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Stähle müssen verschiedenste fertigungs- und anwendungsgerechte Eigenschaften erfüllen. Mit einer Wärmebehandlung von Stählen wird angestrebt, die Werkstoffeigenschaften so zu ändern, dass diese belastbarer oder anderweitig anwendungsgerechter sind und/oder um die Bearbeitung des Werkstoffes (Umformen oder Zerspanen) zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Nach der DIN 8580 gehört die Wärmebehandlung zu den Fertigungsverfahren der Stoffeigenschaftsänderung.

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.

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Thermoplaste sind die erfolgreichsten Kunststoffe und eine der erfolgreichsten Werkstoffarten der Neuzeit. Aus Sicht der Werkstofftechnik gibt es zwei Formen von Thermoplaste:

• 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 Ãœberlappung. 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.

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Fertigungstechnik ist eines der wichtigsten Kernfächer im Maschinenbau. Die Fertigungsverfahren sind mit dem technischen Fortschritt im Wandel. Das Buch Grundlagen der Fertigungstechnik vom Carl Hanser Verlag geht auf die grundlegenden Verfahren und Prozesse in der modernen Fertigungstechnik ein. Beleuchtet werden Prinzipien, Anwendungsbeispiele und Eigenschaften moderner Fertigungsverfahren aus Perspektive der Produktivität, Flexibilität, Automatisierbarkeit und Umweltverträglichkeit.

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

Grundlagen der Fertigungstechnik

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Technische Anforderungen an Bauteile steigen permanent, auch und insbesondere Bauteiloberflächen müssen auf neue Anwendungsfelder abgestimmt und an steigende Anforderungen angepasst werden. Weder Konstruktions- noch Funktionswerkstoffe können allen Oberflächen-Anforderungen alleine gerecht werden. Im Fokus der Bemühungen für den technologischen Fortschritt stehen Beschichtungen, welche speziellen Anforderungen gerecht werden und oftmals simultan mehrere Funktionen erfüllen.

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.

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Fügen durch Kleben ist ein verbreitetes und zukunftsträchtiges Verfahren in Fertigung und Montage. Neben den vielen Vorteilen des Klebens gibt es auch eine Reihe von Nachteilen, zu denen auch die schwierigen Qualitätstests für Klebverbindungen zählen. Eine fertige Klebverbindung lässt sich nur durch Zerstörung in Form von experimentellen Bruchtests feststellen.

Bruchtests

Fügeverbindungen durch Klebstoff sind eher unempfindlich gegenüber Druck- und Zugbelastungen, problematisch sind hingegen Scherbelastungen. Entsprechend sinnvoll ist die experimentelle Erprobung von Klebverbindungen mit Scherkrafteinwirkung. Die DIN 53 283 definiert einen Zugscherversuch, welcher die Haftung von Klebverbindung zwischen zwei länglichen Fügeteilen erprobt. Der Versuch arbeitet mit Kräften und Momenten.

Der Zugscherversuch nach DIN 53 283 hat jedoch den Nachteil, das die Fügeteile durch Biegung vo dem Versuch durch Knicken angewinkelt werden müssen. Der Versuch scheitert hier möglicherweise bereits durch das materielle Nachgeben der Fügeteile.

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Kleben ist ein stoffschlüssiges Fügeverfahren und gehört damit in die Hauptgruppe Fügen der DIN 8580. Die Verbindung der Werkstoffe der Fügeteile wird über einen zugegebenen Werkstoff – der Klebstoff – geschaffen. Die fügende Verbindung entsteht durch den Klebstoff und physikalische und chemische Wechselwirkungen, durch welche der Klebstoff aushärtet und die Fügeteile zusammenhält.

Klebstoffe sind vor dem eigentlichen Fügen im flüssigen Aggregatzustand. Physikalische/chemische Prozesse, welche durch unterschiedliche Auslösemechanismen geschehen, sorgen für eine Umwandlung in feste Zustände (Aushärtung).

Konkret einzuleitende Auslösemechanismen kennen die Reaktionsklebstoffe (Epoxidharze, Acrylat, Cyanacrylat und Polyurethan Klebstoffe), welche als Monomere appliziert werden und bei Vermischung chemisch reagieren. Bekanntestes Beispiel sind die Epoxidharze (Zweikomponentenkleber).

Monomer A + Monomer B -> Polymer AB

Andere Klebstoffe binden sich physikalisch bereits beim Hersteller und müssen nur noch aushärten und gegebenenfalls hierfür (z. B. durch Temperatur) unterstützt werden.

Die meisten Klebstoffsysteme haben eine Topfzeit (Zeit der kritischen Aushärtung), nach welcher der Klebstoff nicht mehr verarbeitet werden darf.

Klebstoffe in Natur und Technik

Klebstoff ist eines der ältesten Werkstoffe. Die Menschheit entdeckte die Nutzbarkeit von natürlichen Klebstoffen sehr schnell, um Unterkünfte, Werkzeuge und Waffen zu bauen. Vor etwa 5000 Jahren nutzten Ägypter bereits Leime aus tierischen und pflanzlichen Stoffen. Natürliche Klebstoffe kommen in der Natur in vielfältiger Form vor.

Natürliche Klebstoffformen:

• Pflanzensäfte
• Wachse
• Harze (insbesondere von Nadelbäumen)
• Eiweiße
• Kohlenhydrate

Natürliche Klebstoffe sind nur begrenzt einsatzfähig hinsichtlich Haftung, Lebensdauer, Zerfall und Qualitätsstandard. Die Menschheit hat daher künstliche Klebstoffe entdeckt und für die technische Anwendung nutzbar gemacht. Verbreitete künstliche Klebstoffe sind Silikone, Epoxidharze, Polyarcylate und Polyurethane. Im Bereich der Klebstoffe ist jedoch noch lange kein Ende der Innovation zu erwarten, jährlich werden bestehende Klebstoffe verbessert und neue Klebstoffe entdeckt oder erschaffen.

Heutzutage wird Klebstoff vermehrt benutzt, auch in Anwendungsbereichen mit hohen mechanischen Belastungen, zum Beispiel in der Luftfahrt (der Rumpf vom Airbus A 380 ist zum Teil geklebt) oder im Automobilbau. (mehr…)

Die Einteilung der Fertigungsverfahren kann auf verschiedene Art und Weise geschehen, beispielsweise nach Wirkungsprinzipien, wie etwa das Formen oder Trennen von Material, oder nach dem Bearbeitungsziel (Änderung der Grobgestalt oder Feingestalt eines Werkstücks).

Innerbetrieblich werden Fertigungsverfahren i. d. R. nach Produktionsstufe gegliedert, wie Fertigung (z. B. Formen und Trennen) -> Montage (z. B. Zusammenfügen durch Kleben) -> Funktionssicherung (z. B. Beschichten mit Korrosionsschutz).

Für die einheitliche Fertigung und der verständlichen Kommunikation zwischen den verschiedenen Abteilungen und gar Unternehmen und Behörden zu gewährleisten, wurden in ingenieurtechnischen Disziplinen Standardisierungen durch Normen eingeführt, die Begriffe, Bezeichnungen und Definitionen der einzelnen Fertigungsverfahren beinhalten.

Die Einteilung der Fertigungsverfahren ist in der DIN Norm 8580 festgelegt. Diese Einteilung gliedert sich in sechs Hauptgruppen mit jeweils eigenen Verfahrensgruppen und Verfahrensuntergruppen.

Die sechs Hauptgruppen nach DIN 8580:

Schaffen der Form 
1. Urformen (Zusammenhalt der Form schaffen)

Ändern der Form

2. Umformen (Zusammenhalt beibehalten)
3. Trennen (Zusammenhalt vermindern)
4. Fügen (Zusammenhalt vermehren)
5. Beschichten (Zusammenhalt vermehren)

Ändern der Stoffeigenschaften

6. Stoffeigenschaftsänderung
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CNC (Computerized Numerical Control, etwa: „computerisierte numerische Steuerung“) ist ein Verfahren zur elektronischen Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen (CNC-Maschinen) über spezielle CNC-Steuereinheiten wie Controller und Computer. CNC ist ein komplexes Regelungssystem, die Steuerung erfolgt mit programmierbaren Mikroprozessoren.

Die Bearbeitungsabfolge und zugehörige Parameter werden in einem NC-Programm definiert, eine Dreh-/Fräsmaschine führt diese Bearbeitungsabfolge aus.

CNC ist die erweiterte, modernere Form des NC (Numerical Control). NC basierte noch weitgehend auf der Lochkarteneinlesung und konnte nur extern verändert werden, der Bediener kann das Programm also nur starten/beenden, aber (anders als bei CNC) nicht anpassen.

CNC spielt in der Produktion (speziell in der Prozessgestaltung und Fertigungsplanung) eine wichtige Rolle. (mehr…)

Randschichthärten (auch: Oberflächenhärten) behandelt Fertigungsverfahren der Wärmebehandlung (Stoffeigenschaftsänderung) zur Härtung der Randschicht (Oberfläche) von Werkstücken, welche in der Regel aus Vergütungsstählen bestehen. Ziel ist die Schaffung einer harten, verschleißfesten Oberfläche bei weichem, zähem Kern. Härten erfolgt nach dem Prinzip der Erhitzung und Abschreckung des Materials, wodurch die Bildung von Martensit angestrebt wird, der die Härte schafft.

Randschichthärten kann in Randschichthärtung mit und ohne Kohlenstoff/Stickstoff-Zuführung unterschieden werden.

• Randschichthärtung durch Gefügeumwandlung mit ausreichend vorhandenem Kohlenstoff

• Flammenhärten
• Induktionshärten

• Einsatzhärten

• Nitrieren

Typische Vergüten und Einsatzhärten sind zwei von mehreren Wärmebehandlungsverfahren zur Steigerung der Festigkeit in Kombination mit der Zähigkeit. Beide Verfahren sind selbst Kombinationen aus mehreren einzelnen Wärmebehandlungsverfahren. (mehr…)

Die Fertigung befasst sich mit der Herstellung und Anpassung von Werkstücken nach Vorgaben der Konstruktion in Eigenschaften, Funktion und Haltbarkeit.

Werkstücke sind feste Körper und können Teil einer abgrenzbaren Baugruppe sein, welche richtig zusammengesetzt ein Endprodukt oder mehrere Endprodukte ergeben. Werkstücke sind selbst aus mindestens einem Teil bestehend, können aber auch, insbesondere bei geometrisch komplexeren Körpern, aus mehren Teilen bestehen.

Die Fertigungsteams interagieren insbesondere mit der Konstruktion und der Qualitätssicherung. Ingenieure der Fertigungstechnik müssen mit den Konstruktionsingenieuren die Fertigungsprozesse planen, Konstruktionspläne verstehen und Konstruktionsfehler frühzeitig erkennen, Fertigungsverfahren nach technischen als auch wirtschaftlichen Aspekten bewerten und über fundierte Kenntnisse in der Qualitätssicherung verfügen.

Der Fertigung stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Verfügung. Diese Fertigungsverfahren verändern sich mit technischem Fortschritt und naturwissenschaftlicher Forschung im Sinne der Qualität, Wirtschaftlichkeit, Ergonomie und Umwelt. (mehr…)