1
Literatur:
Czichos, H.: HÜTTE. Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York.
DIN 8580 ff.: Fertigungsverfahren. Einteilung und Begriffs-
bestimmungen. Beuth-Verlag Berlin.
Spur, G.; Handbuch der Fertigungstechnik. Bd. 1 bis Bd. 6,
Stöferle, Th: Hanser Verlag, Berlin München Wien.
König, W.: Fertigungsverfahren. Band 1 bis Band 5.
VDI Verlag, Düsseldorf.
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Der Begriff Fertigungstechnik
Fertigung ist die Herstellung von Bauteilen mit vorgegebenen
Werkstoffeigenschaften und Abmessungen sowie das Fügen solcher Bauteile zu
Erzeugnissen.
Die Fertigungstechnik bewirkt Formgebung sowie Eigenschaftsänderungen von
Stoffen. Man kann abbildende, kinematische, fügende und beschichtende
Formgebung sowie die Änderung von Stoffeigenschaften unterscheiden.
Fertigungslehre ist die Lehre von der Formgebung von „stofflichen
Zusammenhalten“ fester Körper. Formgebung kann durch bzw. unter Schaffen,
Beibehalten, Vermindern oder Vermehren des Zusammenhaltes erfolgen. Die
Fertigungslehre beschreibt die physikalischen Zusammenhänge auch unter
technologischen und ökonomischen Gesichtspunkten, sie ist Formgebungskunde
mit engen Beziehungen zur Werkstoffkunde.
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Literatur:
Lange, P.; Wege zur wirtschaftlichen Fertigung.
Roßberg, W.: Essen: Girardet, 1954.
Mitrofanow, S.: Wissenschaftliche Grundlagen der Gruppen-
technologie.
Berlin: VEB Verlag Technik, 1960.
Opitz, H.: Werkstückbeschreibendes Klassifizierungssystem.
Essen: Girardet, 1966.
Pahl, G.; Beitz, W.: Konstruktionslehre.
Berlin, Heidelberg: Springer, 1993.
Pukatzki, D.: Gruppentechnologie – Der Weg zur integrierten,
rechnerunterstützten Entwicklung und Fertigung.
techno-tip 7 (1985) 15.
Simon, R.: Einsatz des Klassifizierungssystems im
Konstruktions- und Normungsbereich.
Industrieanzeiger 41 (1967) 89.
Sokolowski, A.: Die Arbeiten der Leningrader Konferenz zur
Typisierung technologischer Prozesse.
Maschgis, 1939.
12
Funktionalität gestaltungsbestimmender Bauteile
Ein Produkt muss verschiedene Funktionen, die sich nach Einsatzzweck und
spezifischen Wünschen des Kunden richten, erfüllen. Diese Funktionen sind über
eine Funktionsstruktur miteinander verknüpft und werden durch verschiedene
Wirkprinzipien realisiert.
In der Phase der Produktentwicklung erfolgt durch den Konstrukteur die
Festlegung von geometrischen und stofflichen Merkmalen, die sich nach der
Funktionsstruktur und den daraus resultierenden Wirkprinzipien richten.
Das heißt, hinter jedem gestaltungsbestimmenden Detail eines Bauteils verbirgt
sich eine bestimmte Bauteilfunktionalität.
Durch die Wahl des Fertigungsverfahrens bzw. der Bearbeitungstechnologie
muss sichergestellt werden, dass genau diese, vom Konstrukteur gewünschte
Bauteilfunktionalität gezielt erreicht oder wenn bereits vorhanden, nicht
beeinträchtigt wird.
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Schnittstelle Konstruktion - Fertigung
Die datenspezifische Schnittstelle zwischen der Produktkonstruktion und der
Produktfertigung ist die „technische Zeichnung“. Hier übersetzt der Konstrukteur
funktionale Bauteileigenschaften in stoffliche und geometrische Kenngrößen, die
dem Unternehmensbereich Fertigung als Produkt-spezifische Daten übergeben
werden:
1. Geometriedaten
Zum Beispiel bestimmt die Form von Bauteilen den Kraftfluss, das
Schwingungsverhalten oder das optische Design.
2. Werkstoffdaten
Zum Beispiel bestimmt die Materialzusammensetzung das Dauerfestigkeits-
verhalten und das Gewicht des Bauteils.
3. Daten der Oberflächeneigenschaften
Zum Beispiel bestimmt die Oberflächentexturierung das Verschmutzungs -
verhalten und das optische Design.
Die „technische Zeichnung“ ist heute durch moderne CAD/CAM-Schnitt-stellen
ersetzt. CAD-Systeme dienen zur Produktkonstruktion und können bereits
fertigungstechnische Features implementieren. CAM-Systeme generieren aus
CAD-Daten entsprechende NC-Datenfiles und erleichtern die Auswahl von
Bearbeitungstechnologien.
CAD: ProEngineer/CATIA/SolidWorks/AUTOCAD
CAM: Tebis (Fräsen), MoldFlow (Spritzgießen), DCAM (Erodieren)
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Maß-, Lage- und Formgenauigkeit
Die Maßgenauigkeit kann ermittelt werden mit:
CNC-gesteuerten Koordinatenmessgeräten (taktiles Messprinzip), kalibrierten
Profilprojektoren (optisches Messprinzip), Messschiebern (mechanisches
Messprinzip), Laser Scan -Mikrometer bzw. -Mikroskopie (laser-basiertes
Messprinzip), CCD-Chips und Bildanalysesoftware (optisches Messprinzip)
Die Lagegenauigkeit wird unterteilt in Richtungsgenauigkeit, Ortsgenauigkeit und
Laufgenauigkeit. Beispiele zur Lagegenauigkeit sind Symmetrie
(Ortsgenauigkeit), Rundlauf und Planlauf (Laufgenauigkeit) sowie Parallelität
(Richtungsgenauigkeit). Die Lagegenauigkeit kann ermittelt werden u. a. mit:
Laser-Interferometer (laserbasiertes Messprinzip), Koordinatenmessgerät (taktil)
und Fahrdrahtmessgerät
Beispiele von Formgenauigkeiten sind Geradheit, Rundheit und Zylinderform. Sie
können ermittelt werden u.a. mit:
CNC-gesteuerten Koordinatenmessgeräten (taktiles Messprinzip),
Profilprojektoren (optisches Messprinzip), Laser Scan Mikroskopie
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Einteilung der Werkstoffe
Die in der Technik eingesetzten Werkstoffe müssen mechanische, thermische und/oder chemische Beanspruchungen versagensfrei ertragen. Daher sind werkstoffkundliche Grundkenntnisse über den Zusammenhang zwischen dem Werkstoffaufbau und den daraus resultierenden Eigenschaften eine unabdingbare Voraussetzung für die Entwicklung und die Herstellung von Produkten. Ziel der Werkstofftechnik ist es, Bewertungskriterien für den Werkstoffeinsatz unter Berücksichtigung von Werkstoffzustand, Oberflächenbeschaffenheit, konstruktiver Gestaltung, Beanspruchungsart und Umgebungsbedingungen zu schaffen.
Die Einteilung der Werkstoffgruppen erfolgt prinzipiell nach der dominierenden Bindungsart und der Mikrostruktur. Für die „richtige“ Auswahl eines Fertigungsverfahrens sind weiterhin folgende Kenntnisse erforderlich:
1. Aufbau der Werkstoffe
atomare und molekulare Struktur, Bindungsart, Kristallaufbau, Werkstoffphasen, Gefügestruktur
2. Eigenschaften der Werkstoffe
mechanische, thermische, elektrische, optische, magnetische, ... Kennwerte
3. Beanspruchung und Schädigungsmechanismen
funktionale Veränderungen der Stoff- oder Formeigenschaften (z. B. duktile oder sprödbruchartige Werkstoffabtrennmechanismen, Schmelzen oder Sublimieren)
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Unterscheidung von Werkstoffen hinsichtlich ihrer Bindungsart
1. Atombindungen
Ein Elektronenpaar, welches zwei Atomen gleichzeitig angehört, kann in
Abhängigkeit von der Anzahl der Valenzelektronen eine Bindung zwischen ihnen
herstellen. Eine Atombindung tritt meist zwischen Nichtmetallen (kleines EN) auf.
2. Ionenbindungen
Kommt es zu einer Bindung zweier Atome mit sehr unterschiedlicher
Elektronegativität (EN), so wird das bindende Elektronenpaar stark zu dem
elektro-negativen Atom hingezogen. Das Elektron eines Atoms ist hier vollständig
zum anderen Atom übergetreten. Die Ionenbindung tritt zwischen Metallen
(kleine EN) und Nichtmetallen (große EN) auf.
3. Metallbindungen
Durch die niedrige Ionisierungsenergie können die Außenelektronen leicht vom
Atomrumpf abgespalten werden. Die Gitterplätze werden durch positiv geladene
Ionen besetzt und der Zusammenhalt der Bindung wird durch frei bewegliche
Elektronen (Valenzelektronen) geschaffen.
4. Van-der-Waals-Bindungen
Bei der van-der-Waals-Bindung kommt es zur Dipolbildung, d.h. dass interne
Ladungspolaritäten benachbarter (zwischenmolekular) Atome oder Moleküle
vorliegen. Die eine Seite des Atoms besitzt eine stärkere negative Ladung als die
andere Seite. Eine asymmetrische Ladungsverteilung liegt vor.
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Stahlwerkstoffe
Eisenhaltige Metalllegierungen sind die wichtigsten Konstruktions- oder
Strukturwerkstoffe, bei denen es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften
ankommt.
Man unterscheidet Stahlwerkstoffe und Gusseisen. Stahl ist eine Eisen-
Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält (DIN
EN 10020).
Technische Stahlsorten:
Baustähle (allgemeine Bau-, Feinkornbaustähle, Walzstähle, Blechstähle)
Stähle für Wärmebehandlung (Vergütungsstähle,...
Gusseisensorten:
Die wichtigsten Eisengusswerkstoffe sind nach dem Bezeichnungssystem für
Gusseisen DIN EN 1560 (1997) gekennzeichnet.
Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL)
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS)
Temperguss (GJM)
Hartguss
Auf den Grafiken sind jeweils links Gefüge im Lichtmikroskop und rechts tiefgeätzte Proben im
REM abgebildet.
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Bedeutung des Fertigungsverfahrens für die Kosten
Bei den Herstellungskosten wird zwischen Einzelkosten (direkt einem
Kostenträger, z. B. Einzelteil, zuordenbar) und Gemeinkosten (nicht direkt einem
Kostenträger zuordenbar) unterschieden. Ferner unterscheidet man zwischen
fixen Kosten (zeitlich unveränderlich anfallend) und variablen Kosten (abhängig
von Auftragsmenge, Losgröße und Beschäftigungsgrad).
Generell setzen sich Herstellkosten aus Fertigungskosten und Material-kosten
zusammen.
Die Materialkosten ergeben sich aus den -einzelkosten (Fertigungsmaterial, d. h.
Halbzeuge, Zulieferungen) und -gemeinkosten (variable und fixe Zuschläge, z. B.
für Lagerwesen).
Die Fertigungskosten setzen sich aus Fertigungslohnkosten und Gemeinkosten
in Form von variablen und fixen Zuschlägen zusammen.
Die Fertigungslohnkosten sind das Produkt aus einem Verrechnungslohnsatz
und der Auftragszeit, die sich wiederum in Ausführungszeit (= Haupt- und
Nebenzeit) und Rüstzeit untergliedert.
Die Hauptzeit ist derjenige Zeitraum, in dem die Formgebung des Werkstückes
durch das Werkzeug unmittelbar erfolgt. Sie ist maßgeblich vom Wirkprinzip des
Fertigungsverfahrens und den technologischen Rahmenbedingungen des
Fertigungsprozesses abhängig.
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Literatur:
Lange, P.; Wege zur wirtschaftlichen Fertigung.
Roßberg, W.: Essen: Girardet, 1954.
Mitrofanow, S.: Wissenschaftliche Grundlagen der Gruppen-
technologie.
Berlin: VEB Verlag Technik, 1960.
Opitz, H.: Werkstückbeschreibendes Klassifizierungssystem.
Essen: Girardet, 1966.
Pahl, G.; Beitz, W.: Konstruktionslehre.
Berlin, Heidelberg: Springer, 1993.
Pukatzki, D.: Gruppentechnologie – Der Weg zur integrierten,
rechnerunterstützten Entwicklung und Fertigung.
techno-tip 7 (1985) 15.
Simon, R.: Einsatz des Klassifizierungssystems im
Konstruktions- und Normungsbereich.
Industrieanzeiger 41 (1967) 89.
Sokolowski, A.: Die Arbeiten der Leningrader Konferenz zur
Typisierung technologischer Prozesse.
Maschgis, 1939.
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Definition Fertigungsverfahren
Fertigung ist die Herstellung von Bauteilen mit vorgegebenen
Werkstoffeigenschaften und Abmessungen sowie das Fügen solcher Bauteile
zu Erzeugnissen.
Die Fertigungstechnik bewirkt Formgebung sowie Eigenschaftsänderungen von
Stoffen. Man kann abbildende, kinematische, fügende und und beschichtende
Formgebung sowie die Änderung von Stoffeigenschaften unterscheiden.
Fertigungsverfahren (Definition: siehe Folie)
Die Auswahl eines Fertigungsverfahrens hinsichtlich seiner Einsetzbarkeit für
eine bestimmte Bearbeitungsaufgabe erfolgt anhand technologischer
Bewertungsmerkmale, die zusammengefasst durch das Qualität-Kosten-Zeit-
Dreieck repräsentiert werden.
Qualität: z. B. Maßhaltigkeit, Form- und Lagegenauigkeit, Oberflächengüte
Kosten: z. B. Fertigungslohnkosten, Maschinen- und Werkzeugkosten
Zeit: z. B. Mengenleistung, Bearbeitungsdauer, Zeitspanungsvolumen
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DIN 8580: Einteilung der Fertigungsverfahren
Der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 liegt als leitendes
Merkmal der Begriff des Stoffzusammenhaltes zugrunde, der sowohl den
Zusammenhalt von Teilchen eines festen Körpers wie auch den Zusammenhalt
der Teile eines zusammengesetzten Körpers bezeichnet
(d. h. die Montagetechnik ist ein Teilgebiet der Fertigungstechnik!).
Man unterscheidet prinzipiell zwischen sechs Hauptgruppen
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Aufbau der DIN 8580
Die Einteilung erfolgt in verschiedenen thematischen Ebenen:
1. Ebene: in Bezug auf den Stoffzusammenhalt
Hier stehen die sechs Hauptgruppen (z. B. Urformen, Trennen, Fügen, ...).
2. Ebene: in Bezug auf das physikalische Wirkprinzip
Hier stehen Verfahrensgruppen, die zwar die gleiche Wirkung auf den
Stoffzusammenhalt aufweisen, sich jedoch hinsichtlich ihres prinzipiellen
Wirkprinzips unterscheiden (z. B. Zerteilen, Spanen mit geometrisch bestimmter
Schneide, Abtragen).
Zwischenebenen: in Bezug auf das Wirkprinzip
Hier erfolgt eine weitere Unterteilung des jeweiligen Wirkprinzips (z. B.
thermisches, chemisches, elektrochemisches Abtragen). Die Anzahl der
Zwischenebenen variiert zwischen den einzelnen Haupt- und Untergruppen.
3. Ebene: in Bezug auf das Verfahren
Hier stehen Verfahren, die sich generell hinsichtlich des Wirkprinzips
unterscheiden (unterste Stufe: z. B. Funkenerosion, Laserstrahlabtragen)
4. Ebene: in Bezug auf Verfahrensvarianten
In dieser und folgenden Ebenen stehen ausschließlich Verfahrensvarianten, die
sich hinsichtlich ihrer Kinematik und der zur Anwendungen kommenden
Werkzeuge unterscheiden (z. B. Draht- und Senkerosion). Die Ebenen werden
durch entsprechende VDI-Richtlinien vervollständigt.
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Beschreibung eines Fertigungsverfahrens
Zur Beschreibung eines Fertigungsverfahrens müssen stets verschiedene
Aspekte betrachtet werden, die Systemcharakter aufweisen.
1. Teilsystem Verfahrensprinzip
Wirkprinzip (z. B. mechanisch, Scherebenenbildung), Energie- und
Leistungsbilanz (z. B. Welektr ( Wtherm)), physikalische Gesetzmäßigkeiten (z.
B. Kienzle-Gleichung für spezifische Schnittkraft).
2. Teilsystem Technologie
Einfluss der Eingangsparameter (z. B. Zahnvorschub, Schnittgeschwindigkeit)
auf Prozessverhalten und Arbeitsergebnis (Zeitspanungsvolumen, Rauheit,
Verschleiß).
3. Teilsystem Fertigungseinrichtung
Werkzeugmaschine und Robotorsystem mit mechanischen, elektrischen,
hydraulischen/pneumatischen und steuerungstechnischen/informations-
technischen Komponenten sowie Arbeitsumgebung
4. Teilsystem Werkzeug
Werkzeug mit geometrischen (z. B. Stirnradiusfräser) und stofflichen (z. B.
Vollhartmetall mit keramischer TiN-Beschichtung) Merkmalen, Verschleiß
5. Teilsystem Anwendung
Einsetzbares Werkstoffspektrum, Leistungsfähigkeit hinsichtlich
Bearbeitungsdauer und erreichbare Genauigkeit
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Ablauf zur Lösung einer Fertigungsaufgabe
Die generelle Vorgehensweise zur Auswahl eines Fertigungsverfahrens – ohne
Berücksichtigung ökonomischer Aspekte – läuft nach folgendem Muster ab:
1. Ermittlung und Bewertung der produktspezifischen Daten, d. h. welches
Material soll bearbeitet werden, welche Oberflächengüte ist gefordert, welche
Abmessungen und Formtoleranzen müssen berücksichtigt werden.
2. Aus diesen Informationen ist ein Wirkprinzip abzuleiten.
(z. B. Kunststoff: thermische Plastifizierung; Metall bis zu einer bestimmten
Härte: Spanbildung; Keramik: thermischer Abtrag)
3. An das Wirkprinzip sind Verfahren gekoppelt, die sich hinsichtlich der
Kinematik zwischen Werkzeug und Werkstück weiter unterteilen lassen.
(z. B. Welle: Rundschleifen, Drehen; Blech: Tiefziehen; komplexe prismatische
Geometrie: Senkerosion mit Formelektrode)
4. An die Auswahl eines Fertigungsverfahrens schließt sich die Wahl der
Bearbeitungstechnologie an
(z. B. HSC-Drehen mit entsprechenden Schnitt- und
Vorschubgeschwindigkeiten)
5. Aus Verfahrens- und Technologieauswahl folgt die entsprechende Auswahl der
Werkzeuge und Maschinen
(z. B. HSC-Drehmaschine, Drehmeißel mit Hartmetall oder PKD-
Wendeschneidpltten)