Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen Warnecke. Einführung in die Fertigungstechnik
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1 Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen Warnecke Einführung in die Fertigungstechnik
2 Fertigung Fertigungsmesstechnik von W. Dutschke und C. P. Keferstein Praxiswissen Schweißtechnik von H. J. Fahrenwaldt und V. Schuler Span lose Fertigung: Stanzen von W. Hellwig Coil Coating von B. Meuthen und A.-S. Jandel Zerspantechnik von E. Paucksch, S. Halsten, M. Linß und F. Tikal Praxis der Zerspantechnik von H. Tschätsch Aufgabensammlung Fertigungstechnik von U. Wojahn ---'
3 Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen Warnecke Einführung in die Fertigungstechnik 8., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 248 Abbildungen Unter Mitarbeit von Max Dinkelmann und Holger Haag STUDIUM 11 VIEWEG+ TEUBNER
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. mult. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. E. h. Hans-Jürgen Warnecke Geb in Braunschweig. Maschinenbaustudium an TH Braunschweig und 1963 Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Ab 1965 Industrietätigkeit bei den Rollei-Werken Franke & Heidecke, Braunschweig. Von ordentlicher Professor an der Universität Stuttgart als Leiter des Lehrstuhls für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Von Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, München. Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper Geb in Schloss Neuhaus. Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen, 1977 Promotion zum Dr.-Ing. am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL). Von o. Prof. an der TU Braunschweig als Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Seit 1995 Institutsleiter des IFF der Universität Stuttgart und Institutsleiter des Fraunhofer IPA. Er ist Sprecher der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering in Stuttgart. Im Jahr 2006 erhielt Prof. Westkämper das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse. Dipl.-Ing. Max Dinkelmann Geb in Filderstadt. Technologiemanagementstudium an der Universität Stuttgart. Seit 2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb. Arbeitsgebiet: Fertigungstechnik. Dipl.-Ing. Holger Haag Geb in Bad Dürkheim, Maschinenbaustudium in der Vertiefungsrichtung Produktionstechnik an der Universität Karlsruhe. Seit 2007 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb. Arbeitsgebiet: Lebenszyklusorientierte ökonomische und ökologische Optimierung der Produktion. 1. Auflage , aktualisierte und erweiterte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+ Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010 Lektorat: Thomas Zipsner I Ellen Klabunde Vieweg+ Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN
5 v Vorwort Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung materieller Produkte, deren Eigenschaften durch die Konstruktion defmiert werden. In einer Zeit, in der die Wettbewerbsfähigkeit von UnterneInnen maßgeblich durch die Herstellkosten der Produkte, ihre Qualität und Zuverlässigkeit beeinflusst wird, kommt es darauf an, die wirtschaftliche Herstellung bereits in frühen Phasen der Produktentstehung durch eine Berücksichtigung der fertigungstechnischen Möglichkeiten und Alternativen zu sichern. Dies trifft für alle Arten von Produkten und alle Anforderungen der Märkte und Kunden gleichermaßen zu. Die Fertigungstechnik umfasst ein breites Feld an Verfahrenstechniken, von denen viele auch alternativ eingesetzt werden können. Ihre Auswahl orientiert sich daher im konkreten Fall an den Anforderungen an die Qualität, die Zeit und die Kosten der Herstellung. Die Kenntnis der Wirkzusammenhänge der technischen Verfahren ist die Grundlage zur Entwicklung und Optimierung von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Produkten in kleinen wie in großen Stückzahlen. Deutschland ist auf diesem Gebiet international führend und hat den Ruf hoher Qualität und Innovationsfähigkeit. Mit den Verändenmgen der Produkttechnologie zu komplexen und intelligenten Systemen verändern sich auch die Produktionstechnologien und die Strukturen der industriellen Produktion. In der Zukunft können die Potentiale der Technologien besser genutzt, die natiirlichen Ressourcen geschont und Harmonie mit der Umwelt durch innovative Verfahren erreicht werden. Die Fertigungstechnik kann im Produktlebenszyklus durch Verfolgung der Gedanken des Lebenszyklusmanagements und der sauberen Technologien entscheidende Beiträge liefern. In den vernetzten und zum Teil globalen Produktionsstrukturen der heutigen Zeit mit ihren kurzen Wegen und Übergangszeiten kommt es auch darauf an, die Prozesssicherheit, d. h. die Einhaltung der Toleranzen, zu gewährleisten. Toleranzen leiten sich aus den funktionalen Anforderungen der Produkte, den fertigungstechnischen Möglichkeiten, aber auch aus den Qualitätsanforderungen der jeweiligen Kunden und Märkte ab. Es ist deshalb notwendig, Toleranzsysteme in die Fertigungslehre zu integrieren. Das vorliegende Buch wendet sich an die Studierenden der ingenieurwissenschaftlichen Fachrichtungen und der technisch orientierten Betriebswirtschaften von Universitäten und Fachhochschulen, insbesondere aber an die Studierenden des Maschinenwesens, der Verfahrensund Elektrotechnik sowie der Betriebswirtschaftslehre. Es ist als einführendes Buch angelegt, um einen knappen Überblick über das Gebiet der Fertigungstechnik zu vermitteln. Es orientiert sich deshalb an den wichtigsten in der industriellen Produktion eingesetzten Verfahren der Fertigungstechnik. Denjenigen, die eine Vertiefung im Hinblick auf Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoff- und Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschinen und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen Fachgebiete der Fertigungstechnik empfohlen.
6 VI Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser aktualisierten 8. Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und leicht verständliche Darstellungsweise mit zahlreichen Abbildungen und grundsätzlichen Wirkprinzipien führt die Studierenden schnell in die Fertigungslehre ein. Am Beispiel der metallischen Werkstoffe werden die Fertigungsverfahren erläutert. Zusätzlich behandelt dss Buch Verfahren zur Bearbeitung von Kunststoffen, Keramiken, nachwachsender Rohstoffe sowie die Besonderheiten der Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente. Um den Kreis der ganzheitlichen Betrachtung des Produktlebenszyklus aus fertigungstechnischer Sicht zu schließen, sind auch das Rapid Prototyping und das Themengebiet Recycling integriert. Mein besonderer Dank gilt den Herren Dipl.-Ing. Holger Haag und Dipl.-Ing. Max Dinkelmann, die an der Überarbeitung dieses Buches maßgeblich beteiligt waren, und mich bei der Vorlesung,,Einfiihrung in die Fertigungslehre" an der Universität Stuttgart unterstützen. Dem Vieweg+Teuhner Verlag, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner, danke ich für die gute Zusammenarbeit und die zügige Veröffentlichung dieses Buches. Stuttgart, im Juni 2010 Engelbert Westkämper
7 Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen zur Fertigungstechnik Produktion als W ertschöpfungsprozess Strategien der Produktion Elemente des Produktionsprozesses Produktlebenszyklusmanagement Einteilung der Fertigungsverfahren Grundlagen zur Lasertechnik Qualitätsmerkmale gefertigter Teile Grundlagen und Normen Geometrische Produktspezifikation Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße Maße und Abmaße Toleranzsysteme Passungsarten und Passsysteme Passungsauswahl Technische Oberflächen Ordnungssystem für GestaItabweichungen Form- und Lagetoleranzen Rauheit und Welligkeit von Oberflächen Prüfungen und Prüfmittel Nachweis der Übereinstimmung Lehren, Mesazeuge und Messgeräte Koordinatenmessgeräte Sichtprüfungen Prüfplanung Prüfmittelüberwachung Qualitätsmanagement Qualitätsmanagementsysteme Qualitätsregelkreise... 37
8 VIII Inhaltsverzeichnis 3 WirtschaftIichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren Technologischer V ariantenvergleich Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich Kostenrechnung und Ka1kulation Wirtschaftlichkeitsrechnung Werkstoffe Metallische Werkstoffe Eisenwerkstoffe Nichteisenmetalle Nichtmetallische Werkstoffe Kunststoffe Keramische Werkstoffe Verbundwerkstoffe Nachwachsende Rohstoffe Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe Urformen Urformen aus dem flüssigen Zustand Urformen aus dem ionisierten Zustand Urformen aus dem körnigen oder pulveriormigen Zustand Umformen Druckumformen Zugdruckumformen Zugumformen Trennen Zerteilen Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Abtragen Fügen Schweißen Löten Umformtechnisches Fügen
9 Inhaltsverzeichrris IX Kleben Schrauben und Schraubenverbindungen Beschichten Beanspruchungsarten und Eigenschaften techrrischer Oberflächen Lage der Beschichtung in der Wertschöpfungskette Vorbehandlung Einteilung Stoff eigenschaft ändern Grundlagen der Wännebehandlung von Stahlwerkstoffen Thermische Wännebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen Thennochemische Wännebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen Wännebehandlung von Eisen-Gusswerkstoffen Wännebehandlung von NE-Metallen Bearbeitung von Kunststoffen Urfonnen Extrudieren B1asfonnen Spritzgießen Pressen Schäumen Stereolithographie Urfonnen faserverstärkter Fonnteile Urnfonnen Trennen Fügen Schweißen Kleben Beschichten Besonderheiten der Keramikbearbeitung Urfonnen Trennen Spanen mit geometrisch unbestinnnten Schneiden Thermisches Abtragen
10 x Inhaltsverzeichnis 8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe Herstellung von Spanplatten Rohstoffe Fertigungsprozess Holzbearbeitung Grundlagen der Zerspanung von Holz Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente Produktion unter reinen Bedingungen Reinraumtechnik Grundlagen Reinraumklassen Verschiedene Reinraumkonzepte Kontaminationsarten Grundlagen der Halbleitertechnologie Halbleiter-Diode Feldeffekt-Transistor Herstellung eines Halbleiterchips Notwendige Prozessschritte D-Chip-Technologie Rapid Prototyping Prinzip und Prozesskette des Rapid Prototyping Industriell eingesetzte Verfahren des Rapid Prototyping Folgetechnologien Rapid Tooling und Rapid Manufactoring Recycling Recycling in den Ingenieurwissenschaften Motivation für Recycling Begriffe und Gliederungen Recycling-Kreislaufarten im Produktlebenszyklus Recycling-Behandlungsprozesse Recyclingformen
11 Inhaltsverzeichrris XI Gemeinsamkeiten von Produktion und,,deproduktion" Produktgestaltung für Stoffkreisläufe Ökobilanzierung Produktionsabfallvennindernde Produktgestaltung Recyclingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen Literaturverzeichnis Normen und Richtlinien Stichwortverzeichnis
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