Einführung in die Fertigungstechnik

313 Pages·2010·190.024 MB·German

by  Engelbert Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke (auth.)

Engelbert Westkämper I Hans-Jürgen Warnecke
Einführung in die Fertigungstechnik
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
www.viewegteubner.de _________________- --'
I
Engelbert Westkämper 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
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. mult. Dr. h. c. mult. Dr.-Ing. E. h. Hans-Jürgen Warnecke
Geb. 1934 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 &amp; Heidecke, Braunschweig. Von 1971-1993 ordentlicher Profes
sor an der Universität Stuttgart als Leiter des Lehrstuhls für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb
(IFF) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Von 1993-2002
Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, München.
Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper
Geb. 1946 in Schloss Neuhaus. Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen, 1977 Promotion zum
Dr.-Ing. am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL). Von 1988-1995 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. 1981 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. 1979 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 1990
8., 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.
www.viewegteubner.de
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 978-3-8348-0835-6
v
Vorwort
Die Fertigungstechnik beschäftigt sich mit Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung mate
rieller 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 wirt
schaftliche Herstellung bereits in frühen Phasen der Produktentstehung durch eine Berücksich
tigung 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 Opti
mierung 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 Produk
tion. In der Zukunft können die Potentiale der Technologien besser genutzt, die natiirlichen
Ressourcen geschont und Harmonie mit der Umwelt durch innovative Verfahren erreicht wer
den. 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 An
forderungen der Produkte, den fertigungstechnischen Möglichkeiten, aber auch aus den Quali
tätsanforderungen der jeweiligen Kunden und Märkte ab. Es ist deshalb notwendig, Toleranz
systeme in die Fertigungslehre zu integrieren.
Das vorliegende Buch wendet sich an die Studierenden der ingenieurwissenschaftlichen Fach
richtungen und der technisch orientierten Betriebswirtschaften von Universitäten und Fach
hochschulen, 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 Werkstoff- und Bauteileigenschaften und den Verfahren einerseits und den Maschi
nen und Anlagen andererseits suchen, sei ergänzend die Literatur der einzelnen Fachgebiete
der Fertigungstechnik empfohlen.
VI
Wie auch den bisherigen Auflagen dieses Buches liegt der Gliederung dieser aktualisierten
8. Auflage die DIN 8580 zugrunde. Eine systematische und leicht verständliche Darstellungs
weise mit zahlreichen Abbildungen und grundsätzlichen Wirkprinzipien führt die Studierenden
schnell in die Fertigungslehre ein. Am Beispiel der metallischen Werkstoffe werden die Ferti
gungsverfahren erläutert. Zusätzlich behandelt dss Buch Verfahren zur Bearbeitung von
Kunststoffen, Keramiken, nachwachsender Rohstoffe sowie die Besonderheiten der Reinst
produktion am Beispiel elektronischer Halbleiterbauelemente. Um den Kreis der ganzheitli
chen 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 Dinkel
mann, 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
Inhaltsverzeichnis VII
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen zur Fertigungstechnik ....................................................................... 1
1.1 Produktion als We rtschöpfungsprozess ....................................................................... 1
1.2 Strategien der Produktion ............................................................................................ 2
1.3 Elemente des Produktionsprozesses ............................................................................ 2
1.4 Produktlebenszyklusmanagement ............................................................................... 4
1.5 Einteilung der Fertigungsverfahren ............................................................................. 6
1.6 Grundlagen zur Lasertechnik ...................................................................................... 9
2 Qualitätsmerkmale gefertigter Teile ................................................................... 12
2.1 Grundlagen und Normen ........................................................................................... 13
2.1.1 Geometrische Produktspezifikation ............................................................. 13
2.2 Maße, Toleranzen und Passungen für Längenmaße .................................................. 15
2.2.1 Maße und Abmaße ....................................................................................... 15
2.2.2 Toleranzsysteme ........................................................................................... 16
2.2.3 Passungsarten und Passsysteme ................................................................... 19
2.2.4 Passungsauswahl .......................................................................................... 20
2.3 Technische Oberflächen ............................................................................................ 22
2.3.1 Ordnungssystem für GestaItabweichungen .................................................. 22
2.3.2 Form-und Lagetoleranzen ........................................................................... 22
2.3.3 Rauheit und Welligkeit von Oberflächen ..................................................... 25
2.4 Prüfungen und Prüfmittel .......................................................................................... 28
2.4.1 Nachweis der Übereinstimmung .................................................................. 28
2.4.2 Lehren, Mesazeuge und Messgeräte ............................................................. 29
2.4.3 Koordinatenmessgeräte ................................................................................ 30
2.4.4 Sichtprüfungen ............................................................................................. 31
2.4.5 Prüfplanung .................................................................................................. 32
2.4.6 Prüfmittelüberwachung ................................................................................ 33
2.5 Qualitätsmanagement... ............................................................................................. 36
2.5.1 Qualitätsmanagementsysteme ...................................................................... 36
2.5.2 Qualitätsregelkreise ...................................................................................... 37
VIII Inhaltsverzeichnis
3 WirtschaftIichkeitsbetrachtungen bei der Auswahl von
Fertigungsverfahren ................................................................................................. .40
3.1 Technologischer V ariantenvergleich ......................................................................... 41
3.2 Bewertungsmethoden beim Variantenvergleich ........................................................ 42
3.2.1 Kostenrechnung und Ka1kulation ................................................................. 42
3.2.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung ........................................................................ .45
4 Werkstoffe .................................................................................................................... .49
4.1 Metallische Werkstoffe ............................................................................................. 49
4.1.1 Eisenwerkstoffe ............................................................................................ 51
4.1.2 Nichteisenmetalle ......................................................................................... 52
4.2 Nichtmetallische Werkstoffe ..................................................................................... 57
4.2.1 Kunststoffe ................................................................................................... 57
4.2.2 Keramische Werkstoffe ................................................................................ 63
4.2.3 Verbundwerkstoffe ....................................................................................... 66
4.2.4 Nachwachsende Rohstoffe ........................................................................... 69
5 Fertigungsverfahren am Beispiel metallischer Werkstoffe ....................... 78
5.1 Urformen ................................................................................................................... 78
5.1.1 Urformen aus dem flüssigen Zustand ........................................................... 78
5.1.2 Urformen aus dem ionisierten Zustand ........................................................ 92
5.1.3 Urformen aus dem körnigen oder pulverIormigen Zustand ......................... 93
5.2 Umformen ................................................................................................................. 97
5.2.1 Druckumformen ........................................................................................... 98
5.2.2 Zugdruckumformen .................................................................................... 109
5.2.3 Zugumformen ............................................................................................. 114
5.3 Trennen ................................................................................................................... 115
5.3.1 Zerteilen ..................................................................................................... 116
5.3.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ........................................ 120
5.3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden .................................... 133
5.3.4 Abtragen ..................................................................................................... 141
5.4 Fügen ....................................................................................................................... 147
5.4.1 Schweißen .................................................................................................. 148
5.4.2 Löten .......................................................................................................... 161
5.4.3 Umformtechnisches Fügen ......................................................................... 163
Inhaltsverzeichrris IX
5.4.4 Kleben ........................................................................................................ 168
5.4.5 Schrauben und Schraubenverbindungen .................................................... 169
5.5 Beschichten ............................................................................................................. 172
5.5.1 Beanspruchungsarten und Eigenschaften techrrischer Oberflächen ........... 173
5.5.2 Lage der Beschichtung in der Wertschöpfungskette .................................. 174
5.5.3 Vorbehandlung ........................................................................................... 177
5.5.4 Einteilung ................................................................................................... 180
5.6 Stoffe igenschaft ändern ........................................................................................... 202
5.6.1 Grundlagen der Wännebehandlung von Stahlwerkstoffen ........................ 203
5.6.2 Thermische Wännebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen .............. 204
5.6.3 Thennochemische Wännebehandlungsverfahren von Stahlwerkstoffen ... 209
5.6.4 Wännebehandlung von Eisen-Gusswerkstoffen ........................................ 210
5.6.5 Wännebehandlung von NE-Metallen ......................................................... 211
6 Bearbeitung von Kunststoffen ............................................................................. 212
6.1 Urfonnen ................................................................................................................. 213
6.1.1 Extrudieren ................................................................................................. 213
6.1.2 B1asfonnen ................................................................................................. 217
6.1.3 Spritzgießen ............................................................................................... 218
6.1.4 Pressen ....................................................................................................... 219
6.1.5 Schäumen ................................................................................................... 219
6.1.6 Stereolithographie ...................................................................................... 220
6.1.7 Urfonnen faserverstärkter Fonnteile .......................................................... 221
6.2 Urnfonnen ............................................................................................................... 223
6.3 Trennen ................................................................................................................... 224
6.4 Fügen ....................................................................................................................... 225
6.4.1 Schweißen .................................................................................................. 225
6.4.2 Kleben ........................................................................................................ 227
6.5 Beschichten ............................................................................................................. 228
7 Besonderheiten der Keramikbearbeitung ...................................................... 229
7.1 Urfonnen ................................................................................................................. 229
7.2 Trennen ................................................................................................................... 235
7.2.1 Spanen mit geometrisch unbestinnnten Schneiden .................................... 236
7.2.2 Thermisches Abtragen ............................................................................... 237
x
Inhaltsverzeichnis
8 Bearbeitung nachwachsender Rohstoffe ......................................................... 238
8.1 Herstellung von Spanplatten ................................................................................... 238
8.1.1 Rohstoffe .................................................................................................... 238
8.1.2 Fertigungsprozess ....................................................................................... 239
8.2 Holzbearbeitung ...................................................................................................... 242
8.2.1 Grundlagen der Zerspanung von Holz ....................................................... 242
8.2.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ........................................ 244
9 Reinstproduktion am Beispiel elektronischer
Halbleiterbauelemente ............................................................................................ 248
9.1 Produktion unter reinen Bedingungen. .................................................................... 248
9.2 Reinraumtechnik ..................................................................................................... 248
9.2.1 Grundlagen ................................................................................................. 248
9.2.2 Reinraumklassen ........................................................................................ 249
9.2.3 Verschiedene Reinraumkonzepte ............................................................... 250
9.2.4 Kontaminationsarten .................................................................................. 251
9.3 Grundlagen der Halbleitertechnologie .................................................................... 252
9.3.1 Halbleiter-Diode ......................................................................................... 252
9.3.2 Feldeffekt-Transistor .................................................................................. 253
9.4 Herstellung eines Halbleiterchips ............................................................................ 254
9.4.1 Notwendige Prozessschritte ....................................................................... 254
9.4.2 3D-Chip-Technologie ................................................................................ 261
10 Rapid Prototyping .................................................................................................... 262
10.1 Prinzip und Prozesskette des Rapid Prototyping ..................................................... 262
10.2 Industriell eingesetzte Verfahren des Rapid Prototyping ........................................ 265
10.3 Folgetechnologien Rapid Tooling und Rapid Manufactoring ................................. 265
11 Recycling ...................................................................................................................... 267
11.1 Recycling in den Ingenieurwissenschaften ............................................................. 267
11.1.1 Motivation für Recycling ........................................................................... 267
11.2 Begriffe und Gliederungen ...................................................................................... 268
11.2.1 Recycling-Kreislaufarten im Produktlebenszyklus .................................... 268
11.2.2 Recycling-Behandlungsprozesse ................................................................ 272
11.2.3 Recyclingformen ........................................................................................ 272