Literatur: Czichos, H.: DIN 8580 ff.: Spur, G.; · Teilsystem Technologie Einfluss der...

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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.

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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)