel 121, 246 Fügen 8, 147 f., 159, 161, 168,225,273 Funkenerodieren 236 Funkenerosion 87, 237 funktionale Kontamination 251

G Galvanisieren 195, 198 Galvanoformung 92 f., 142 Gaslaser 9 Gasnitrieren 210 Gasphasendiffusion 233 Gaspressschweißen 150, 152 Gasschweißen 155 Gateoxid 256 Gattersägen 244 f. Gefriertrocknung 230 Gegenlauffräsen 130 Gemeinkosten 42 f. Gemeinkostenarten 43 Gemeinkostenzuschläge 42 f. Geräuschemission 245 Geschlossensclmeiden 116, 118 Gesenk 103 f., 223 Gesenkformen 98, 103, 205, 223 Gestalt (Werkstücken) 22 Gestaltungsrichtlinien (Gießen) 78 ff. Gewinde 169 Gewindeschleifen 135 Gewindewalzen 102 Gewinnvergleichsreclmung .47 Gießen 103,205 Gießen mit Dauerformen 79, 87 Gießen mit verlorenen Formen 79 f. Gießwerkzeuge 87 Gitterdefekte 232 Gittertyp 50 Glas 11,67,225,257,271,283 Glasfaserherstellung 145

Glasmattenverstärkte Thermoplaste 68 Glasübergangstemperatur 61, 223 Glättungstiefe 25 f. Glattwalzen 101 f. Gleichlauffräsen 130 Gleitziehen 109 Gleitziehverfahren 110 Glühen 203 f., 209, 211 GPS-Matrix-Modell 14 GPS-Normen 14 Granat. 140 Graphit 64, 211, 233 Grat 103 f., 117, 152 Greifbedingung 100 f. Grenzabmaß 17 Grenzmengenreclmung 46 Grenzziehverhältnis 111 Grobkornbildung 205 Grünbearbeitung 234 Grundprofil. 26 Grundtoleranz 17 Grundtoleranzgrad 18 Grünling 93 Gusseisen 210 Gusseisen mit Kugelgraphit .52, 79 Gusseisen mit Lamellengraphit 52, 79 Gusswerkstücke 80

H H 202-Verbrennung 256 HackschnitzeIzerspanung 239 Halbhohlniet. 165 Halbleiterchips 254 Halbleitereffekt 253 Halswachstum 232 Handhobeln 244 Handlaminieren 221 Handmesszeuge 29 Hanf 71 Harnstofformaldehydharze 238 Hartbearbeitung 234 f. Härte 65, 74, 209 f., 225, 235 ff., 245 Härte (Lacke) 184 Härte (Schleifen) 133 Härte (Werkstofi) 204 Härten 203, 206, 257 Härten nach Volumenerwärmung 206 f. Härteprüfverfahren 204 Härter 220 f.

294

Stichwortverzeichnis

Hartlöten 161 f. HartInetall 124 HartInetallsägen 245 Hauptgruppen 6 Hauptschneide 128 72,233,241 Heißpressen Heizelementschweißen 226 Hilfsmittel 29 f. Hilfszeit. 44 Hinterschneidung 84 Hochdruckwasserstrahl-Anlage 140 Hochdruckwasserstrahlschneiden 225 Hochfrequenzschweißen 227 Hochglanzlack 185 Höchstmaß 17 Höchstspiel.. 19 Hochtemperaturlöten 161 f. Hohlformgießen 81 Hohlprägen 114 f. Hohlzug 110 Holz 73 ff., 81, 243 Holzfasern 74, 77 Holzfaserwerkstoffe 77 Holzfeuchtigkeit 74 f. Holzlagen 77 Holzschutzmittel 238 Holzspanplatte 77 Holzspanwerkstoffe 77 Holzwerkstoffe 76 Holzwolle 76 Holzwolleplatte 77 Homogenisieren 211 Honen 133 f., 136 f., 236, 237 Honsteine 136 Hot-Box-Verfahren 84 Hydrophobierungsmittel 238

I Immersionsverfahren Impfkristall. Induktionshärten Induktionsofen Informationen Injektorbrenner Injektorprinzip Innendrehen Innenhochdruckumformen Innenhonen Innenmaß

72 255 208 79 4 157 156 126 113 136 18

innerbetriebliche Logistik Instandhaltungskosten Instandhaltungszeit. Instandsetzung Investition Ionenimplantation Ionenplattieren Ionisationsaufladung Isolator Istmaß Istprofil.

4 45 44 274 .46, 48 257 f. 181, 183 189 252 17 25, 27

J Jahrringbreite

75

K Kalibrieren Kalibriernormale Kalkulation Kaltfließpressen Kaltformen Kaltpressen Kaltpressschweißen Kaltumformung Kaltverfestigung Kaltwalzen Kaolin Karbide Karosseriebeschichtung Kathodenzerstäuben Kation Kavitationsblasen Keilwinkel Keilzinkenfräser Keilzinkenverbindungen Keramik Keramikmatrix Keramikpulvers keramische Werkstoffe Kern Kernbohren Kemrauhtiefe Kettensägen Kieselquarz Klassieren Kleben Klebstoff

95, 214 34 42 108 223 72 150, 154 205 107 f., 110 99 229 64, 124 192 181 ff. 196 139 121 246 76 236 68 68 236 84, 90 128 25 244 f. 254 230 168, 225,227 168,227 f.

295

Stichwortverzeichnis

Koagulation 198 f. Koba1t. 55 Kohäsion 168 Kohlenstoff 67 Kohlenstoffasern 68 Koh1enwasserstoffverbindungen 58 88,91 Kokille Kokillengießen 88,91 Kondensatoroxid 256 Konditionieren 236 f., 242 Konstruktion 2, 246, 275 Konstruktion, wärmebehandlungsgerechte ..203 Kontaktzündung 158 Kontamination, biologische 251 Kontamination, chemische 251 Kontamination, energetische 251 Kontaminationsarten 251 Kontaminationsursachen 251 Konterschneiden 119 Kontinuitätsbedingung 100 203,239 Konvektion Koordinatenmessgerät 30 Koordinatensysteme 15 f. Komgrenzen 233 Korona-Sprühpistole 201 Korrosion 51, 213, 273 Korrosionsbeständigkeit... 66, 209 Korund 133,140 Kosten, fixe .46 Kosten, variable .46 Kostenrechnung .42 Kostenvergleichsrechnung .46 Kraftfahrzeugschrott-Recycling 282 Kreissägen 244 f. Kristallgitter 66, 252 Kristallisationstemperatur 61 Kugelläppen 138 Kühlschmierstoffe 124, 276 Kunststoff 57 ff., 128,212,219,227 f., 271, 276,279 Kunststoffverarbeitung 59, 93 Kupfer 54,149,196,210,227,282 Kupferlegierungen 54, 88,149,227 Kupolofen 79 Kurzhubhonen 136 Kurzschlußzündung 157

L Lack

184

Lackieren 184, 195,228 Lacksysteme 185 f. Lacktröpfchen 189 Lagerhölzer 76 Lagermittel 4 Lagetoleranzen 22, 24 Laminate-Verfahren 265 Längen 114 Langhubhonen 136 Längsdrehen 126 Längswalzen 99 Läppen 25, 133, 134, 137 f., 237 Läppscheibe 137 Laser 9, 225 Laserscannerschweißen 160 Laserschmelzen 97 Laserschneiden 143 Lasersintem 95, 265 Laserstrahl 11 Laserstrahl-Bearbeitungsanlage 144 Laserstrahlhärten 209 Laserstrahlschneiden 225 Laserstrahlschweißen 159 f. Lasertypen 9 Lastlaufzeit 44 Leerlaufzeit 44 Legierungselemente .52, 205 18,29 Lehren Leimautbereitung 240 Leimflotte 240 Leinöl 70 Leiter 252 Leiterplatte 146, 162, 164, 198 Leitungsaufladung 189 Lichtbogen 159 Lichtbogenhandschweißen 157 Lichtbogenofen 79 Lichtbogenpressschweißen 150, 152 Lichtbogenschmelzschweißen 157 Lichtstrahl 9 Life Cycle Assessment 275 Lithographie 257, 260 Lösemittel... 184 ff., 227 Losgröße 90 Lösungsglühen 211 Löten 161 Lötschutzgas 161 LPCVD-Abscheidung 259 Luftimpulsverdichtung 82 Luftströmung 250

296

M Magnesium 53 Magnesiumlegierungen 53, 88,279 Magnetformverfahren 86 Mahlung 230 Mais 70 Makromoleküle 59 Manufacturing 274 Martensit 206 Maschinenstundensatz 45 Maschinenstundensatz-Rechnung 44 Maschinenzeit .44 Maske 257 Maskenformen 83 Maskenformverfahren 83 f. Maskenkeme 83 Maskierung, lokale 257 Maß 15 f., 22, 218, 236 Masseaufbereitung 229 f. Massenfertigung 127 Maßtoleranz 17 Materialanteil 27 Matrize 103 Matten 68 Mattlack 185 Melaminformaldehydharze 238 Messaufgabe 30 Messermaschinen 244 Messerschneiden 116 Messerwellen 246 Messgeräte 29 Messing 55, 105, 147, 150, 155 Messmittel 4 Messzeuge 18 Messvorgang 30 Messwertaufnahme 30 Messzeuge 29 Metall-Aktivgasschweißen 158 Metalle .49 Metalle, hochschmelzende 56 Metall-Inertgasschweißen 158 Metallisierung 228 Metallmatrix 68 Metall-Matrix-Verbunde 66 Metallsalzlösung 195, 197 f. Mikrorisse 137 Mindestmaß 17 Mindestrentabilität. 48 Mindestspiel 19 Minimum-Bedingung 23

Stichwortverzeichnis

Mischkristalle Mischströmung, turbulente Mittellagenspäne Mittenrauhwert Mittenrauhwert, arithmetische Mittenrauhwert, quadratische Modellausschmelzverfahren Modellplatte Molybdän Montage Mühle

54 250 240 25 27 25, 27 85 83 234 4 230

N Nachlinks-Schweißen Nachpressen Nachrechts-Schweißen Nachschneiden nachwachsende Rohstoffe Nahfeldschweißen Napf Naßguss Naßpressen Natronlauge Naturfaser Naturstoffe Nebenschneide Nennmaß Neutralisationsreaktion Nibbelmaschinen Nichteisenmetalle Nickel Nickellegierungen Niederdruckplasrna Nieten Niob Nitride Nitrieren Normale Normalglühen Normalkorund Normalpotential... Nut. Nutbreite Nutfräser Nutzungszeit... Nutzwertanalyse

155 95 155 119 69 226 110 82 221,232 198 221 229 128 16 ff. 199 118 79 55, 196 55, 210 146 164,245 54 64 104, 203, 209 f. 29 f. 205 136 195, 197 246 246 246 44 f., 274 40

Stichwortverzeichnis

o Oberfläche, technische 22 Oberflächenabtragen , elektrochemisches 147 Oberflächeneigenschaften 176 Oberflächenmerkmale, attributive 32 Oberflächenzeichen 26 Offenschneiden 116, 118 Ökobilanzierung 275 Ölgewinnung 71 Orientierungen 218 f. Oxidation 195, 256 Oxidation, anodische 196 Oxidation, thermische 256 Oxidationsofen 256 Oxide 64 Oxidkeramik 126

p Paraffinemulsion 238 Parallelplattenreaktors 146 Partikelgenerierung 252 Partikelverbunde 66 Partikelzahl 252 Passung 13, 19,86, 128 Passungsarten 19 Passungsauswahl 20 Passungssystem 20 Pastenschicht 68 Patentieren 207 Pendelglühen 205 Pendelschleifen 135 Perkolationsverfahren 72 Perlit 205 Pflichtenheft 2 Phenolformaldehydharze 238 Phononen 50 Phosphor 254 Plandrehen 125 Planfräsen 129 Planhonen 136 Planläppen 137 Planparallelläppen 138 Planschleifen 135 Plansenken 128 Planung der Produktion 3 Plasma 159 Plasma- Metall-Schutzgasschweißen 159

297

Plasmapolymerisation 183 Plattenführungswerkzeug 118 p-n-Übergang 252 Polarwinkel 16 Polieren 143, 195,255 Polieren, chemisch-mechanisches 260 Polyaddition 59 Polyester-Harze 168 Polykondensation 58 f. Polymerharz 68 Polymerisation 58, 168,265 Polymermatrix 68 Porenstruktur 233 Porosität 95, 233 Post Processing 264 Prepregs 221 Pressen 104 ff., 219, 231, 233 Pressen, heißisostatisches 234 Pressen, isostatisches 231 Pressbleche 241 Pressschweißen 148, 150 Pressstumpfschweißen 151 Primärbindungen 61 Produktdefmition 2 Produktentwicklung 2, 4 Produktion 1, 248, 272 Produktionsabfallrecycling 268 f. Produktionsfaktoren 4 Produktionskosten 47 Produktionsmenge, kritische 47 Produktionsplanung und -steuerung 3 Produktionsprozess 2 Produktionsstufe 4 Produktionssystem 1 Produktlebenslauf. 5 Produktlebenszyklus 268 Produktqualität 1 Produktspezifikation, geometrische 13 Profil, mittleres 27 Profilbohren 128 Profildrehen 125 Profilfräsen 129 Profilieren 237 Profilläppen 137 Profilneigung, mittlere 25 Profilräumen 131 Profilschleifen 135 Profiltiefe 25, 27 Profilwalzen 99, 101 Prozessfähigkeitsindex 35 Prozessmedien 248 Prüfablauf. 33

299

Stichwortverzeichnis

Rundbohren Runddrehen Rundheit Rundholz Rundhonen Rundschleifen

127 125 23 75 136 135, 236

s S·· ~geb1att 245 Sagen 80, 244 f., 255 Sand 82 Sandwich-Verfahren 261 Säulenführungswerkzeug 118 Schälmaschinen 244 Schaltung, integrierte 254 Schäumen 187 219 Scheibenlaser : 11 Scheibenreinigung 260 Scherschneiden 116 f. Scherspan 123,205 Schichtholz 76 Schichtverbunde 67 Schichtwerkstoff 68 Schleifen 25, 133 f., 168,225,236 Schleifen, funkenerosives 143 Schleifen, spitzenloses 135 Schleifscheibenvorbereitung 236 Schleudergießen 90 Schleudergießform 91 Schlichtdrehen 126 Schlickergießen 231 Schmelzgießen 231 Schmelzschweißen 148, 155 Schmelztemperatur 79 Schneidaggregate 239 Schneide 242 Schneiden funkenerosives 143 Schneidkei1... 133, 243 Schneidkeramik 124 Schneidkorn 133 Schneidkraft 116 Schneidöl 124 Schnittkraft (Drehen) 122 Schnittleistung 122 f. Schrägwalzen 101 f. Schraubdrehen 125 Schraubenverbindungen 169 Anspannen 171

Antriebsarten 171 Anziehen 171 Bezeichnungsangaben 170 Montage 171 Schraubfräsen 129 Schraubläppen 137 Schruppdrehen 126 Schutzgas 88 Schutzgasschweißen 158 Schweißbarkeit.. 52, 148 f. Schweißbrenner 155 f. Schweißeignung 149 Schweißen 54, 148, 155, 158,212,225 Schweißflannne 155 f. Schweißfolgeplan 150 Schweißmöglichkeit.. 149 f. Schweißsicherheit... 149 f. Schwindmaß 79 Schwindung 79 Seigerungszone 205 Sekundärbindungen 61 Selbstkosten 43 selektives Lasersintern 95 Senke 253 Senken, funkenerosives 142 Separierung 279 ff. Serienfertigung 84, 119, 186 Shredderanlagen 282 Shreddertechnik 271 Sichtprüfung 31 Sichtprüfung, direkt 32 Sichtprüfung, indirekt 32 Siebmaschinen 240 Silicieren 210 Siliciumcarbid 230 Siliciumnitrid 230 Silicium 254 Siliciumdioxid 254 Siliciumkarbid 68 Siliciumscheibe 254 f. Siliciumscheiben 146, 256 258 Siliciumsubstrat.. : 256 Sintern 93 f., 124 203 229 232 f Sinterwerkstoffe : : sricen ' f. 262 Sollmaß 17 Sonderläppverfahren 137 Spanaufbereitung 239 Spanbildung 121, 123,243 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden. 120 244 '

95 124

300

mit geometrisch unbestimmten Schneiden ............................................................ 133 Spänevlies 241 Spanform 123 Spanherstellung 239 Spannungsarmglühen 149, 205, 211 Spannungsreihe der Elemente 197 Spanwinkel... 121 225 244 SPC : : 38 Speiser 80 Sperrholz 76 Sperrschichthalbleiter 252 Sphärolithe 61 Spielpassung 19 f. Spitzenhöhe, reduzierte 25 Spritzen, thermisches 200 Spritzgießen 85, 105,218 f. Spritzgießmaschine 218 Spritzlack 185 Sprühglocke, elektrostatische 190, 193 Sprühscheibe, elektrostatische 190, 193 Sprühspalt, elektrostatische 190, 193 Sprühtrocknung 230 Sprühverfahren, elektrostatische 189 f. Sputtern 182 Stahlguss 52, 79 Stahlsä sagen 245 Stahlwerkstoffe 89, 91 Standzeit... 87, 104, 125, 130, 183 Standzeitversuch 125 Stangenzug 110 Stanznieten 165 Statistic Process Control 38 Stellitsägen 245 Stempel 107 Stereolithography Language 262 Stichsägen 244 Stickstoff 88 Stirnfräsen 129 f. Stimschneiden 247 Stoffeigenschaftändern 8 Stoffeigenschaft ändern 93, 202 Stopfenzug 110 Störgrößen 250 Strahlen 168 Strahlhärten 209 Strahlschneiden 225 Strahlspanen 139 Stranggießanlage 92 Stranggießen 91 Strangpressen 105 231 Streckziehen :.114

Stichwortverzeichnis

Streuung Strömung, laminare Strömung, turbulente Stückkostenvergleich Stumpfschweißen Sublimation Superkaltpressen Surface Mount Technology Synthesestoffe

240 250 250 46 151 230 72 161 229

T Tangentialstreckziehen 114 f. Tannine 238 Target 182 Tastkopf 30 Taststift 30 Tauchabscheidung, chemische 198 Tauchabscheidung, elektrolytische 197 Tauchhärten 208 Tauchlackieren 186 Tauchlackieren, konventionelles 186 Taumel-Clinchen 167 Taumel-Durchsetzfügen 167 Temperatur 155, 215, 223, 226, 249 Temperatur-Zeit-Verlauf (Vergüten) 206 52,210 f. Temperguss Temperguss, schwarzer 79, 211 Temperguss, weißer 79 211 thermisch-chemische Entgraten : 145 Thermisches Spritzen 193 Thermoplaste 60 f., 223 f., 227 amorphe 60 teilkristalline 61 Thermoplastschaumguss 219 Thixoforming 108 Thixogießen 108 Thixoquerfließpressen 108 Thixoschmieden 108 Thixostrangpressen 108 Thixotropie 108 Tiefen 114 f. 144 Tiefzieh ie e en 109 f., 112 f., 223,' 277 Titan 54 Titanlegierungen 54, 147 Toleranzen 12, 15,95, 118, 138 Form23 Lage23 Toleranzfeld 17 f. Toleranzklasse 19

301

Stichwortverzeichnis

Toleranzsysteme Toleranzzone Topfzeit Topografie Tränken Transistor Transparenz Transportmittel Trennen Trennschleifen Tribo-Pistole Trichlorsilan-Prozess Trockenätzverfahren trockenen Oxidation Trockenguss Trockenpressen Tubusräumen

16 23 240 237 95 253 66 4 8, 93,115 f., 224, 242 134 201 254 145, 257 256 83 232 131

u Übergangspassung 20 Übermaßpassung 20 Ultrafiltration 199 Ultrascha1lreingung 260 Ultraschallschweißen 150, 154, 226, 227 Ultraschallschwingläppen 138, 236 Umfangsfräsen 129 Umformen 7,97 Umformgrad 110 umformtechnische Fügeverfahren 163 Umschmelzwerke 282 Unabhängigkeitsprinzip 22 Unfallverhütungsvorschriften (Schweißen)..155 unidirektional 68 Unischerheitsbereich 28 Unternehmensplanung, strategische 2 Unternehmensstrategie 2 Unternehmensziel.. 1 Unternehmensziele 2 Upcycling 270 Urformen 7, 78 aus dem flüssigen Zustand 78 aus dem ionisierten Zustand 92 UV-Licht 257

v Vakuumformverfahren Variantenvergleich

86 f. .41

Variantenvergleich, technologischer 41 Verbundstruktur 68 Verbundstrukturen 69 Verbundwerkstoff 66 Verdampfungstemperatur 182 Verdichtung 231 Verdrängungsströmung, turbulenzarme 250 Verfahren, thermische (Wärmebehandlung) 203 Verfahren, thermochemische (Wärmebehandlung) 203 Verfahrensauswahl 40 Verleimfräser 246 Verschleißformen 243 Verstärkungsfasem 68 Vertrieb 4 Verwendung 66, 124, 147,221,272 Verwertung 271 f., 278, 280 f. Vibrationssieb 230 Vickers-Härteprüfung 204 Vier-Niveau-Laser 10 Viskosieb 230 Vollformgießen 81 Vollholz 75 f. Vollniet 165 Vollschleifen 135 Voll-Vorwärts-Strangpressen 106 Vorlack 185 Vorschneider 247 Vorspaltung 243 Vorwärtsfließpressen 107 Vulkanisieren 219

w Wafer 260 Wahlproblem 46 f. Wälzdrehen 125 f. Walzen 98 f., 101,217,231,245 Walzenfräsen 129, 130 Wälzfräsen 129 Walzgerüst 99 Wälzläppen 137 Wälzschleifen 135 Walzstraße 99 Wanknutsäge 246 Warmbadhärten 207 Wärmeausdehnung 50, 224 Wärmebehandlung von Stahlwerkstoffen 203 thermisch 204

302

thermochemisch Wärmedehnung Wärmeleitfähigkeit... W·· arme 1· eitung Warm fiormen Warmgasschweißen Wasserabrasivstrahl Wasserglasverfahren Wasserlacke Wasserstrahl Weichglühen Weichlöten Weißbearbeitung Weiten Wellenlöten Wellentiefe Welligkeit... Welligkeitsprofil Wendelbohrer Wendeschneidplatte Werkstoffe EisenEisenguss-

Stichwortverzeichnis

209 75 74,88 236 50, 224 ' 226 ' 223 227, 240 139 83 186 139 205, 211 161 234 f. 114 161 23,27 22 f., 25 27 128, 247 126, 130 51 51 f., 79

~e~~~~h~:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::~~:.~:;

metallische .49 nichtmetallische 57, 79 Stahl 51 f. Werkstückgestalt 22 Werkzeugstahl. 124 Wertschöpfungskette 1 Wertschöpfungsprozess 1 Wettbewerbsfaktoren 1 Whisker 67 Wickelverfahren 221 Widerstandspressschweißen 150 Widerstandsschweißen, induktives 152 Windsichtung 281 Wirbelsintem 200 Wirkpaar 116 Wirkstelle ll, 116, 121

Wirtschaftlichkeitsprinzip Wirtschaftlichkeitsrechnung Wirtschaftlichkeitsvergleich Wolfram-Inertgasschweißen Wolfram-Plasmaschweißen

1 .40, 45 42 158 159

z Zarge Zeit-Temperatur-Verlauf Zementit Zementsandverfahren Zentrierspitze Zerlegen Zersetzungstemperatur Zerspanbarkeit Zerspankraft Zerstäubungsmechanismen Zerstäubungsprinzipien Zerteilen Ziehverhältnis Ziehwerkzeug Zielgrößen Zink Zinklegierungen Z·nk 1 sa1z Z·mn Zinsen, kalkulatorische Zirkonoxid Zonenziehapparatur ZugdruckunIformen Zugfestigkeit Zugumformen Zuluft Zunderbeständigkeit Zusatzstoffe Zuschlagskalkulation Zwischenstufenhärten

113 203 52, 210 f. 83 247 8, 115 61, 219 120, 205 122 187 187 116, 120, 224 111 113 : 109 1 56, 105, 155 282 89 198 .56 161 .44, 47 229 255 109 f., 112 53, 103 114 250 209 230 42 f. 207

.56,