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Entwicklung und Zukunft der spanenden Fertigungstechnik
Die Zerspanung ist schon sehr alt. Schon in der Steinzeit wurden Schaber, Bohrer und Sägen aus Stein hergestellt, mit denen Felle, Holz und Knochen bearbeitet werden konnten. In Bronze- und Eisenzeit trat die Zerspanung, die Materialtrennung als Fertigungsverfahren in den Hintergrund. Hier wurde vor allem gegossen und umgeformt, wobei das Eisen über lange Zeit nicht gegossen, sondern nur umgeformt werden konnte. Bis zum 14. Jahrhundert wurde Eisenerz in Schachtöfen bei etwa 1300°C reduziert. Die Schlacke floss nach unten ab und übrig blieb das schwammartige Roheisen, dass anschließend in glühendem Zustand gehämmert und damit verdichtet wurde. Das Gießen des Eisens wurde in Europa erst im 14. Jahrhundert durch neu entwickelte Flamm- oder Windöfen möglich, die eine ausreichend hohe Temperatur zum Schmelzen des Eisens erzeugen konnten.
Etwa zu gleichen Zeit wurden Kanonen entwickelt. Sie wurden aus Bronze gegossen, aus Eisen geschmiedet und später auch aus Eisen gegossen. In diesem Zusammenhang wurde nun das erste spanende Verfahren entwickelt, mit dem auch härtere Metalle wie Eisen und Bronze bearbeitet werden konnten. Die Zündkanäle der Kanonen mussten gebohrt werden, und teilweise wurden auch die Rohre ausgebohrt. Dies wurde mit dem speziellen Verfahren des Tiefbohrens erreicht. Der noch heute gebräuchliche englische Name für dieses Verfahren - gun drilling - zeugt noch von der ersten Anwendung dieses Verfahrens.
Eine wesentliche Weiterentwicklung der spanenden Fertigungstechnik war dann 1797 die Entwicklung von Werkzeugmaschinen, die vollständig aus Metall hergestellt wurden. Zusammen mit der Leitspindel und dem Quersupport für die genaue Führung des Werkzeugs ermöglichte die Drehmaschine aus Metall erstmals die Bearbeitung von Eisen und Bronze mit einiger Genauigkeit. Es konnten nun größere Mengen von Maschinenteilen auch maschinell hergestellt werden, nachdem vorher die einzelnen Teile für z.B. Textilmaschinen und Dampfmaschinen im wesentlichen manuell gefertigt wurden. Damit haben die Zerspanung und die spanenden Werkzeugmaschinen einen bedeutenden Anteil an der Industrialisierung.
Der nächste große Entwicklungsschritt in der Fertigungstechnik allgemein war der Austauschbau. Um das Jahr 1850 gelang es Samuel Colt, die Einzelteile seines Revolvers auf Werkzeugmaschinen so genau zu fertigen, dass keine manuelle Nacharbeit beim Montieren mehr nötig war. Aus dem Einpassen (engl. fitting) wurde das Montieren (engl. assembly). Dies wurde möglich durch eine Verbesserung der Genauigkeit der Werkzeugmaschinen. Ein weiterer wichtiger Schritt war die Entwicklung der Numerischen Steuerung in der Mitte des 20. Jahrhundert. Die erste Anwendung numerisch gesteuerter Fräsmaschinen war die Fertigung von aerodynamischen Profilen bei Lockheed.
Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber der konventionellen Zerspanung. Es lassen sich bessere Genauigkeiten, bessere Oberflächen und eine höhere Produktivität erreichen. Im Werkzeug- und Formenbau (z.B. für Presswerkzeuge und Spritzgießformen) kann neben der maschinellen Bearbeitungszeit auch die manuelle Nacharbeit deutlich verkürzt werden. Damit wird auch die Genauigkeit der Bauteile erhöht. Die wichtigsten Anwendungsgebiete der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sind der Werkzeug- und Formenbau, die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Automobilindustrie.
Ein weiterer wichtiger Trend in der Zerspanungstechnik ist das Hartdrehen. Gegenüber dem Schleifen, mit dem schon lange auch gehärtete Stähle bearbeitet werden können, bietet die neuere Technik des Hartdrehens vor allem Vorteile in der Flexibilität und ökologische Vorteile wie z.B. einen geringeren Energiebedarf.
Ökologische und wirtschaftliche Aspekte waren auch die Gründe für die Entwicklung der Trockenbearbeitung. Hier wird im Wesentlichen die sonst übliche Kühlschmierung des Bearbeitungsprozesses (mit mehreren hundert Litern Flüssigkeit pro Stunde) weggelassen. Die durch die fehlende Kühlung und Schmierung zunächst entstehenden Probleme bei der Zerspanung kann man durch verschiedene Maßnahmen an Werkzeugen, Werkzeugmaschinen und an der Prozessfolge in vielen Fällen lösen. In der Regel ist aber eine genaue Betrachtung des einzelnen Werkstücks und eine Optimierung des Bearbeitungsprozesses nötig. Ergebnis der "Trockenlegung" sind häufig die Senkung der Herstellkosten und geringere Belastungen für Umwelt und Mitarbeiter.
Auf der Seite der Werkzeugmaschinen selbst sollen hier zwei wichtige Trends angesprochen werden. Durch Linearmotoren, die sozusagen durch eine Abwicklung von normalen Elektromotoren entstehen, können Werkzeugmaschinen deutlich schneller und genauer gemacht werden. Gegenüber schnellen Maschinen mit konventionellen Vorschubantrieben kann damit die Bearbeitungszeit deutlich reduziert werden (in besonderen Fällen bis zu 50%).
Durch Parallelkinematiken können Werkzeugmaschinen (theoretisch) kostengünstig, leicht und trotzdem sehr steif gebaut werden. Bei herkömmlichen Maschinen werden die Vorschubachsen seriell, d.h. hinter- oder aufeinander jeweils um 90° verdreht aufgebaut, um das Werkzeug in allen drei Raumrichtungen bewegen zu können. Bei der Parallelkinematik sind alle Achsen direkt am Maschinengestell und an der Werkzeugspindel befestigt. Sie müssen mit einer aufwändigen Steuerung gesteuert werden, auch für einfache, geradlinige Bewegungen. Nachteilig ist neben der aufwendigen Steuerung unter anderem der große Bauraum der Maschinen. Hybride Kinematiken - d.h. eine Mischung aus paralleler und serieller Kinematik - können Vorteile von beiden Systemen vereinen und haben eventuell größere Marktchancen als die reinen Parallelkinematiken.
Kontakt:
Prof. Dr. Eckehard Kalhöfer
eckehard.kalhöfer@fh-aalen.de
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Maschinenbau
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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