Metallverarbeitung: Gießen, Schweißen, Umformen und Messtechnik

Gießen durch Schmelzen (Formguss)

Beim Formguss wird das Material bis zu seiner Schmelztemperatur erhitzt, in den Zustand einer Flüssigkeit überführt und anschließend in das Innere einer Form gegossen. Nach ausreichender Abkühlzeit erstarrt das Material und wird aus der Form entnommen.

Anforderungen an das Werkzeug

Während des Gießvorgangs ist Folgendes zu beachten: Das Werkzeug muss hohen Temperaturen standhalten, ohne sich zu verformen. Die Form sollte eine gleichmäßige Erstarrung ermöglichen, damit das Endprodukt nicht verzieht. Formen müssen zudem Öffnungen für den Luftaustritt besitzen, damit das eingefüllte Schmelzgut ungehindert eindringen kann.

Aufbau einer Gussform

Eine Gussform besteht aus zwei Teilen:

• Unterer Teil: Hier befindet sich die wichtigste Öffnung.
• Oberer Teil: Er dient als Deckel und vervollständigt die Kontur.

Arten von Gussformen

Gussformen werden in zwei Typen unterschieden:

• Dauerformen: Sie werden häufig verwendet und eignen sich für gleichartige Teile.
• Verlorene Formen: Sie werden nach Abschluss des Prozesses zerstört und eignen sich für einzelne Werkstücke.

Gießverfahren in zwei Gruppen

Die Verfahren werden in Schwerkraftverfahren und Druckverfahren eingeteilt.

Schwerkraftverfahren

Die Schmelze wird in die Form eingefüllt und fließt allein durch ihr eigenes Gewicht hinein. Das Wachsausschmelzverfahren eignet sich für schwierige Teile. Dabei wird ein Modell aus Wachs verwendet, das anschließend mit Gips umhüllt wird.

Druckverfahren

Bei diesen Verfahren wird das flüssige Material unter Druck in das Werkzeug eingespritzt. Es handelt sich um präzise Formen aus Stahl, die dem Einspritzdruck standhalten müssen. Das Spritzgießen ist das am häufigsten verwendete Druckverfahren. Die Formen dienen dabei als Matrizen. Dieses Verfahren wird für komplizierte Teile aus Kunststoff und Leichtmetall eingesetzt.

Strangpressen (Extrusion)

Das Material wird erhitzt, bis es einen teigartigen Zustand erreicht. Anschließend drückt ein Kolben die Masse durch eine Öffnung, die der gewünschten Form entspricht.

Sintern bzw. Pulvermetallurgie

Bei diesem Verfahren werden Werkstücke aus einem oder mehreren Metallen hergestellt. Zunächst wird das Material in Pulverform gebracht, verdichtet und in der Form bei hohen Temperaturen im Ofen gesintert.

Umformen

Bei der Umformung wirken Kräfte auf das Werkstück, die die Elastizitätsgrenze überschreiten, sodass es formbar wird. Die Umformung kann kalt oder warm erfolgen. Teile können auf Druck, Zug oder Biegung beansprucht werden. Verwendet werden Metalle und Kunststoffe.

Walzen

Beim Walzen wird eine Masse kontinuierlich zwischen zwei gegenläufig drehenden Walzen hindurchgeführt. Das Verfahren kann kalt oder warm durchgeführt werden.

Schmieden

Beim Schmieden wird das Material großen Kräften und Drücken ausgesetzt. Typischerweise schmiedbare Werkstoffe sind Aluminium, Kupfer und Eisen. Das Material wird auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt und anschließend mit dem Hammer oder in einer Presse bearbeitet.

Drahtziehen

Beim Drahtziehen wird ein Draht durch eine Reihe von Ziehlöchern mit abnehmendem Durchmesser gezogen, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Es handelt sich um eine Kaltumformung.

Verbindungstechniken

Verbindungen können lösbar oder unlösbar sein.

Lösbare Verbindungen

Lösbare Verbindungen können bei Bedarf beliebig oft gelöst und wieder hergestellt werden.

Unlösbare (feste) Verbindungen

Eine unlösbare Verbindung lässt sich nicht zerstörungsfrei trennen, ohne mindestens eines der Verbindungselemente zu beschädigen.

Niete

Ein Niet ist ein kleiner zylindrischer Stift mit einem Kopf an einem Ende. Er dient dazu, mehrere Bleche oder Bauteile dauerhaft miteinander zu verbinden. Dazu wird das gegenüberliegende Ende durch Druck oder Schlag verformt, sodass ein zweiter Kopf entsteht.

Schweißen

Schweißen ist ein Fügeverfahren, bei dem der Bereich der Verbindung bis zur Schmelztemperatur erwärmt wird, sodass ein Schweißgut entsteht.

Beim Autogenschweißen wird kein Zusatzwerkstoff verwendet. Beim Schweißen unterscheidet man zwischen:

• Heterogenes Schweißen: Der Zusatzwerkstoff unterscheidet sich vom Grundwerkstoff. Ein Beispiel ist das Weichlöten mit einer Zinn-Blei-Legierung, die bei etwa 230 °C schmilzt. Eine Lötpaste dient als Flussmittel. Angewendet wird das Verfahren bei Bleilötungen in der Installationstechnik, bei Leiterplatten, Kabeln und dünnen Blechen.
• Homogenes Schweißen: Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff sind identisch oder sehr ähnlich zusammengesetzt.

Hartlöten

Beim Hartlöten werden zwei Werkstücke mit einem Metall verbunden, das einen hohen Schmelzpunkt besitzt, jedoch niedriger als der des Grundwerkstoffs liegt.

Autogenes Schweißen (Gasschweißen)

Die Teile werden durch die Wärme einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme verbunden. Die Verbindungsstellen werden bis zum Schmelzen erhitzt. Dabei wird meist ein Zusatzwerkstoff in Form von Stäben zugeführt, der dem Metall der Werkstücke entspricht.

Benötigte Ausrüstung: Flaschen mit Acetylen und Sauerstoff, Schläuche, Schweiß- und Schneidbrenner sowie Schutzausrüstung.

Lichtbogenschweißen

Beim Lichtbogenschweißen erzeugt ein elektrischer Lichtbogen die Wärme. Er springt zwischen dem Werkstück, das an einen Pol der Stromquelle angeschlossen ist, und einem Metallstab, der als Elektrode bezeichnet wird, über. Die Elektrode schmilzt allmählich ab, bildet eine Schweißnaht und füllt die Fuge zwischen den beiden Teilen. Für dieses Verfahren wird ein Transformator benötigt. Es handelt sich um ein homogenes Verfahren.

Passfedern (Keile)

Passfedern sind prismatische Stahlteile in Keilform, die zwischen zwei Bauteile eingesetzt werden, um sie miteinander zu verbinden und Kräfte zu übertragen.

Feilen

Das Feilen ist ein Arbeitsverfahren, bei dem einem Metallwerkstück durch Abtragen überschüssigen Materials in Form von Spänen die gewünschte Form gegeben wird. Die Feile ist ein Stab aus gehärtetem Stahl mit gerillter Oberfläche und kann verschiedene Formen haben.

Man unterscheidet zwei Arbeitsphasen:

• Schruppen: Hier wird mit einer groben Feile große Materialmenge abgetragen.
• Schlichten: Dieser abschließende Arbeitsschritt erfolgt mit feinen Feilen, mit denen nur wenig Material entfernt wird.

Fräsen

Beim Fräsen werden prismatische Körper durch spanende Bearbeitung zerspant. Das Verfahren ermöglicht viele unterschiedliche Arbeiten. Die Fräsmaschine wird auch als universelle Werkzeugmaschine bezeichnet. Ihre Aufgabe besteht darin, ein schneidendes Werkzeug rotieren zu lassen, um Werkstücke zu bearbeiten. Die Späne entstehen durch die Drehung der Schneidzähne, die einen Kreis bilden.

Brennschneiden (Autogenes Schneiden)

Mit dem Brennschneiden lassen sich niedriglegierte Stähle schneiden. Grundlage ist die Eigenschaft von Stahl, in reinem Sauerstoff sehr schnell zu verbrennen, sobald die Zündtemperatur erreicht ist, die niedriger als die Schmelztemperatur liegt. Die Ausrüstung ähnelt der des autogenen Schweißens.

Funkenerosion (Elektroerosion)

Bei der Funkenerosion wird über eine gesteuerte elektrische Entladung Metall abgetragen. Das zu bearbeitende Werkstück und die Elektrode, die als Werkzeug wirkt, tauchen in eine dielektrische Flüssigkeit ein. Wird eine hohe Spannung zwischen Werkstück und Elektrode angelegt, entsteht ein intensives elektrisches Feld, das die Temperatur so weit erhöht, dass die dielektrische Flüssigkeit verdampft. Nach dem Verschwinden der Flüssigkeit entsteht eine elektrische Entladung, die die Temperatur weiter erhöht.

CNC-Steuerung

Die numerische Steuerung (CNC, Computerized Numerical Control) ist ein automatisches Steuerungssystem für Maschinen. Dabei werden die Arbeitsanweisungen über ein Computerprogramm übermittelt. Diese Anweisungen können sowohl Maßangaben als auch technologische Daten umfassen.

Messfehler

Systematische (bestimmte) Fehler

Systematische Fehler haben einen festen Wert und bestimmen die Genauigkeit der Messung. Sie lassen sich in drei Klassen einteilen:

• Instrumentelle Fehler: Entstehen durch Abnutzung oder Korrosion der Messinstrumente. Sie werden durch eine geeignete Kalibrierung mit Normalen erkannt und korrigiert.
• Persönliche Fehler: Hängen vom Beobachter ab und können durch Sorgfalt minimiert werden.
• Methodische Fehler: Sind schwer zu erkennen und zu korrigieren. Sie hängen mit der Eignung des verwendeten Messverfahrens zusammen.

Zufällige (unbestimmte) Fehler

Diese Fehler entstehen durch kleine Schwankungen der Versuchsbedingungen und zeigen sich in der Streuung der Messwerte. Sie lassen sich verringern, indem die Messung mehrfach wiederholt und anschließend der Mittelwert berechnet wird.

Absoluter und relativer Fehler

Der absolute Fehler ist die Differenz zwischen dem Näherungswert und dem genauen Wert. Der relative Fehler ist das Verhältnis zwischen dem absoluten Fehler und dem genauen Wert, angegeben in Prozent.