Grundlagen der Werkstoffkunde und Fertigungsprozesse

Wichtige Definitionen in der Fertigungstechnik

Prozess

Ein Prozess ist eine geordnete Menge von Aktivitäten zur Erreichung eines bestimmten Ziels.

Produktion

Die Produktion umfasst organisierte und geplante Aktivitäten zur Verarbeitung von Materialien, Gegenständen oder Dienstleistungen, die für die Gesellschaft nützliche Güter oder Dienstleistungen hervorbringen.

Material

Ein Material ist der Stoff, aus dem ein Produkt oder Element hergestellt wird.

Effizienz

Die Effizienz ist das numerische Verhältnis zwischen dem tatsächlich erreichten Ergebnis eines Systems und dem maximal möglichen Ergebnis, das dieses System erreichen könnte (Ist-Leistung / Soll-Leistung).

Wirksamkeit (Effektivität)

Die Wirksamkeit (Effektivität) ist die Bewertung der Erfüllung der Ziele, Zwecke oder Funktionen eines Systems oder Prozesses, oft ohne rein numerische Auswertung oder vorgegebene Standards.

Allgemeines Modell von Prozessen

Das allgemeine Modell eines Prozesses lässt sich wie folgt beschreiben:

Input: Material, Energie, Information

→ Prozess

Output: Produkt, Abfall, Energie, Information

Klassifizierung von Werkstoffen

Werkstoffe werden typischerweise in folgende Hauptgruppen unterteilt:

• Metalle: Z. B. Stahl, Gusseisen (auch Recycling und Schmelzen/Gießen).
• Nichtmetalle: Z. B. Kunststoffe und Keramik.

Vier Eigenschaften von Metallen

1. Kristallisieren in definierten Systemen (kristalline Struktur).
2. Sind duktil und schmiedbar (verformbar).
3. Korrodieren (rosten) unter bestimmten Bedingungen.
4. Leiten Elektrizität und Wärme gut.

Eigenschaften von Nichtmetallen

1. Kristallisieren nicht (amorphe Struktur).
2. Sind spröde (fragil).
3. Wirken als Isolatoren (schlechte Leiter).
4. Bilden Oxide oder Hydride.

Eigenschaften von Keramik

• Kristallisieren in komplexen Strukturen.
• Sind spröde.
• Wirken als Isolatoren.
• Sind druckfest.

Eigenschaften von Kunststoffen

• Besitzen oft lineare Kohlenstoffstrukturen.
• Verformen sich und kehren nicht immer in ihre ursprüngliche Form zurück (plastische Verformung).
• Können eine gewisse Spannung aushalten.
• Man unterscheidet zwischen Thermoplasten und Duroplasten.

Anwendungsbeispiele und Prozesse

Verformung von Baustahl (0,2% Kohlenstoff)

Um ein Stück Baustahl (mit ca. 0,2% Kohlenstoff) durch Schmieden zu verformen, wird es typischerweise auf etwa 900 °C erhitzt und anschließend durch Schläge in Form gebracht.

Unterschied zwischen Stahl und Gusseisen

Der Hauptunterschied liegt im Kohlenstoffgehalt (C):

• Stahl: Enthält 0% bis maximal 2% Kohlenstoff.
• Gusseisen: Enthält 2% bis 4,3% Kohlenstoff.

Gusseisen wird in der Regel gegossen und nicht geschmiedet.

Definitionen von Verformung und Bruch

Elastische Verformung

Das Material verformt sich unter Last und kehrt nach Entlastung vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Beispiel: Eine Feder.

Plastische Verformung

Das Material verformt sich unter Last und behält diese Verformung bei, es kehrt nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Spröder Bruch (Sprödbruch)

Der Bruch erfolgt plötzlich und ohne vorherige sichtbare Verformung. Beispiel: Glas bricht.

Zäher Bruch (Duktile Fraktur)

Der Bruch wird durch vorherige starke Verformung (Duktilität) angekündigt. Beispiel: Eine Welle aus Baustahl (0,2% C) verformt sich vor dem Versagen.

Mischung

Eine Kombination von Elementen. Beispiel: Beton.

Herstellung eines Aluminiumbehälters

Ein Behälter (z. B. eine Dose) wird aus einer Aluminiumscheibe (Ronde) durch den Prozess der Umkehr-Strangpressung (Extrusion) oder des Tiefziehens hergestellt.