Urformen durch Gießen und Druckguss
Metall wird in der Hütte aus dem Erz extrahiert und im Schmelzwerk zu Brammen gegossen. Diesen Bereich der Metallverarbeitung nennt man "Urformen". Das Metall wird ohne weitere Zerspanung in eine Grundform gebracht und an die Halbzeugindustrie geliefert.
Druckgießmaschinen und Grauguss-Anlagen verarbeiten Metalle direkt aus der Schmelze zu Endprodukten. Zu den Gießereimaschinen gehören Öfen, Pfannen, Stranggussanlagen und Extrusionsmaschinen, mit denen Profile und Halbzeuge hergestellt werden.
Umformen von Metallen
Nach dem Urformen wird das Metall gewalzt und zu Blöcken, Platten oder Band verarbeitet. Dies sind die ersten Schritte der umformenden Verfahren. Das Metall wird von einer Form in eine andere gepresst, gewalzt, gebogen, gekantet oder geschmiedet. Hierzu gibt es für jedes dieser Varianten die passenden Metallbearbeitungsmaschinen:
- Walzen dienen in Stahlwerken und in der Blechverarbeitung zum Richten und Konfektionieren von Dünnblech
- Pressen formen aus eingelegten Rohlingen die verschiedensten Endprodukte
- Abkantpressen knicken Metallbleche in einer gewünschten Richtung
- Schmiedemaschinen formen massive Werkstücke so um, dass diese zu hochfesten Bauteilen weiterverarbeitet werden können
Das Schmieden erzeugt besonders harte und widerstandsfähige Produkte. Um auch komplexe Produkte, wie beispielsweise Kurbelwellen, schmieden zu können, sind meist mehrere Schmiedewerkzeuge hintereinander angeordnet. Diese formen das Werkstück schrittweise in die gewünschte Form. Abkantpressen, Tafelscheren und Pressen zählen zu den Blechbearbeitungsmaschinen.
Die umformenden Verfahren verändern die Masse des Rohlings nicht. In den meisten Fällen ist dies aber unvermeidlich.
Trennende Bearbeitungsverfahren
Die trennenden Verfahren umfassen das Schneiden und das Zerspanen von Metall mittels einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen.
Dazu gehören u.a.:
Schneiden
Die einfachsten Trennmaschinen in der Blechbearbeitung sind Blechscheren, Tafelscheren und Abkantpressen. Sie schneiden das eingelegte Blech linear in einer Richtung ab. Mit Stanzen und Ausklinkmaschinen werden definierte Bereiche aus einem Rohling gestanzt.
Zerspanen
Technisch einfach, aber weit verbreitet sind Bohrmaschinen. Sie werden zum Setzen von Sack- und Durchgangslöchern sowie zum Gewindeschneiden verwendet.
Geht es in die Feinbearbeitung, kommen Drehmaschinen und Fräsmaschinen zum Einsatz. Letztere erzeugen bei der Zerspanung besonders komplexe Konturen. Drehmaschinen erlauben die Herstellung rotationssymmetrischer Körper.
Die hochwertigste Form der Fräsmaschine ist das CNC Bearbeitungszentrum, das beide Funktionen - Drehen und Fräsen (und zusätzlich oft auch das Bohren) - wiederholgenau und in konstanter Qualität kombiniert. CNC Bearbeitungszentren gehören zu den aufwändigsten, hochwertigsten und teuersten Metallbearbeitungsmaschinen.
Verzahnungsmaschinen kombinieren die Funktionen von Fräs- und Schleifmaschinen. Diese extrem hochwertigen Anlagen dienen der hochpräzisen Serienfertigung von Zahnrädern. Sie gleichen konventionellen Bearbeitungszentren, haben jedoch einige speziell für ihre Aufgabe zugeschnittene Sonderfunktionen. Der Verzahnungsmaschine ist meistens eine Härteanlage nachgeordnet. Erst diese macht ein metallenes Zahnrad dauerfest.
Das Finishing für die Oberflächenbearbeitung übernehmen schließlich die Läpp-, Polier- und Schleifmaschinen. Sie sorgen für die letzten hundertstel bis tausendstel Millimeter Abtrag, welcher für maximale Präzision sorgt.
Neben dem Erreichen der geforderten Toleranzen dient das Finishing auch zur Vorbereitung der galvanischen Beschichtung von Metallen. Das Verchromen von Metallprodukten ist ohne vorhergehende Politur nicht möglich.
Eine Sonderform der trennenden und abtragenden Metallbearbeitungsmaschinen ist die Erodiermaschine. Diese "umgekehrten Schweißmaschinen" arbeiten mit elektrischem Strom. Sie können hochgenaue Kavitäten in Metallblöcke einarbeiten. Erodiermaschinen werden häufig im Werkzeugbau eingesetzt und liefern belastbare und präzise Werkzeuge für Pressen, Stanzen, Druck- und Spritzgussmaschinen.
Werkzeugloses Schneiden von Metallen
Neben den mechanischen Trennverfahren haben sich auch einige werkzeuglose Metallbearbeitungsmaschinen für den Zuschnitt von Metallen durchgesetzt.
Das einfachste und billigste Verfahren, um Metalle in Stücke zu schneiden, ist das Schneidbrennen. Dabei wird eine Flamme aus einem Gemisch aus Brenngas und Sauerstoff mit hoher Temperatur durch das Metallstück geführt. Das Schneidbrennen ist eine recht rabiate Methode. Es erzeugt eine mehrere Millimeter breite Lücke und ist auch im CNC-Betrieb nicht sehr präzise. Außerdem wird beim Schneidbrennen entlang der Brennkanten eine mehrere Millimeter breite Zone erzeugt, in welcher das Metall sich stark härtet. Wenn dies für das Endprodukt nicht gewünscht ist, muss diese Zone, die sogenannte Wärmeeinflusszone, abgefräst werden.
Deutlich präziser und mit geringer ausgeprägter Wärmeeinflusszone ist das dem Schneidbrennen ähnliche Plasmaschneiden. Mit einer CNC gesteuerten Führung lassen sich hierbei bereits präzise Konturen aus dickem Material herausschneiden.
Brennschneid- bzw. Plasmaschneidanlagen benötigen ein Ausgangsmaterial das einige Millimeter Mindestdicke hat. Sie können auch mehrere Zentimeter dickes Metall problemlos durchtrennen.
Für Dünnbleche hat sich der Laserschnitt etabliert. Er arbeitet extrem fein und präzise, ohne dabei einen nennenswerten Schnittverlust zu produzieren. Im Gegensatz zu den Brennverfahren sind Laserschneidanlagen grundsätzlich stationäre Maschinen mit einer CNC Steuerung.
Als kaltes Schneidverfahren hat sich das Wasserstrahlschneiden etabliert. Dabei wird mit einem extrem scharfen Wasserstrahl und einem Abrasionsmittel der Schnitt durch das Metallblech durchgeführt. Das als Water-Jet oder Aqua-Cut bekannte Verfahren erzeugt keine Wärmeeinflusszone und erreicht eine hohe Präzision.
Fügen von Metallen
Das am häufigsten verwendete Verfahren zum Fügen von Metallen ist das Schweißen, als dessen einfachste Form das Reibschweißen gilt. Wesentlich verbreiteter sind diverse Arten des Elektro- und Schutzgasschweißens. Hier gibt es ein breites Spektrum von handlichen Schweißgeräten bis zu stationären Schweißmaschinen. Für besonders dicke Bleche bzw. Großteile wird schließlich das Unterpulverschweißen (UP) verwendet. Neben dem Schweißen kann Metall auch genietet oder geklebt werden.
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Oberflächenbearbeitung von Metallen
Außer dem o.g. Schleifen und Polieren gibt es weitere Verfahren für das Finishing, bei denen spezielle Metallbearbeitungsmaschinen eingesetzt werden.
Beschichtungsmaschinen
Hierbei handelt es sich primär um galvanische Beschichtungsanlagen. Sie überziehen das fertige Metallprodukt mit einer dünnen Schicht aus Zink, Kupfer, Gold oder Chrom. Die einfachsten galvanischen Beschichtungsanlagen sind Tauchzinkbecken. Sie werden vor allem bei Stahlprodukten verwendet, um diese dauerhaft gegen Korrosion zu schützen.
Verchromungsanlagen arbeiten mit mehreren Tauchbecken, die Metallprodukte Schritt für Schritt mit einer dünnen Schicht aus hochglänzendem Chrom versehen.
Neben dem galvanischen Verfahren werden auch Pulverbeschichtungsanlagen eingesetzt. Diese Anlagen setzen die fertigen Produkte unter Strom und besprühen sie mit einem Kunststoffpulver. Anschließend werden die Teile mit dem anhaftendem Kunststoffpulver in einen Ofen gefahren, worin der Kunststoff schmilzt. So entsteht eine geschlossene Oberfläche, die das Metallprodukt wirkungsvoll gegen Korrosion schützt und ihm gleichzeitig eine ansprechende Farbe gibt.
Metalle lassen sich schließlich auch mit Lackier- und Beklebungsverfahren aller Art einfach beschichten.
Behandlungsmaschinen
Dazu gehören vor allem die Härteanlagen mittels Wärme. Diese bestehen aus einem Glühofen und einem Tauchbad aus Öl. Hier wird bewusst durch Erhitzen und schnelles Abkühlen eine widerstandsfähige Härtezone erzeugt.
Gehärtete Metallprodukte finden sich überall dort, wo Reibung zu erwarten ist: Zahnräder, Lagerschalen, Wellen und Schleifbahnen sind häufig mit gehärteten Oberflächen versehen, um die Lebensdauer des Endprodukts zu erhöhen.
Präzisionskontrolle durch Mess- und Prüfmaschinen
Messen in der Metallbearbeitung
Ein Endprodukt aus Metall ist nur so gut wie seine schlechteste Komponente. Damit alle Einzelteile einer Konstruktion in jeder Hinsicht die gewünschten Eigenschaften besitzen, wurde eine Vielzahl von Mess- und Prüfmaschinen entwickelt. Die Werkstoffprüfung ist ein eigenes Verfahren der Metallbearbeitung. Er gliedert sich grob in zerstörende und zerstörungsfreie Prüfmethoden, die spezielle Metallbearbeitungsmaschinen erfordern.
Zerstörende Prüfverfahren
Der Klassiker unter den zerstörenden Messanlagen ist die Universal-Zugprüfmaschine, bei der eine Metallprobe in einer Zugvorrichtung eingespannt und so lange auseinander gezogen wird, bis sie reißt. Hierbei werden der elastische und der verformende Bereich eines Werkstoffs exakt definiert.
Ebenso häufig sind die Kerbschlaghammer vertreten. Mit ihnen wird die Zähigkeit eines Materials untersucht. Dabei schlägt ein rotierender Hammer eine kleine Metallprobe der Breite nach durch und misst die dabei notwendige Kraft.
Härteprüfmaschinen benötigen ebenfalls definierte und vorbehandelte Proben. Sie stechen mit einer definierten Kraft eine Nadel in das Material und messen, wie tief die Nadel eindringt. Die heute noch weit verbreiteten manuellen Härteprüfmaschinen werden zunehmend von automatisierten Systemen verdrängt.
Einen echten Blick in die Zusammensetzung einer Metallprobe erhält man durch das Spektrometer, welches Auskunft über die Zusammensetzung und die Legierung gibt.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren
Zu den zerstörungsfreien Verfahren gehören optische, taktile sowie "in die Tiefe gehende" Ansätze.
Optische Metall-Prüfverfahren sind alle Prüfschritte, die mit dem bloßen Auge durchgeführt werden können. Vom Lineal, Maßband, Messschieber, Prüfschraube bis hin zu Lupe oder Mikroskop bietet die Industrie eine riesige Bandbreite an gebrauchten Werkzeugen für die optische Prüfung. Diese werden heute durch hochgenaue Lasermessgeräte unterstützt.
Auf taktilen Messverfahren beruhen beispielsweise 3D Koordinatenmessmaschinen. Dabei wird ein CNC-gesteuerter, hochempfindlicher Tastkopf über ein Metallprodukt geführt und an definierten Punkten seine Maßhaltigkeit gemessen. Dieses Verfahren kommt besonders häufig bei geschweißten Konstruktionen zum Einsatz.
Um zerstörungsfrei in das Metall hinein blicken zu können, haben sich zwei Verfahren etabliert: Das Röntgen und die Ultraschall-Untersuchung. Das Röntgen ist präzise und zuverlässig, jedoch aufgrund seiner Strahlung potenziell gefährlich. Je nach Dicke des Materials kann ein einziger Prüfvorgang zudem mehrere Stunden dauern. Wesentlich schneller sind hier die Ultraschall-Verfahren. Sie sind als Handgeräte sowie als stationäre Anlagen verfügbar und völlig ungefährlich.
