Einordnung produktionstechnischer Prozesse

Ziele, Interessengruppen und Herausforderungen

Betrieb:

planmäßige organisierte Zusammenfassung mehrerer Produktionsfaktoren (Arbeitskraft, Betriebsmittel, Werkstoff)

organisatorische, technische (und örtliche) Einheit

Ziel: Produktion von Sachgütern bzw. Erstellen von Dienstleistungen

Unternehmung:

rechtliche sowie wirtschaftlich-finanzielle Einheit

Teilziele des Produzierens

maximale Wirtschaftlichkeit, verschieden realisierbar:

marktorientiert (z.B. kurze Lieferzeiten, Termineinhaltung, Qualität)

betriebsorientiert (z.B. min. Durchlaufzeit, max. Auslastung, min. Bestände)

weitere (z.B. Flexibilität, Transparenz)

Interessengruppen

=> verschiedene Interessengruppen haben unterschiedliche Interessen am Produktionsprozeß

Gegenwärtige Herausforderungen

hohe unbeeinflußbare Kosten

zunehmende Internationalisierung

ökologische Probleme

Informationsverarbeitung durchdringt alle Unternehmensfunktionen

neue und weiterentwickelte Produktionsverfahren

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

Elemente der Produktionstechnik

Grundformen der Produktion

Urproduktion: Rohstoffgewinnung und -aufbereitung, Einleitung der Gütererzeugung

Verfahrenstechnik: Rohstoffe => Gebrauchsstoffe

Fertigungstechnik: Gebrauchsstoffe => Gebrauchsformen

Gestaltung durch:

Produktionstechnik

Produktionsorganisation

Produktionsinformatik

Die Produktionstechnik beruht auf dem Zusammenwirken von Material-, Energie- und Informationstechnik.

Historische Entwicklung

Einteilung der Fertigungsverfahren

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

Fertigungssysteme

Gliederung automatisierter Fertigungssysteme

Spanungstechnik

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):

Physikalische und empirische Grundlagen

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.)

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 ASchnittfläche
k_cwerkstoffabhängige Größe, spezif. Schnittkraft)
k_c = k_c1*1 : h^mc hSpanungsdicke
k_c1*1k_c bei A = 1 mm² => Tabellenwert
m_cSpanungsdickenexponent => Tabellenwert

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 : h       hWirkungsgrad (0,7-0,85)

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

Arbeitsgüte

Einflußfaktoren

Kräfte

Wärme

Verschleiß (Maschine, Werkzeug)

Kosten = f(Fertigungsgenauigkeit) => Fertigungsgenauigkeit immer so grob wie möglich, also so genau wie gerade nötig ist, wählen

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

Spanende Fertigungsverfahren

Drehen

einschneidiges Werkzeug

rotatorische Schnittbewegung durch das Werkstück

Vorschubbewegung durch Werkzeug

Schnittgeschwindigkeit v_c = p * d * n : 1.000 [m/min]

theoretische Rauhtiefe: R_th = f² : (8*r) fVorschub (0,051 mm)
rEckenrundung des Werkzeugs (0,41,6 mm)

erreichbare Rauhtiefe:
- Schruppdrehen: Rz = 40 mm (Hauptziel: hoher Materialabtrag)
- Schlichtdrehen: Rz = 1040 mm (Hauptziel: hohe Oberflächengüte)
- Feinschlichten: Rz = bis 2,5 mm

Fräsen

mehrschneidiges Werkzeug, mitunter Ungleichteilung

kreisförmige Schnittbewegung durch Werkzeug

unterbrochener Schnitt durch mehrere Schneiden => höherer E-Aufwand als beim Drehen

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 k       (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 > (820) * d

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

Numerische Steuerung von Bearbeitungsoperationen

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)

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

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)

Interpolation (siehe Kopien)

Umsetzung geometrischer Informationen in achsspezifische Bewegungsschritte

spezielle Ausrichtung auf die Approximation von Linien und Kreisen

zwei Verfahren:
- Suchschrittverfahren
- Digitale Differntialanalyse

Funktionale Glieder einer NC-Maschine

Lageregelung

Wegmeßsysteme

SPS - Speicher-Programmierbare Steuerung

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)

Gießen

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

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

Gießen mit Dauerformen

Dauerformen / Kokillen => keine Modelle erforderlich

sehr temp.-wechsel-beständig, Lebensdauer ca. 10.000 Abgüsse

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

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)

Laser-Stereolithographie (siehe Kopien)

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

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)

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)

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 Db, Dl, Dh
- Formänderungsverhältnis: z.B. l_b = b₁ : b₀ (für jede Dimension einzeln betrachtet)
- Umformgrad (log. Formänderungsverhältnis): z.B. j_h = ln (h₁ : h₀)
=> wird benötigt für Berechnung von Umformkräften etc.
=> j_b + j_l + j_h = 0

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)

Zug-Druck-Umformen

Durchziehen

Tiefziehen

Zug-Umformen (siehe Kopien)

Tiefen- bzw. Streckziehen

Weiten

Längen

Biegen

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

Schneiden (siehe Kopie)

spanloses Trennen von Blechen

Stanzen / Nibbeln

Strahlschneiden

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)

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

Laserschneiden (siehe Kopie)

Wasserstrahlschneiden

abrasives Schneiden: Hochdruckwasserstrahl mit winzigen Schleifkörnchen

Vorteile:
- keine Wärmeeinwirkung
- sehr breites Werkstoffspektrum (auch sehr weiche Werkstoffe)
- keine Nacharbeit der Schnittflächen

Fügen

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

Prinzipien des Schweißens

Nahtstruktur

Wärmeeinfluß

Schrumpfungen und Spannungen

Gas-Schmelzschweißen

Erwärmung durch Azetylen-Sauerstoff-Gemisch

Anwendungsgrenzen durch geringe E-Dichte

Lichtbogenschweißen

Gas zwischen den Polen (abschmelzende Elektrode + Werkstück) wird ionisiert
=> Lichtbogen, Energie- und Materialtransport

evtl. Ummanteung der Elektrode => Schutzgas (soll Oxidation der Schweißnaht verhindern)

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)