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1 Einordnung produktionstechnischer Prozesse

1.1 Ziele, Interessengruppen und Herausforderungen

• planmäßige organisierte Zusammenfassung mehrerer Produktionsfaktoren (Arbeitskraft, Betriebsmittel, Werkstoff)
• organisatorische, technische (und örtliche) Einheit
• Ziel: Produktion von Sachgütern bzw. Erstellen von Dienstleistungen

• rechtliche sowie wirtschaftlich-finanzielle Einheit

1.1.1 Teilziele des Produzierens

• marktorientiert (z.B. kurze Lieferzeiten, Termineinhaltung, Qualität)
• betriebsorientiert (z.B. min. Durchlaufzeit, max. Auslastung, min. Bestände)
• weitere (z.B. Flexibilität, Transparenz)

1.1.2 Interessengruppen

1.1.3 Gegenwärtige Herausforderungen

• hohe unbeeinflußbare Kosten
• zunehmende Internationalisierung
• ökologische Probleme
• Informationsverarbeitung durchdringt alle Unternehmensfunktionen
• neue und weiterentwickelte Produktionsverfahren

1.1.4 Charakteristische Anforderungen

• Herstellung und Vertrieb technisch hochwertiger Produkte:
  - in (meist) kleinen Stückzahlen
  - mit höchster Qualität
  - in zahlreichen Varianten
  - im Rahmen von Systemlösungen
  - in kurzer Zeit
  - mit hochgradiger Recyclingfähigkeit

1.2 Elemente der Produktionstechnik

1.2.1 Grundformen der Produktion

• Urproduktion: Rohstoffgewinnung und -aufbereitung, Einleitung der Gütererzeugung
• Verfahrenstechnik: Rohstoffe => Gebrauchsstoffe
• Fertigungstechnik: Gebrauchsstoffe => Gebrauchsformen

1.2.2 Gestaltung durch:

• Produktionstechnik
• Produktionsorganisation
• Produktionsinformatik

1.3 Historische Entwicklung

1.4 Einteilung der Fertigungsverfahren

1.5 Merkmale der Fertigungstechnik

• Herstellung geometrisch präzise bestimmter Ein- und Mehrkörpersysteme
  Arbeitsvorgang
• Ausgangszustand ==========> Endzustand
• werkstück- bzw. produktorientiert (nicht prozeßorientiert)
• Wirtschaftlichkeit und andere technologische Gesichtspunkte sind der Wahl eines Fertigungsverfahrens übergeordnet

1.6 Fertigungssysteme

1.6.1 Gliederung automatisierter Fertigungssysteme

2 Spanungstechnik

2.1 Kinematische und geometrische Grundlagen

• Bewegung, Geschwindigkeit:
  - Relativbewegung zwischen Werkzeugschneide und Werkstück, bezogen auf ein ruhend
  gedachtes Werkstück (z.B. wie beim Bohren, aber: Drehen wird genauso betrachtet)
• Schnittgrößen (einstellbar):

• Spanungsgrößen (nicht einstellbar, beschreiben den Spanungsvorgang):

2.2 Physikalische und empirische Grundlagen

2.2.1 Spanbildung

• Werkzeug / Schneidkeil verformt den Werkstoff hauptsächlich durch Druck:
  - elastisch (reversibel)
  - plastisch (irreversibel) => gewollt
• Spannungszustand führt zum Überschreiten
  - der max. zulässigen Schubspannung (Fließgrenze) => Werkstoff beginnt zu fließen
  - der Schubbruchspannung (Sprödigkeit)
• Spanarten
  - entstehen durch unterschiedliche Verhältnisse zwischen möglicher und auftretender
  Verformung (Umformvermögen des Werkstoffes und Umformgrad)
  - in erster Linie also werkstoffabhängig, nicht beeinflußbar

• • Spanformen
  - Form der anfallenden Späne, unabhängig von Spanarten
  - z.B. Band-, Wirr-, Spiral-, Bröckelspäne
  - beinflußbar durch:
  a.) Spanleitung (Werkzeuggeometrie)
  b.) Schnittbedingungen (einstellbare Schnittgrößen wie Schnittgeschwindigkeit,
  Vorschub etc.)

2.2.2 Kräfte am Schneidkeil

• Aktivkraft F_a = F_c + F_f (leistungsverursachende Kraftkomponente)
• Schnittkraft F_c (groß im Vergleich zur Vorschubkraft F_f)
  - größte Kraftkomponente
  - abhängig von Werkstoff, Schneidengeometrie, Spanungsbedingungen
  - Berechnung:
  F_c = A * k_c A...Schnittfläche
  k_c...werkstoffabhängige Größe, spezif. Schnittkraft)
  k_c = k_c1*1 : h^mc h...Spanungsdicke
  k_c1*1...k_c bei A = 1 mm² => Tabellenwert
  m_c...Spanungsdickenexponent => Tabellenwert

2.2.3 Energiebilanz

• Spanungsarbeit => Wärme
  = Scherarbeit (innere Reibung) + Spanflächenreibung + Freiflächenreibung
• Zerspanleistung P = P_c + P_f => P ≈ P_c = F_c * v_c : 60.000 [kW] (5-10 kW)
• Antriebsleistung P_A = P_c : η η...Wirkungsgrad (0,7-0,85)

2.2.4 Verschleiß

• Verschleißformen

• • Verschleißmechanismen
  - Abscheren von Preßschweißstellen (hohe Temp. => Verschmelzen von Wz- und WSt-
  Partikeln => Abscheren), bei höheren Geschwindigkeiten wieder abnehmend
  - Verzunderung / Oxidation
  - Diffusionsvorgänge zw. Wz und WSt (nur bei sehr hohen Temp. / Geschwindigkeiten)
• Standzeit T
  - Wie lange bleibt das Werkzeug unter den gegebenen Standbedingungen (Schnittwerte,
  Schneidkeilgeometrie) einsatzfähig ? => wichtigste Standgröße
  - T = C_v * v_c^k => in erster Linie von der Schnittgeschwindigkeit v_c abhängig (dann
  Vorschub, dann Schnittiefe)!
• Verschleißminderung
  - Verbesserung der Spanflächen-Oberfläche
  - Erhöhung der Spanflächen-Härte
  - Einsatz von Kühl- und Schmierstoffen

2.3 Arbeitsgüte

2.3.1 Einflußfaktoren

• Kräfte
• Wärme
• Verschleiß (Maschine, Werkzeug)
• Kosten = f(Fertigungsgenauigkeit) => Fertigungsgenauigkeit immer so grob wie möglich, also so genau wie gerade nötig ist, wählen

2.3.2 Geometrische Fertigungsfehler

• Formfehler
  - Abweichung des Werkstücks von einer vorgeschriebenen geometrischen Grundform
  - z.B. Geradheit, Ebenheit, Rundheit
• Maßfehler
  - Abweichung der Werkstück-/Istmaße vom vorgegebenen Sollmaß (Konstr.-Pläne)
  - enstehen durch Verformungen am Werkstück durch hohe Passivkräfte des Werkstoffs
• Lagefehler
  - Abweichungen einer Kante, Mantellinie, Achse oder Fläche eines Werkstücks von der
  Sollage relativ zu einer Bezugskante, -mantellinie, -achse oder -fläche des Werkstücks
  - z.B. Parallelität, Rechtwinkligkeit, Symmetrie
• Fehler der Rauhheit
  - Unebenheiten von Werkstückoberflächen bezeichnet man als Rauhheit, die in der sog.
  Rauhtiefe gemessen wird

2.4 Spanende Fertigungsverfahren

2.4.1 Drehen

• einschneidiges Werkzeug
• rotatorische Schnittbewegung durch das Werkstück
• Vorschubbewegung durch Werkzeug
• Schnittgeschwindigkeit v_c = π * d * n : 1.000 [m/min]
• theoretische Rauhtiefe: R_th = f² : (8*r) f...Vorschub (0,05...1 mm)
  r...Eckenrundung des Werkzeugs (0,4...1,6 mm)
• erreichbare Rauhtiefe:
  - Schruppdrehen: Rz = 40 μm (Hauptziel: hoher Materialabtrag)
  - Schlichtdrehen: Rz = 10...40 μm (Hauptziel: hohe Oberflächengüte)
  - Feinschlichten: Rz = bis 2,5 μm

2.4.2 Fräsen

• mehrschneidiges Werkzeug, mitunter Ungleichteilung
• kreisförmige Schnittbewegung durch Werkzeug
• unterbrochener Schnitt durch mehrere Schneiden => höherer E-Aufwand als beim Drehen

2.4.3 Bohren

• Bohrarten:
  - Vollbohren (gesamtes Loch wird weggebohrt)
  - Kernbohren (nur ein Ring/Mantel wird weggebohrt)
  - Aufbohren (ein vorhandenes Loch wird erweitert)
• Schnittkraftberechnung:
  - k_c vom Drehen (s. Tabelle)
  - F_cz = 0,5 * f_z * a * k_c * sin κ (f = 0,5 * f_z bei zweischneidigem Bohrer)
• traditionell: Spiralform, Wendelgeometrie => Probleme: Verschleiß, Spanbruch
• heute: Kurzlochbohrer mit 2-4 auswechselbaren Schneidplatten und Spanteilernuten
  (Beschränkung: l < (3-4) * d , deshalb Kurzloch)
• Tieflochbohren
  - Werkzeuge unsymmetrisch mit spezieller KSS-Zufuhr (Kühl- und Schmierstoffe)
  und zusätzlicher Führung am Bohrlocheingang
  - sehr hohe Oberflächengüte und Geradheit
  - Anwendung bei l > (8...20) * d

2.4.4 Schleifen

• geometrisch unbestimmte Schneide => rel. komplizierte Eingriffsverhältnisse:
  - schwer bestimmbare Schneidengeometrie
  - große Anzahl gleichzeitig eingreifender (sehr kleiner) Schneiden (Körner)
  - direkte Beobachtung schwierig
• Selbstschärfungseffekt durch splitternde Körner (spröde)
• mechanische Energie wird in Wärme umgewandelt:
  - Freiflächenreibung (hinter Schneidkante)
  - plastische Verdrängung des Werkstoffs (innere Reibung)
  - Spanflächenreibung
  - Spanungs-/ Scherenergie
  => Einsatz von KSS nötig
• spezifische Schnittkraft k_c wesentlich höher als bei geometrisch bestimmter Schneide
  => wesentlich höherer E-Einsatz erforderlich
• Verschleiß
  - Kornverschleiß (durch extrem hohe Druck- und Temp.-Verhältnisse bzw. Wechsel
  beanspruchung => Oxidation, Diffusion, Schmelzen der Körner)
  - Bindungsverschleiß (durch mechan. u. therm. Überbelastung)
• Werkzeuge
  - Kornwerkstoffe: Korund, Siliziumkarbid, Diamant, kubisches Bohrnitrit (bis 2.000 °C)
  - Bindemittelwerkstoffe:
  a.) anorganisch (keramisch)
  b.) organisch (Gummi, Kunstharze => temp.-beständig, aber häufig gesundheitsgef.)
• Werkzeugaufbereitung
  - Schärfen und Profilieren (mehrere Kornschichten => Entfernen der äußeren Schicht)
  - Auswuchten des Schleifkörpers
• Schleifverfahren
  - Umfangsschleifen
  a.) Pendelschleifen (schnell und oft, aber weniger tief)
  b.) Tiefschleifen (langsamer, meist in einem Durchgang, relativ tief)
  - Stirnschleifen
  - Außenrundschleifen
  - Innenrundschleifen
  - Bauchschleifen

3 Numerische Steuerung von Bearbeitungsoperationen

3.1 Steuerungskonzept

• keine manuellen Eingriffe in den Bearbeitungsablauf
• schnell austauschbare, gespeicherte Ablaufprogramme => numerisch
• exakt definierbare, simultane Bewegungen in mehreren Koordinatenachsen
• NC: numeric control (“Festverdrahtung”, d.h. spezieller Rechner)
• CNC: computerized numeric control (Ein- oder Mehrrechnersysteme)
• DNC: direct numeric control (Zentralrechner steuert bzw. überwacht mehrere NC- oder CNC-Systeme)

3.2 Steuerinformationen (siehe Kopien)

• spezielle Symbolik (DIN 66025)
• selbsthaltende Funktionen (bleiben solange aktiv, bis anderslautende Befehle eintreffen, z.B. T - Werkzeug, F - v_c, S - Spindeldrehzahl)
• satzweise wirksame Funktionen (z.B. G2 - Kreisinterpolation)
• ein Satz enthält geometrische (Bahnkurve) und meist auch technologische (Wz-Wechsel) Informationen

3.3 Einteilung numerischer Steuerungen (siehe Kopien)

• Punktsteuerung (Bearbeitung nur in Zielpunkten, z.B. Bohrer)
• Streckensteuerung (2-Achsen, 2-aus-3-Achsen, z.B. Drehmaschine)
• Bahnsteuerung (2-Achsen, 3-Achsen, 5-Achsen, z.B. Fräskopf)

3.4 Interpolation (siehe Kopien)

• Umsetzung geometrischer Informationen in achsspezifische Bewegungsschritte
• spezielle Ausrichtung auf die Approximation von Linien und Kreisen
• zwei Verfahren:
  - Suchschrittverfahren
  - Digitale Differntialanalyse

3.5 Funktionale Glieder einer NC-Maschine

3.6 Lageregelung

3.7 Wegmeßsysteme

3.8 SPS - Speicher-Programmierbare Steuerung

4 Urformen

• Herstellen eines Teils aus flüssigem oder pulverförmigen Stoff
• entscheidende Forderung: endformendes Urformen (near net shape)
  => sehr genaue Berechnung und Herstellung der Formen
• wichtigste Verfahren:
  - Gießen (Metallteile)
  - Spritzgießen (Kunststoffteile)
  - Sintern (Metalle, Gemische)
  - Laser-Schichtbauverfahren (Rapid Prototyping)

4.1 Gießen

4.1.1 Grundlagen

• sehr altes Verfahren, trotzdem nur begrenzt beherrscht (Schmelztemperatur)
• Einflüsse auf Gießbarkeit und Gußqualität:
  - Fließ- und Formfüllungsvermögen des Werkstoffs
  - Schwindung und Schrumpfung des Werkstoffs beim Abkühlen
  - Wärmerißneigung
  - Gasaufnahme
  - Seigerungen (Entmischungen)
  - Penetration (Eindringen des Werkstoffs in die Gußform)
• entscheidend:
  - Formteilung
  - Zahl und Lage der Anschnitte
  - Kerne und Kernlagerung

4.1.2 Gießen mit verlorenen Formen

• Form geht verloren (wiederverwendbarer Gießereisand) => Modell nötig
• Anwendungen:
  - sowohl Einzel- als auch Großfertigung
• Gießen mit verlorenem Modell
  - z.B. Vollformgießen: geklebte Hartschaumblöcke als Modell => Verbrennen beim
  Eingießen
• Gießen mit Dauermodell
  - z.B. Holz- oder Metallmodelle

4.1.3 Gießen mit Dauerformen

• Dauerformen / Kokillen => keine Modelle erforderlich
• sehr temp.-wechsel-beständig, Lebensdauer ca. 10.000 Abgüsse

4.2 Sintern

• feste, meist pulverförmige Stoffe werden unter hohem Druck miteinander verschmolzen
• Motivation:
  - ursprünglich waren hochschmelzende Metalle gießtechnisch nicht verarbeitbar
  - Legierungen, die im flüssigen Zustand nicht mischbar sind, sind ebenfalls nicht gießbar
  - Ziel war u.a. die Herstellung von Werkstücken mit definiert poriger Struktur (z.B. Filter)
• Dreistufiger Prozeß:
  - Pulvererzeugung
  - Pressen (bis 60 kN/cm²) => Körner verschmelzen an Korngrenzen
  - Sintern, also Glühen knapp unterhalb der Schmelzgrenze => Diffusionsvorgänge
  - Kalibrieren (Nachpressen zur Beseitigung von Formungenauigkeiten)
• Vorteile:
  - selten Nachbearbeitung notwendig
  - gute Werkstoffausnutzung
  - Mischbarkeit (Legierungen)
  - keine Verunreinigungen
• Nachteile:
  - teure Pulver und Werkzeuge
  - große Pressen nötig (hohe Energien)
  - keine Hinterschneidungen möglich, meist nur rotationssymmetrische Körper formbar

4.3 Laser-Schichtbauverfahren

• gemeinsames Grundprinzip:
  - rechnerinternes Modell mit 3D-Geometriedaten
  - rechnerinterne Zerlegung in dünne Schichten
  - schichtweiser Aufbau des Körpers in einer Prozeßkammer:
  a.) Generieren der Schicht (x-y-Ebene)
  b.) Verbinden mit vorheriger Schicht
• Fertigung von Metall-, Keramik- und Kunststoffteilen möglich
• mehrere unterschiedliche physikal. Verfahren:
  - Verfestigung aus der flüssigen Phase (Polymerisation)
  - Generieren aus der festen Phase (Verkleben von Granulaten, An- und Aufschmelzen,
  Ausschneiden von Platten/Bändern)
  - Abscheiden aus der Gasphase
• 3 Verfahren der Konturierung (Berechnung)
  - vektororientiert (Geraden, Kreisbögen) => höchste Qualität, rechenintensiv
  - rasterorientiert (zeilenweise Generierung)
  - maskenorientiert (geometrisch ähnliche, aber verkleinerte Maske wird durchleuchtet)

4.3.1 Laser-Stereolithographie (siehe Kopien)

• Anwendung:
  - Anschauungsmodelle
  - Urmodelle für Vakuum-, Fein- und Spritzgießen
  - Funktionsmuster (funktionieren wie das Original, aber nicht unter dessen Bedingungen)

4.3.2 Laser-Sintern

• Prinzip:
  - selektives Sintern
  - schichtweiser Auftrag des polymerummantelten Metallpulvers
  - Laserstrahl scannt Pulverschicht, Polymer schmilzt dabei auf
  - Absenken der Arbeitsplattform
  - schichtweise Wiederholung
  - Vergasung des Polymers (Ofen)
  - die nun poröse Metallstruktur wird mit Kupfer infiltriert
• Merkmale: sehr komplizierte Geometrie möglich (scharfe Kanten, Schlitze etc.)
• Anwendungen:
  - Metallformen
  - Formsand-Sintern für Gießformen
  - Kunststoffsintern (gebrauchsfertige Teile)

4.3.3 LOM-Verfahren

• laminated object modelling
• Prinzip:
  - Laser schneidet Schichten aus Papierband aus (Dicke ca. 0,1 mm)
  - durch Verkleben (Laminieren) der einzelnen Schichten entsteht ein Papierblock, der das
  zu modellierende Teil enthält
  - Aufbauzeit: einige Stunden bis Tage
  - nicht benötigte Teile der Papierbandschichten werden beim Schneiden gerastert und
  können nach dem Fertigstellen des Blocks leicht vom Modell gelöst werden
• Merkmale: sehr bearbeitungsfreundliche Teile (ähnlich Holz)

5 Umformen und Zerteilen

• Umformen: plastische Formgebung eines vorhandenen Körpers (Verschiebung großer Gitterbereiche)
• Grundlage:
  - annähernde Volumenkonstanz: V₀ = b₀ * l₀ * h₀ = b₁ * l₁ * h₁
• Kenngrößen:
  - absolute Formänderung Δb, Δl, Δh
  - Formänderungsverhältnis: z.B. λ_b = b₁ : b₀ (für jede Dimension einzeln betrachtet)
  - Umformgrad (log. Formänderungsverhältnis): z.B. ϕ_h = ln (h₁ : h₀)
  => wird benötigt für Berechnung von Umformkräften etc.
  => ϕ_b + ϕ_l + ϕ_h = 0

5.1 Druckumformen

• Walzen
• Schmieden
  - Freiformschmieden (“Hammer & Amboß”)
  - Gesenkschmieden (Hohlform schreibt Form und Fließrichtung vor, Hammer und Amboß
  sind sozusagen schon mit der Werkstückform versehen)
• Fließpressen (Drücken eines Werkstoffs durch eine formgebende Öffnung)
• Strangpressen (“endloses” Fließpressen, Integralbauweise von ICE-Schienenfahrzeugen)

5.2 Zug-Druck-Umformen

• Durchziehen
• Tiefziehen

5.3 Zug-Umformen (siehe Kopien)

• Tiefen- bzw. Streckziehen
• Weiten
• Längen

5.4 Biegen

• zu beachtende Nebeneffekte:
  - Rückfedern des gebogenen Werkstücks
  - Längenänderung beim Biegen
  => Berechnung der gestreckten Länge / Zuschnittlänge des Rohteils nötig (siehe Kopie)
  => Simulation der Biegestadien

5.5 Schneiden (siehe Kopie)

• spanloses Trennen von Blechen
• Stanzen / Nibbeln

6 Strahlschneiden

6.1 Brennschneiden

• therm. Schneiden (örtl. Erhitzung des Werkstücks)
• hohe Temp. Führt zum Verbrennen
• Bedingungen:
  - Entzündungstemp. < Schmelztemp.
  - Schmelztemp. der Oxide < Schmelztemp. des Grundwerkstoffes
  => ermöglicht Ausblasen der flüssigen Oxide zur Vermeidung von Verunreinigungen
• Schnittflächenqualität gering
• Anwendung: d = 10 - 30 mm (aber auch bis 3.000 mm)

6.2 Plasmaschneiden

• Schnittfuge wird durch Energie des Plasmas (hochionisiertes Gas) erzeugt
• Werkstück schmilzt/verdampft ( 20.000-30.000 K) => Schadstoffe, UV-Strahlung
• Anwendung: d = ca. 150 mm

6.3 Laserschneiden (siehe Kopie)

6.4 Wasserstrahlschneiden

• abrasives Schneiden: Hochdruckwasserstrahl mit winzigen Schleifkörnchen
• Vorteile:
  - keine Wärmeeinwirkung
  - sehr breites Werkstoffspektrum (auch sehr weiche Werkstoffe)
  - keine Nacharbeit der Schnittflächen

7 Fügen

• Verfahren:
  - Schweißen, Kleben, Löten, umformtechnische Fügeverfahren, Schrauben

7.1 Prinzipien des Schweißens

• Nahtstruktur
• Wärmeeinfluß
• Schrumpfungen und Spannungen

7.2 Gas-Schmelzschweißen

• Erwärmung durch Azetylen-Sauerstoff-Gemisch
• Anwendungsgrenzen durch geringe E-Dichte

7.3 Lichtbogenschweißen

• Gas zwischen den Polen (abschmelzende Elektrode + Werkstück) wird ionisiert
  => Lichtbogen, Energie- und Materialtransport
• evtl. Ummanteung der Elektrode => Schutzgas (soll Oxidation der Schweißnaht verhindern)

7.4 Schutzgas-Schweißen

• Metall-Schutzgas-Schweißen: abschmelzende Elektrode
  - MIG (Metall-Inert-Gas-Schweißen) inerte Gase: sehr reaktionsträge Gase (z.B. Argon)
  - MAG (Metall-Aktiv-Gas-Schweißen)
• Wolfram-Schutzgas-Schweißen: nicht abschmelzende Elektrode, Zusatzwerkstoff nötig (Bsp.: WIG-Schweißen)