Zustandsdiagramme zeigen die durch Ereignisse (Events) beeinflussten Zustände, die ein Objekt annehmen kann, sowie die Ereignisse oder Nachrichten, die im kausalen Zusammenhang mit einem Zustandswechsel stehen. In einem Geschäftssystem wird die Zustandsänderung der Objekte (Verhalten) durch Geschäftsprozesse nach Geschäftsregeln ausgelöst.

Am leichtesten sind Zustandsdiagramme zu verstehen, wenn die objektorientierte Programmierung verstanden wurde. Für Objekte gelten folgende Grundsätze:

• jedes Objekt gehört jeweils zu genau einer Klasse
• die Klasse beschreibt den Anfangszustand sowie Startparameter (welche den Zustand jedoch sofort ändern können)
• ein Objekt wird aus einer Klasse erzeugt und irgendwann wieder zerstört (gelöscht), der Zeitraum zwischen Erzeugung und Zerstörung ist der Lebenszeitraum des Objekts
• während des Lebenszeitraums kann ein Objekt von Ereignissen oder Nachrichten beeinflusst werden und dadurch seinen Zustand wechseln.

Zustandsdiagramme haben ihre größte Bedeutung in der Software-Entwicklung, Geschäftsprozessmodellierung oder allgemeiner in der Wirtschaftsinformatik.

Elemente eines Zustandsdiagramms

1. Zustand

Eine Aktivität bildet eine Funktion/Methode bzw. einen Prozess ab. Aktivitäten werden in abgerundeten Rechtecken dargestellt.

2. Übergänge (Ereignisse)

Übergänge stehen für Ereignisse.

2.1 Einfacher Übergang

Ein Übergang verursacht einen Zustandswechsel. Übergänge symbolisieren Ereignisse und werden mit Pfeilen dargestellt. Ereignisse können eingeteilt werden in:

• objekterzeugende Ereignisse
• Ereignisse zur Lebenszeit des Objekts
• objektzerstörende Ereignisse

Ein Ereignis kann statt einer Entscheidung auch eine einfache Bedingung haben. Bedingungen (als boolesche Ausdrücke) für Übergänge werden in eckigen Klammern an den jeweiligen Übergang geschrieben.

2.2 Aufspaltung

Die Aufspaltung führt von einem Ereignis zu mehreren Ereignisse. Eine horizontale oder vertikale Linie dient als Synchronisationsbalken, der für die Parallelisierung der nachfolgenden Ereignisse steht.

2.3 Zusammenführung

Die Zusammenführung ist die Umkehrung der Aufspaltung: Mehrere Ereignisse lösen ein Ereignis aus.

3. Entscheidung (Verzweigung)

Eine Verzweigung hat einen Eingang und mindestens zwei Ausgänge.

4. Startzustand

Tritt ein objekterzeugendes Ereignis ein, so beginnt der Übergang dem Symbol für den Startzustand.

Der Startzustand symbolisiert die Entstehung (in der Software-Entwicklung: Instanziierung) eines Objekts.

5. Endzustand

Tritt ein objektzerstörendes Ereignis ein, so endet ein Übergang beim Symbol für den Endzustand.

Endzustand bedeutet das Lebensende bzw. die Löschung des Objekts.

Beispiel eines Zustandsdiagramm

Das nachfolgende Zustandsdiagramm zeigt das Verhalten einer verteilten Anwendung (Client-Server-Programm). Diese Anwendung besteht im Grunde aus zwei verschiedenen Programmen, einem Client- und einem Server-Programm.

Aktivitätsdiagramme sind vergleichbar mit Programmablaufplänen oder Struktogrammen und nicht nur in der Software-Entwicklung nützlich, sondern auch in der Prozessabbildung, beispielsweise zur Abbildung von Geschäftsprozessen. Aktivitätsdiagramme ermöglichen die Abbildung von Verantwortungsbereichen über Prozesse sowie die Parallelisierung von Prozessen, was Aktivitätsdiagramme besonders für die Darstellung und Analyse von Geschäftsprozessen in der Wirtschaftsinformatik und Aktivitäten bei verteilten Anwendungen in der Software-Entwicklung qualifiziert.

Elemente eines Aktivitätsdiagramms

1. Aktivität

Eine Aktivität bildet eine Funktion/Methode bzw. einen Prozess ab. Aktivitäten werden in abgerundeten Rechtecken dargestellt.

2. Zustand

Zustände von Objekten werden in Rechtecken dargestellt und sind in Aktivitätsdiagrammen als Eingangs- und Ausgangsinformation von Bedeutung. Viele Aktivitätsdiagramme kommen jedoch auch ganz ohne Zustände aus.

3. Kontrollfluss (Übergang)

Mit einem Kontrollfluss werden ein oder mehrere Aktivitäten ausgelöst. Diese Übergänge von Startpunkt zu Prozessen, Prozessen untereinander bis zu einem Endpunkt werden mit Pfeilen dargestellt. Jede Aktivität (Prozess) beginnt und endet mit einem Übergang, wenn nicht mit einer Verzweigung.

3.1 Einfacher Kontrollfluss

Ein einzelner Pfeil zeigt einen einfachen Übergang zwischen Startpunkt und Prozess, Prozess und Prozess oder Prozess und Endpunkt.

3.2 Aufspaltung

Die Aufspaltung führt von einem Prozess zu mehreren Prozessen. Eine horizontale oder vertikale Linie dient als Synchronisationsbalken, der für die Parallelisierung der nachfolgenden Prozesse steht.

3.3 Zusammenführung

Die Zusammenführung ist die Umkehrung der Aufspaltung: Mehrere Prozesse führen zu einem Prozess.

4. Entscheidung (Verzweigung)

Eine Verzweigung hat einen Eingang und mindestens zwei Ausgänge.

5. Startzustand

6. Endzustand

7. Verantwortlichkeitsbereiche

Jede Aktivität liegt in einem Verantwortlichkeitsbereich, beispielsweise in einer Client- oder Server-Software oder in verschiedenen Unternehmensbereichen.

Aktivitätsdiagramm – Beispiel

Nachfolgend ein vereinfachtes Beispiel eines Aktivitätsdiagramms, welches den Zahlungsprozess zwischen Kunden, Kassierer und Kassensystem abbildet. Aus Gründen der Einfachheit wird nur die Möglichkeit der EC-Karten-Zahlung eingeräumt.

Die Herstellung von Kunststoffen erfolgt aus den natürlich vorkommenden Rohstoffen Erdöl (Naphtha), Kohle, Erdgas, Kalk, Luft und Wasser. Hinzu kommen häufig Additive (z. B. Stickstoff, Chrom, Schwefel oder Chlor).

Kunststoffe sind in der Regel gut formbar und können leicht weiterverarbeitet werden. Gegen Laugen und Säuren sind Kunststoffe recht unempfindlich.

Unterschiede zu Metall-Werkstoffen:

• Geringere mechanische Festigkeit
• Einfärbbar
• Niedrigere Schmelztemperatur, folglich niedrigere Gebrauchstemperatur
• Geringere Dichte, zwischen 0,9 und 2,5 kg/dm³
• Temperaturabschirmung
• Kunststoffe sind meistens elektrische Isolatoren
• Korrosionsbeständig

Kunststoffe gelten als die Werkstoffe der Zukunft. Bereits heute ist die Kunststoffproduktion volumenmäßig längst bedeutender als die Rohstahlproduktion. Kunststoffe werden heute und in Zukunft weiteres Potenzial bieten, welches insbesondere durch Nanotechnologie erschlossen werden wird.

 Thermoplaste

Die meisten Kunststoffe sind Thermoplaste (siehe Artikel: Thermoplaste – Werkstoff und Verarbeitung). Thermoplaste bestehen aus ineinander verfilzten Fadenmolekülen. Die fehlende Vernetzung der langen Fadenmoleküle schafft ein (temperaturabhängig) starres, thermoelastisches und thermoplastisches Verhalten dieser Kunststoffe.

Elastomere

Elastomere (Gummi) sind keine harten Kunststoffe, welche als stützende Konstruktionswerkstoffe verwendet werden, sondern sehr dehnbare und elastische Werkstoffe, welche ihren Nutzen aus ihrer Flexibilität und Elastizität schöpfen. Elastomere können durch bestimmte, nicht zu stark wirkende Kräfte gedehnt werden und reagieren elastisch. Elastomere sind nicht schmelzbar, nicht schweißbar und können nur durch spanende Bearbeitung umgeformt werden.

Naturkautschuke oder synthetische Kautschuke sind die Ausgangsbasis für Elastomere. Synthetische Kautschuke sind in der Regel beständiger gegen Säuren/Laugen und altern weniger. Elastomere aus Naturkautschuk sind grundsätzlich sehr dehnbar, die Elastizität nimmt jedoch mit zunehmendem Schwefelgehalt ab.

Elastomere bestehen aus ungeordneten Fadenmolekülen mit weitmaschiger Vernetzung, die nach einer Vulkanisation entsteht. Die bekannteste Verwendung von Elastomeren erfolgt für Autoreifen. Auch Keilriemen, Dichtungen und Schläuche werden aus Elastomeren gefertigt. Die Vorteile von Elastomeren liegen in den hohen Beanspruchungsgrenzen. Elastomere schmelzen nicht und erhalten ihre Elastizität beinahe vollständig auch bei hohen Temperaturen. Elastomere bleiben elastisch bis zu ihrer Zerstörung durch zu hoher Temperatur oder chemischer Zersetzung.

Duroplaste

Duroplaste bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen mit engmaschiger Vernetzung. Die engmaschige Vernetzung macht diese Kunststoffe hart und spröde. Die Vernetzung entsteht nach einem Härteprozess. Das Härten erfolgt durch zugesetzte Härter (Gießharze oder Klebeharze). Auch ein Härteprozess ohne Zusätze, dann jedoch durch Druck/Pressen bei Temperaturen um 170°C, ist möglich. Nach dem Härten bleiben Duroplaste hart/spröde und können nicht mehr in einen weichen oder elastischen Zustand umgewandelt werden. Duroplaste sind nur spanend umformbar, nicht löslich und nicht schweißbar.

Ausgangsbasis für Duroplaste sind Kunstharze, welche flüssig oder schmelzbar vorliegen.

Vernetzte Duroplaste können mittels Polyaddition hergestellt werden. Eine Polyaddition bezeichnet eine Polyreaktion von mindesten zwei bifunktionalen Verbindungen, bei der ein Wasserstoffatom der einen Verbindung an eine Doppelbindung der anderen Verbindung geknüpft wird. Zusätzlich erfolgt eine Elektronenpaarbindung zwischen zwei Verbindungen.

Gerade Großunternehmen arbeiten anwendungsorientiert und forschen für – nicht selten gesellschaftspolitisch motivierte – neue Anwendungsziele. Dabei stellt sich immer wieder die Frage: “Welche Technologien werden notwendig sein, um eine zukünftig geforderte Anwendung realisieren zu können?”

Technologiemonitoring ist eine Disziplin aus dem Technologiemanagement und befasst sich mit der Entwicklung und Planung von  Technologien, die von einem oder mehreren Unternehmen beherrscht werden (sollen). Die Technologiestrategie soll entwickelt oder überdacht werden und die Technologieentwicklung soll auf neue Herausforderungen eingestellt werden.

Technologiemonitoring sollte im Unternehmen von zentraler Stelle angeleitet und koordiniert werden, muss unternehmensübergreifend jedoch als dezentrale Aufgabe unter Einbeziehung aller Mitarbeiter verstanden werden. Sollte die Wirkung des Technologiemonitorings abflachen, können Fortschritte mit speziellen Technologiemonitoring-Projekten angeregt werden. Zusätzliche Unterstützung können externe Experten aus technologieorientierten Beratungsunternehmen bieten.

Im Kern des Technologiemonitorings stehen:

1. Technologie-Bedarfsprofil – Welche Funktionen werden gebraucht? Welche Technologien stehen heute zur Verfügung? Was deckt die heutige Technik nicht ab?
2. Trendrecherche – Wie werden Probleme jetzt und in Zukunft gelöst werden?
3. Trendaufbereitung/-analyse – Machbarkeitsprüfung und Erfolgspotenzial, Risikoeinschätzung möglicher Fehlleitungen

Bekannt ist immer nur die Vergangenheit und (eingeschränkt) die Gegenwart. Ziel ist jedoch die Zukunftseinschätzung. Beim Technologiemonitoring sind einige Faktoren einzuplanen, welche sich über die Zeit (durch Wandlung des gesellschaftlichen Bewusstseins) verändern. Beispielhafte Faktoren, die für die Sicherung zukünftiger Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen im turbulenten Umfeld von entscheidender Bedeutung sein können:

• Kostenbewusstsein: Wie ändert sich das Kostenbewusstsein der Gesellschaft und insbesondere des Zielkundenkreises? Wie werden sich Kaufkraft bzw. Budgets ändern? Welche Funktionen werden wie wertgeschätzt werden?
• Technologieeinsatz: Verschiedene Szenarien sind auch für den Technologieeinsatz denkbar, welche die Wettbewerbssituation auflockern oder verschärfen könnten. Möglich wäre eine Zukunft, in der sehr viele verschiedenartige Technologien parallel eingesetzt werden. Genauso ist aber auch denkbar, dass in der Zukunft Standardisierung angestrebt wird.
• Veränderungsdynamik: Die Ausprägung der Nutzungszeiten von Technologien hängen von der Sichtweise der Gesellschaft und ihrer Veränderungsdynamik ab. Während ein PC heute nach etwa drei Jahren als hoffnungslos veraltet gilt, könnte sich dies in Zukunft noch beschleunigen oder verlangsamen. Substitutionsprodukte (z. B. Mobiltelefone und Tablets) könnten dafür sorgen, dass es schon bald keine PCs mehr gibt. Bei höherer Veränderungsdynamik steigt die Nachfrage pro Jahr, die Entwicklungszeiten und Amortisationszeiten müssen sich dafür aber verkürzen.

Das Buch Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik gibt ausführliche Informationen über die Funktionsweise moderner Automobile. Reichhaltige Abbildungen und technische, jedoch stets verständliche Erklärungen machen dieses Buch zu einem Must-Have für Automobilfans und Techniker. Dieses Buch ist ein Standard-Lehrbuch für Berufsschulen für Kraftfahrzeug-Mechatronik sowie ein begleitendes Nachschlagewerk für Studenten der Kraftfahrzeugtechnik sowie für Maschinenbau, Mechatronik und angrenzender Gebiete.

29. Auflage, Autor: Rolf Gscheidle
Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik

Dieses Lehrbuch fungiert ebenso als tiefgründiges Nachschlagewerk. Mit beinahe der Dicke eines Telefonbuchs (über 700 Seiten) werden nahezu alle Themen der Kraftfahrzeugtechnik und angrenzender Gebiete abgedeckt, dies geht sogar bis hin zur Informatik und Fertigungstechnik! Die Bilder sind durchgehend in Farbe und in hervorragender Qualität und Deutlichkeit. Die Texte zu den umfangreichen Themen sind ausführlich, aber auf den Punkt gebracht. Der Inhalt ist so umfassend, dass sich dieser kaum in einem Absatz wiedergeben lässt. Ein Blick in das Inhaltsverzeichnis lässt den Umfang der Inhalte erahnen.

Inhaltsgliederung (+ Stichwortverzeichnis ab Seite 711):

1. Kraftfahrzeug allgemein (Seiten 11-39)
2. Umweltschutz, Arbeitsschutz im Betrieb (40-48)
3. Betriebsorganisation, Kommunikation (49-65)
4. Grundlagen der Informationstechnik (69-75)
5. Steuerungs- und Regelungstechnik (76-92)
6. Prüftechnik (93-104)
7. Fertigungstechnik (105-158)
8. Werkstofftechnik(160-182)
9. Reibung, Schmierung, Lager, Dichtungen (183-188)
10. Aufbau und Wirkungsweise des Viertaktmotors (189-201)
11. Motormechanik (202-244)
12. Gemischbildung (256-312)
13. Schadstoffminderung (321-336)
14. Otto-Zweitakt, Kreiskolbenmotor (340-347)
15. Alternative Antriebskonzepte (349-357)
16. Antriebsstrang (358-407)
17. Fahrzeugaufbau (410-430)
18. Fahrwerk (434-500)
19. Elektronik (502-626)
20. Komforttechnik (630-652)
21. Zweiradtechnik ( 653-671)
22. Nutzfahrzeugtechnik (674-705)
23. Englische Begriffe

Das Buch ist dank seiner breiten Zielgruppe – vom wissbegierigen Hobbyschrauber bis hin zum Professor für Kraftfahrzeugtechnik – äußerst erfolgreich und hat sich zu einem Kultbuch entwickelt. Diese Buchempfehlung ist ebenfalls für Wirtschaftsingenieure interessant, die sich mit Automobiltechnologien beschäftigen. Für alle diejenigen, die sich mit Kraftfahrzeugtechnik auskennen möchten/müssen, führt jedenfalls kein Weg an Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik vorbei.

Die Wärmebehandlung erfolgt immer im festen Zustand. Wärmebehandlung von Stählen definiert sich nach Temperatur und Zeit. Wichtige Parameter der Wärmebehandlung:

• Glühtemperatur
• Glühdauer
• Abkühlung (Art und Geschwindigkeit)
• Prozessfolge von Wärmebehandlungsschritten

Für die Wärmebehandlung ist die A1-Linie (P-S-K-Linie bei 723°C) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm eine  wichtige Markierung, denn bei mehr als 0,02% Kohlenstoffanteil (Stahl) und unter der A1-Linie zerfällt Austenit zu Perlit. Wenn keine Kornänderung erzielt werden soll, ist die Erwärmung unterhalb der A1-Linie zu halten.

Die A2-Linie ist für die Wärmebehandlung weniger von Bedeutung. Wird die A2-Linie (und damit eine Erwärmung von 768°C) überschritten, verliert sich der Ferromagnetismus.

Wichtig ist hingegen die A3-Linie (G-O-S-Linie), bei deren Unterschreitung (Abkühlung) sich freiwerdender Kohlenstoff im Austenit anreichert bis die A1-Linie erreicht wird.

Nachfolgend werden eher durchdringende Wärmebehandlungen beschrieben. Neben dem durchdringenden Härten und den nachfolgenden Glühverfahren zur Verbesserung der Qualität des Stahls durch Gefügeumstrukturierung oder den Abbau innerer Spannungen, sind das Randschichthärten von Stählen zur Verbesserung der Festigkeit der Werkstück-Oberflächen typische Wärmebehandlungen bei Stahl.

Härten von Stahl

Beim Härten von Stahl wird das Stahlwerkstück auf eine bestimmte Härtetemperatur gebracht und dann durch Zuführung von Kühlmittel (Wasser, Öl oder Luft) abgeschreckt.

Eine langsame Abkühlung ergibt immer wieder eine gleiche oder ähnliche Gefügestruktur im Stahl. Bei einer schnellen Abkühlung (Abschrecken) von einer Temperatur oberhalb der G-S-K-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird jedoch die unerwünschte Perlitbildung  unterdrückt und die Erreichung einer Martensitstufe mit kubisch-raumzentrierten Kristallen mit eingespannten Kohlenstoffatomen ermöglicht.

Vergüten

Das Vergüten eines Stahl-Werkstoffs ist eine Kombination aus Härten und Anlassen. Vergüten zählt zu den durchgreifenden Verfahren der Wärmebehandlung, die Beeinflussung des Werkstoffes geschieht (anders als beim Einsatzhärten) also nicht nur an den Rändern/dem oberflächennahen Material, sondern passiert im gesamten Werkstoff.

1. Erwärmung des Stahls auf Härtetemperatur und Haltung dieser Temperatur (Gefügeumwandlung in Austenit)
2. Abschrecken bzw. rasche Abkühlung aus dem Austenitbereich heraus, in Öl, Wasser oder auch Luft (Martensitbildung -> sprödes, hartes, aber feines Gefüge, bis hier hin Verlust der Zähigkeit)
3. Anlassen bei hohen Temperaturen (heißer als beim Härten) (Martensitabbau -> Entstehung eines feinen Gefüges mit weitgehendem Erhalt der Festigkeit und Wiedergewinnung hoher Zähigkeit) – Anlassen ist das Wiedererwärmen gehärteter Werkstücke mit nachfolgendem Abkühlen. Mit dem Anlassen nimmt die Festigkeit/Härte leicht ab, die Zähigkeit steigt jedoch enorm.

Es handelt sich um ein Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft (Verbesserung der Härte und vor allem der Zähigkeit) bzw. bei dem sich das Gefüge neu bilden lässt. Vergütet werden Stähle, welche für eine dynamische Beanspruchungshaltung ausgelegt werden, beispielsweise für Wellen und Zahnräder.

Um einen Werkstoff zu härten, wird dieser erst erwärmt, anschließend entweder in Öl, Wasser oder Luft abgekühlt und danach wieder erwärmt. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis die gewünschte Festigkeit und Zähigkeit erreicht ist. (Je nach Stahl-Werkstoff können Temperaturen zwischen 150 – 700 Grad, meist aber über 500°C Celsius zum Anlassen verwendet werden).

Typische Vergütungsstähle sind 42CrMo4 (legiert) und C45 (unlegiert).

Glühen zur Verbesserung der Qualität von Stahl

Lösungsglühen

Durch Lösungsglühen werden Kaltverfestigungen bei austenitischen Stählen reduziert. Das Stahlwerkstück wird dabei auf Temperaturen zwischen 1000 und 1100°C gebracht. Abhängig von der Werkstückgröße kann die Erhitzungsdauer zwischen 30 Minuten und einigen Stunden betragen. Hat die Hitze das Werkstück ganz durchdrungen, wird es im Wasser abgeschreckt. Der Nachteil des Verfahrens liegt in der gegebenenfalls sehr langen Haltezeit unter hohen Temperaturen, was zu einer Grobkornbildung führen kann (ungünstige Ausprägung des Kornwachstums).

Spannungsarmglühen

Wie die Bezeichnung bereits andeutet, dient das Spannungsarmglühen keiner wesentlichen Eigenschaftsänderung. Die Qualität des Stahls soll durch Reduzierung innerer Spannungen verbessert werden. Innere Spannungen entstehen durch ungleichmäßige Erhitzung/Abkühlung, beispielsweise bei einer Warmverformung oder einer zielgenauen Erhitzung (z. B. Schweißen). Eine Erhitzung zwischen 550 und 650°C (unterhalb A1-Linie bei 723°C im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) sorgt für  plastische Deformationen im Mikrobereich im Inneren des Werkstücks, so dass Eigenspannungen abgebaut werden. Bei Vergütungsstählen ist eine Glühtemperatur unterhalb der Anlasstemperatur wichtig, da es sonst zur Erweichung des Materials führt.

Rekristallisationsglühen

Das Gefüge des Stahls ändert sich bei einer Kaltverformung. Durch Rekristallisationsglühen sollen diese Gefügeänderungen wieder rückgängig gemacht werden. Eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung des Kristallgitters geschieht nicht. Die Umformung erfolgt – je nach Abmessung des Werkstücks – zwischen 600 und 700°C (unterhalb der A1-Linie).

Normalisierungsglühen (bzw. Normalglühen oder Normalisieren)

Beim Normalisierungsglühen wird eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung durch Erwärmen und Abkühlen durchgeführt, um ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit feinlamellarem Perlit zu erhalten. Normalisierungsglühen ist zum Beispiel für den Aufbau von Schweißkonstruktionen interessant, für welche eine feine Körnung wichtig ist. Der feine Korn im Stahl wird durch zweimaliges Umwandeln erreicht:

1. Von α-Mischkristallen (Ferrit) zu γ-Mischkristallen (Austenit) bei Erhitzen
2. umgekehrte Umwandlung bei Abkühlung

Die Erhitzung muss bei untereutektoiden Stählen (weniger als 0,8% Kohlenstoffanteil) bis über den oberen Umwandlungspunkt A3 erfolgen. Bei übereutektoiden Stählen (mindestens 0,8% Kohlenstoffanteil) reicht eine Erhitzung bis über die A1-Linie. Normalisierungsglühen ist nicht möglich bei ferritischen oder austenitischen Stählen.

• Amorphe Thermoplaste
• Teilkristalline Thermoplaste

Amorphe Thermoplaste haben eine Struktur, welche sich durch ineinander verflochtene lange Fadenmoleküle auszeichnet. Bei Raumtemperatur sind Thermoplaste hart. Die Vernetzung besteht nicht in einer dichten Struktur sondern durch ungeordnete Überlappung. Thermoplaste sind tendenziell – jedoch nicht zwingend – wärmeempfindlich. Bei Erhitzung geraten die Fäden in Schwingung und lockern sich, weiß zu einer Erweichung führt.

Teilkristalline Thermoplaste bestehen hingegen aus teilweise parallel anliegenden, verwobenen Fadenmolekülen in einer dichten Anordnung. Teilkristalline thermoplastische Bauteile sind bei höheren Temperaturen daher besser konstruktiv nutzbar.

Aggregatzustände von thermoplastischen Kunststoffen: (Reihenfolge nach Temperaturanstieg)

1. Fest – starr oder flexibel
2. Thermoelastisch – in einem höheren Temperaturbereich sind Thermoplaste thermoelastisch. Thermoelastisch bedeutet: Der Kunststoff ist flexibel und kann gebogen werden, er ist jedoch formstabil und springt daher nach Krafteinfluss sofort wieder in seine Ursprungsform zurück
3. Thermoplastisch – im hohen Temperaturbereich sind Kunststoffe thermoplastisch, lassen sich also dauerhaft umformen
4. Flüssig – bei sehr hohen Temperaturen verflüssigen sich diese Kunststoffe
5. Zersetzung – ab einer bestimmten sehr hohen Temperatur zersetzen sich Kunststoffe in flüssige/gasförmige Grundbestandteile

Herstellung von Thermoplaste

Für die Herstellung gibt es drei grundlegende Ansätze durch unterschiedliche Reaktionsformen:

Polymerisation – funktioniert bei vorhandenen Doppelbindungen, welche aufgebrochen werden, um Verkettungen durch Einfachbindungen zu ermöglichen. Es handelt sich um eine Additionsreaktion, welche durch einen Initiator eingeleitet wird.

Polykondensation – Substitutionsreaktion zweier gleich- oder verschiedenartiger Gruppen unter Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte.

Polyaddition – Mindestens zwei bifunktionale Verbindungen reagieren in Form von Austausch von Wasserstoffatomen. Das Wasserstoffatom wandert von der einen Verbindung zu einer Doppelbindung der anderen Verbindung.

Verarbeitung von Thermoplaste

•  Urformen (im flüssigen Temperaturbereich)
• Blasformen
  z. B. Hohlkörper wie Flaschen oder Kanister
• Extrudieren
  z. B. Profile, Führungsschienen, Leitungen
• Spritzgießen
  Auf Grund der Einsatzvielfalt und Leistungsfähigkeit das häufigste Urformverfahren. Urformen von unmittelbar verwendbarer Formteile in wenigen Sekunden bis Minuten
  z. B. Autoverkleidung, Kotflügel, Gehäuseteile
• Umformen (im thermoplastischen Temperaturbereich)
• Thermoformen
  z. B. Folientechnik
• Vakuumformen
  Tiefziehen mit Unterdruck für z. B. Verkleidungen, Kästen, Reklameschilder
• Trennen
• Spanen z. B. durch Fräsen oder lokales Erhitzen/Laser
• Fügen
• Schweißen
  Thermoplaste sind (anders als andere Kunstsoffe) schweißbar
• Kleben
• Beschichten
  bestimmte Thermoplaste (in Form polymerer Pulver) können im Wirbelsinterverfahren als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden und somit Bauteile vor Korrosion schützt, gegenüber elektrischen Strom isolieren oder den Reibungswiderstand senken

Anwendungen für Thermoplaste

Thermoplaste lassen sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach (thermo-plastisch) reversibel verformen. Der Vorgang kann also nach Belieben durch Abkühlen und Erwärmen wiederholt werden (solange keine Materialzersetzung durch zu starke Erhitzung eintritt). Thermoplaste sind daher auch (als einzige Kunststoffart) schweißbar. Auch das Fügen durch Kleben ist bei Thermoplaste sehr gut geeignet.

Auf Grund der vielen Vorteile sind Thermoplaste die erfolgreichsten Kunststoffe. Mehr als die Hälfte aller verwendeten Kunststoffe sind Thermoplaste. Thermoplaste kommen in alltäglichen Produkten sehr häufig vor und auch in vielen hochspezialisierten Bereichen spielen diese künstlichen Werkstoffe eine große Rolle. Gerade im Leichtbau sind Thermoplaste kaum mehr wegzudenken. Auch im gestalterischen Bereich setzen sich Thermoplaste in Form von Folientechnik durch. Die Nachteile thermoplastischer Bauteile, vor allem die Temperaturempfindlichkeit, werden in Zukunft wahrscheinlich stark verbessert werden. Im Automobilbau nähern sich diese Kunststoffe räumlich und funktionsseitig dem Motor immer näher an. Es gibt bereits Ölwannen für PKW-Motoren aus glasfaserverstärktem Polyamid.

Verbreitet ist die Umwandlung von Thermoplaste in Thermoelaste durch Zuführung von flüchtigen Lösungsmitteln (Weichmacher). Thermoelaste sind weich, zäh und lederartig.

Beispiele für Thermoplaste:

Herstellung durch Polymerisation: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyetrafkuorethylen (PTFE, Teflon), Polyvinylchlorid (PVC), Plystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas)

Herstellung durch Polykondensation: Polyamide (PA), Polyethylenterephathalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), Polyetherketone (PEK, PEEK)

Herstellung durch Polyaddition: Thermoplastische Polyurethane (TPU, Elastogran, Bayflex)

Ein verbreiteter Kunststoff ist PVC, unterschieden in Hart- und Weich-PVC. PVC ist transparent, jedoch leicht einfärbbar. PVC kann geklebt und geschweißt werden. PVC wird im Automobilbau und für Gebäudeausstattung z. B. für Rohre, Dichtungen, Verkleidungen oder als Kunstleder verwendet. Unempfindlich gegenüber Laugen, jedoch empfindlich gegenüber Azeton.

Ebenfalls vermehrt eingesetzt ist PC. Da es kristallklar, zäh und nicht ganz so wärmeempfindlich ist, eignet es sich als Glasersatz für Leuchten (z. B. für Scheinwerfer).

PA ist hingegen milchig-weiß, eher hart und zäh sowie temperaturfest auch gegen Reibungswärme. Eingesetzt wird PA beispielsweise für Gleitlager und Buchsen im Automobilbau.

Ziel der Herausgeber ist es, dem technisch interessierten Leser ein Nachschlagewerk sowie eine fachliche Hilfe zur Analyse fertigungstechnischer Sachverhalte zu bieten.

Grundlagen der Fertigungstechnik

Das Buch ist sowohl bei Studenten als auch bei Technikern sehr beliebt, da es – im Gegensatz zu vielen anderen Büchern über Fertigungstechnik – die Grundlagen nicht zu trocken darstellt. Das Buch hat sehr viele farbige Bilder, welche Fertigungsverfahren gemeinsam mit informativen Erklärungstexten verständlich machen. Von einigen Professoren für Fertigungstechnik im Wirtschaftsingenieurwesen an deutschen Hochschulen wird dieses Buch als Prüfungsvorbereitung empfohlen.

Nach der DIN EN 10020 ist Stahl ein Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2% ist und der andere Elemente enthält.

Nach der DIN EN 10020 werden Stahlsorten in eine von drei Kategorien eingeordnet:

• Unlegierte Stähle – umgangssprachlich als Kohlenstoffstahl bezeichnet, sind Eisenmetalle mit Kohlenstoffanteil und keinem weiteren Legierungselement oder nur geringen Mengen an Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium
• Nichtrostende Stähle – enthalten mindestens 10,5% Chrom und höchstens 1,2% Kohlenstoff
• Andere legierte Stähle

Stahl ist ein vergleichsweise alter Werkstoff, welcher jedoch über die Zeit immer mehr an Bedeutung gewann. In den letzten 10 Jahren wurde Stahl – beispielsweise im Automobilbau – jedoch immer mehr durch leichtere Werkstoffe (allen voran Kunststoff) ersetzt. Dennoch ist Stahl heute und auf absehbare Zeit immer noch der führende Strukturwerkstoff im Automobilbau. Ein durchschnittlicher Stahlanteil in einem Mittelklassewagen liegt zwischen 50 und 60%.

Aus ökologischer Sicht sind Stähle gute Werkstoffe. Stähle sind zwar sehr energieintensiv herzustellen, dafür weisen Konstruktionen aus Stahl eine sehr hohe Lebensdauer auf und können nahezu ohne Qualitätsverlust und unbegrenzt wiederverwertet werden.

Das industrielle Interesse liegt insbesondere auf hochfesten Stählen. Hoch- und höchstfeste Stähle werden vermehrt im Automobilbau eingesetzt und sorgen beispielsweise für eine hohe Karosseriesteifigkeit bei Kleinwagen und Cabriolets. Der Anteil hochfester Stähle als Ersatz zu herkömmlichen Tiefziehstählen wächst immer weiter an. Die Karosserie des Opel Astra J besteht bereits zu 66% aus hoch-/höchstfesten Stählen.

Hochfeste Stähle

Eine Hochfestigkeit bei Stählen wird durch die richtige Kombination von Legierungselementen und Nachbehandlungsmethoden erreicht. Die Nachbehandlung zur Schaffung hochfester Stähle erfolgt entweder als Umformung (Kalt-/Warmumformung) oder als Wärmebehandlung.

Einige hochfeste Stahlsorten:

• Bake-Hardening-Stähle (Work-Harding-Stähle)
• Dualphasen-Stähle
• Komplex-Phasen-Stähle
• Martensit-Phasen-Stähle
• Phosphorlegierte Stähle
• Restaustenit-Stähle (TRIP)
• TRIPLEX-Stähle
• TWIP-Stähle

Die Entwicklung hochfester Stähle ist von relativ hohem Interesse und daher sind weitere Fortschritte bei bekannten Stählen sowie neue Stahlsorten in naher Zukunft zu erwarten.

Die hochfesten Stahlsorten sind nicht alle unter gleichen Einsatzbedingungen zu verwenden. Während beispielsweise Martensitphasen-Stähle zwar eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweisen, dafür jedoch nur für eine geringe Bruchdehnung in der Lage sind (ungünstig für umformende Fertigungsverfahren), bieten TRIPLEX-Stähle eine nicht ganz so hohe Zugfestigkeit, haben jedoch eine günstigere Streckgrenze (sehr gut im Umformungsprozess). Automobilhersteller nutzen die hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit für Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere mit Fokus auf Leichtbau bei Steigerung der Karosseriesteifigkeit. Hochfeste Stähle eignen sich insbesondere für Konstruktionen, welche gewichtssensibel und dünnwandig sind und dennoch der Fahrzeugsicherheit genügen müssen.

Typische Karosserieteile aus hoch-/höchstfesten Stählen im Automobilbau: Dachteile, A-/B-/C-Säulen und Säulenverstärkung, Schweller, Achsträger, Querlenker, Türen, Bodenkonstruktion, Tunnelbleche, (Stahl-)Felgen

Beschichtungen sind als ergänzende Fertigungsverfahren zu sehen, welche einen Konstruktionswerkstoff um Eigenschaften ergänzt und/oder negative Eigenschaften ausgleicht. Die Beschichtung ist die abtrennende Grenze zwischen Konstruktionswerkstoff und der Umwelt.

Beschichten ist ein Fertigungsverfahren durch Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosen Stoff auf der Werkstückoberfläche, näher definiert durch die DIN 8580. Beschichtungen erhöhen die Anwendungsmöglichkeiten von Werkstücken durch Anpassung der Werkstoffoberfläche an die einsatzbedingten Anforderungen. Dabei können Beschichtungen hauchdünn (kleiner als 1μm) oder auch sehr dick sein. In der technologischen Evolution steht die Menschheit sehr wahrscheinlich noch am Anfang des Möglichen. Die Nanotechnologie wird zukünftig entscheidende Beiträge zu Beschichtungsverfahren leisten und nahezu grenzenlose Möglichkeiten schaffen.

Beschichtungen können mehreren Zwecken dienen, beispielsweise:

• Optische Veredelung (z. B. Goldschicht, Glanz, Farbe)
• Korrosionsschutz
• Anpassung der elektrischen Leitfähigkeit (bzw. Widerstand)
• Anpassung des Oberflächen-Reibungswiderstands
• Versiegelung vor Gasen/Flüssigkeiten
• Erhöhung thermischer Belastbarkeit
• Mechanische Dämpfung
• Schutz vor Strahlung (z. B. UV)

Eine typische und weitverbreitete Beschichtung ist das Verzinken – das Überziehen von Stahlwerkstücken mit einer dünnen Zink- oder Zinklegierungsschicht. Verzinkte Stahloberflächen sind vor Umwelteinflüssen geschützt und rosten nicht (Korrosionsschutz). Die Verzinkung kann über eine Zinkschmelze (galvanische, elektrolytische Verzinkung) erfolgen, dabei wird das Werkstück in einen Zinkelektrolyten getaucht.
Eine Schmelztauchverzinkung (Feuerverzinkung) ist ein alternatives Verfahren, bei welcher vorbehandelte Stahlwerkstücke einen massiven Zinküberzug durch Tauchbad aus einer flüssigen Zinkschmelze (ca. 450°C) erhalten.

Die Qualität einer Beschichtung wird bestimmt durch:

• Schichtdicke
• Haftfestigkeit
• Altersbeständigkeit

Beschichtungsverfahren können mit gasförmigen, flüssigen, gelösten oder auch festen Materialien arbeiten.

• Gasförmiges Beschichtungsmaterial
  • Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
  • Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
• Flüssiges Beschichtungsmaterial
  • Lackieren/Bemalen
  • Spritzen
  • Plastifizieren
  • Tauchlackieren (ETL, KTL, Schmelztauchen)
  • Emailieren
• Gelöstes Beschichtungsmaterial
  • Chromatieren
  • Verzinken
  • Verzinnen
  • Vernickeln (chemisch)
  • Galvanisieren
  • Phosphatieren
  • Sol-Gel-Verfahren
  • Eloxieren
• Feses Beschichtungsmaterial
  • Pulverbeschichten
  • Auftragslöten
  • Auftragsschweißen
  • Wirbelsintern
  • Sputtern

Welches Beschichtungsverfahren sinnvoll zum Einsatz kommen kann, hängt in erster Linie vom Anwendungszweck ab. Die Beschichtungsverfahren unterscheiden sich im Anwendungsprofil sehr stark, insbesondere auch hinsichtlich infrage kommender Trägermaterialien (Kunststoff, Metall, Textilien etc.).