Einführung in die Fertigungstechnik

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1 Einführung in die Fertigungstechnik Von Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Hans-Jürgen Warnecke Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, München und Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Engelbert Westkämper Leiter des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart unter Mitarbeit von Dipl.-Ing. Bernhard Gottwald Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF), Stuttgart 3., vollständig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 211 Abbildungen und 11 Tabellen B. G. Teubner Stuttgart 1998

2 Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Hans-Jürgen Warnecke Geboren 1934 in Braunschweig. Studium des Maschinenbaus an der TH Braunschweig und 1963 Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Ab 1962 Oberingenieur am genannten Institut. Ab 1965 Industrietätigkeit bei den Rollei-Werken Franke & Heidecke, Braunschweig. Auslandsaufenthalte in Singapur und Denver, USA. Ab 1971 o. Prof. an der Universität Stuttgart als Leiter des Instituts für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (I PA). Seit 1993 Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, München. Unter vielen Preisen und Ehrungen seien hier genannt: Ehrenprofessor (Prof. e.h.) der Jiao Tong Universität Shanghai, Ehrendoktor (Dr. h.c.) der Universitäten Magdeburg, Ljubljana und Timisoara. Verdienstkreuz am Bande des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland. Mitglied in zahlreichen Vorständen, Aufsichtsräten, Beiräten, Stiftungen und Präsidien. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Engelbert Westkämper Geboren 1946 in Schloß Neuhaus. Studium des Maschinenbaus an der RWTH Aachen und 1977 Promotion zum Dr.-Ing. am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL). Danach Industrietätigkeit in der Luftfahrt- und Elektronikindustrie. Ab 1988 o. Prof. an der TU Braunschweig als Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF). Seit 1995 Nachfolger von Prof. Warnecke an der Universität Stuttgart und damit Leiter von IFF und IPA wurde ihm die Ehrendoktorwürde (Dr. h.c.) der Technischen Universität Cluj-Napoca verliehen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Wamecke, Hans J.: Einführung in die Fertigungstechnik : mit 11 Tabellen / von Hans Jürgen Warnecke und Engelbert Westkämper. Unter Mitarb. von Bernhard Gottwald. - 3.,vollst. neubearb. und erw. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1998 (Teubner-Studienbücher : Maschinenbau) ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb derengengrenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner, Stuttgart 1998

3 Vorwort Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung materieller Produkte, deren Eigenschaften durch die Konstruktion definiert werden. In einer Zeit, in der die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen 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. Viele können auch alternativ eingesetzt werden. Die Auswahl der Verfahren im konkreten Fall orientiert sich daher an den Anforderungen, an die Qualität und an den 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 Innovationsfahigkeit. Mit den Veränderungen 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 natürlichen Ressourcen geschont und Harmonie zur Umwelt durch innovative Verfahren erreicht werden. Die Fertigungstechnik kann im Produktlebenszyklus durch Verfolgung der Gedanken der Kreislaufwirtschaft 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.

4 IV Vorwort 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 Verfahrens- und 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 Werkstoffund Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschinen und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen Fachgebiete der Fertigungstechnik empfohlen. Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser 3., vollständig überarbeiteten Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und leicht verständliche Darstellungsweise mit zahlreichen Abbildungen und grundsätzlichen Wirkprinzipien soll die Studierenden schnell in die Fertigungslehre einführen. Im Hinblick auf neue Aufgabenfelder der Fertigungslehre wurden auch Verfahren zur Bearbeitung keramischer Werkstoffe sowie nichtmetallischer Werkstoffe auf natürlicher Basis wie z.b. Holzwerkstoffe aufgenommen. Ferner wurde der Miniaturisierung von Produkten und Komponenten durch die Techniken der Mikrofertigung mehr Bedeutung beigemessen. Schließlich wurde der gesamte Produktlebenszyklus mit den Aspekten des Recyclings technischer Produkte betrachtet. Grundlage dieses Buches sind die vorangegangenen Ausgaben von Herrn Professor Warnecke. Er legte besonderen Wert auf eine Gewichtung der Fertigungstechniken entsprechend den industriellen Strukturen und prägte den Stil dieses Buches. Ich habe diesen Gedanken fortgesetzt, neuerlich bewertet und ergänzt um die Aspekte der Kreislaufwirtschaft, neuer Verfahren und regenerativer Werkstoffe. Da diese sich zur Zeit noch stark verändern, werden zukünftige Auflagen diesbezüglich noch stärker akzentuiert werden müssen.

5 Vorwort v Ich möchte meinem Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Bernhard Gottwald, besonders danken, der sich um die Überarbeitung dieses Buches maßgeblich verdient gemacht hat. Er unterstützt mich auch bei der Vorlesung "Einführung in die Fertigungslehre" an der Universität Stuttgart durch die Nutzung multimedialer Techniken. Erstmals gelang es, diese Vorlesung vollständig mit modernen Mitteln der Informationsverarbeitung zu halten und die Darstellungen über das Internet allen Studierenden verfügbar zu machen. Unser Ziel ist es, hier auch neue Wege in der Lehre zu beschreiten. Mein Dank gilt ferner den Mitarbeitern des Institutes für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart sowie des Fraunhofer Institutes für Produktionstechnik und Automatisierung, die an der Überarbeitung mitgewirkt haben. Insbesondere möchte ich den Herren Dipl.-Ing. Johann Dorner, Dr.-Ing. Wolfgang Dutschke, Dipl.-Ing. Axel Henning, Dr.-Ing. Dieter Mann, Dipl.-Ing. Dieter Ondratschek, Dipl.-Ing. Tino Silvi, Dr.-Ing. Rolf Steinhilper und Dipl.-Ing. Jens Wieland für ihre fachlichen Beiträge danken. Dem Teubner-Verlag, insbesondere Herrn Dr. rer. nat. Jens Schlembach, danke ich für die gute Zusammenarbeit und die zügige Veröffentlichung dieses Buches. Stuttgart, im November 1997 Engelbert Westkämper

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen zur Fertigungstechnik Produktion als Wertschöpfungsprozeß Strategien der Produktion Elemente des Produktions prozesses Einteilung der Fertigungsverfahren Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von Fertigungsverfahren Technologischer Variantenvergleich Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich Kostenrechnung und Kalkulation Wirtschaftlichkeitsrechnung Beurteilung des wirtschaftlichen Risikos Nutzwertanalyse Qualitätsmerkmale gefertigter Teile Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße Normzahlen und Normmaße Maße und Abmaße Toleranzsysteme Passungsarten und Paßsysteme Passungsauswahl Technische Oberflächen Ordnungssystem für Gestaltabweichungen Form- und Lagetoleranzen Rauheit und Welligkeit von Oberflächen... 43

7 viii Inhaltsverzeichnis 4 Werkstoffe Atomautbau Arten chemischer Bindungen Kristalline und amorphe Festkörper Metallische Werkstoffe Eisenwerkstoffe Nichteisenmetalle Nichtmetallische Werkstoffe Kunststoffe Keramische Werkstoffe Holz Metallbearbeitung Urformen Urformen aus dem flüssigen Zustand Gießen mit verlorenen Formen Gießen mit Dauerformen Urformen aus dem ionisierten Zustand Urformen aus dem festen Zustand Umformen Druckumformen Walzen Gesenkformen Eindrücken Durchdrücken Zugdruckumformen Durchziehen Tiefziehen Drücken Zugumformen Streckziehen Hohlprägen Trennen Zerteilen Einfaches Scherschneiden Sonderverfahren des Scherschneidens

8 Inhaltsverzeichnis IX Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Drehen Bohren, Senken, Reiben Fräsen Räumen Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Schleifen Strahlspanen Abtragen Thermisches Abtragen Abtragen mit Elektronenstrahlen Chemisches Abtragen Elektrochemisches Abtragen Fügen Schweißen Preßschweißen Schmelzschweißen Löten Kleben Beschichten Beschichten aus dem flüssigen Zustand Beschichten aus dem festen Zustand Beschichten aus dem gas- oder darnpfförmigen Zustand Beschichten aus dem ionisierten Zustand Anodische Oxidation Elektrolytische Tauchabscheidung Chemische Tauchabscheidung Stoffeigenschaftändern Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahlwerkstoffen Thermische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen Thermochemische Wärmebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen Wärmebehandlung von Eisen-Gußwerkstoffen Wärmebehandlung von NE-Metallen

9 x Inhaltsverzeichnis 6 Kunststotlbearbeitung Urformen Extrudieren Blasformen Spritzgießen Pressen Schäumen Urformen faserverstärkter Formteile Umformen Trennen Fügen Schweißen Kleben Beschichten Keramikbearbeitung Urformen Trennen Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Schleifen Honen Läppen Thermisches Abtragen Holzbearbeitung Herstellung von Spanplatten Rohstoffe Fertigungsablauf Spanherstellung Spanautbereitung Streuung und Pressung Endfertigung Trennen Grundlagen der Zerspanung von Holz

10 Inhaltsverzeichnis Xl Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Sägen Fräsen Bohren Reinstproduktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente Produktion unter reinen Bedingungen Reinraumtechnik Grundlagen Reinraumklassen Verschiedene Reinraumkonzepte Kontaminationsarten Kontaminationsursachen Grundlagen der Halbleitertechnologie Die Herstellung eines Halbleiterchips Notwendige Prozeßschritte Oxidation Lithographie Ätztechnik Ionenimplantation Diffusion Deposition (Chemical Vapor Deposition) Metallisierung Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) Scheibenreinigung Struktur einer Halbleiterfabrik Reinraumtechnik Medienver- und -entsorgung Stoffkreisläufe Grundlagen Notwendigkeit von Stoffkreisläufen Recycling in den Ingenieurwissenschaften Herausforderungen und Dimensionen der Aufgabe "Stoffkreisläufe" in der Fertigungstechnik

11 xii Inhaltsverzeichnis 10.2 Begriffe und Gliederungen Recyc1ing-Kreislaufarten im Produktlebenszyklus Recyc1ing-Behandlungsprozesse Recyc1ingformen Recycling und Instandhaltung Recyc1ingverfahren für Produkte aus Metallen und Kunststoffen Gemeinsamkeiten von Produktion und "Deproduktion" Produktgestaltung für Stoffkreisläufe Stoffkreisläufe erfordern Innovationen Produktionsabfallvermindernde Produktgestaltung Verwertungsgerechte Produktgestaltung Stoffkreisläufeein Beitrag zum Fernziel nachhaltigen Wirtschaftens Literaturverzeichnis Stich wortverzeichnis