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Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Laserschneiden
Laserschneiden von Rohren
Roboterschweißen
Blech biegen-kanten
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Laserschneiden
Laserschneiden von Rohren
Roboterschweißen
Blech biegen-kanten
Am Anfang steht ein digitales Modell. Am Ende ein physisches Bauteil, das in einer Maschine, einem Fahrzeug, einem Gerät oder einer ganzen Konstruktion verbaut werden kann. Zwischen diesen beiden Punkten liegt die Welt der modernen Metallbearbeitung, in der ein Laserstrahl Stahl durchtrennt, eine computergesteuerte Presse dem Blech die gewünschte Geometrie verleiht und ein Roboter Schweißnähte entlang einer programmierten Bahn ausführt.
Noch vor einigen Jahrzehnten erforderten viele dieser Prozesse einen enormen Anteil manueller Arbeit. Heute gleicht die Produktion immer mehr einem Zusammenspiel von Mensch, Maschine und Software.
Werfen wir einen Blick auf einige Technologien und Phänomene, die zeigen, wie faszinierend die moderne Metallbearbeitung sein kann.
Modernes Laserschneiden beginnt nicht erst in dem Moment, in dem der Laserstrahl eingeschaltet wird. Der Prozess setzt wesentlich früher ein – am Computer.
Zunächst entsteht der Entwurf des Bauteils. Anschließend müssen die Fertigung geplant, die entsprechenden Parameter festgelegt und die einzelnen Teile optimal auf dem Blech angeordnet werden.
In der Serienproduktion kann die Anordnung der Bauteile eine enorme wirtschaftliche Bedeutung haben. Schon eine um wenige Prozent bessere Materialausnutzung kann, multipliziert mit Hunderten oder Tausenden von Blechtafeln, einen spürbaren Unterschied beim Materialverbrauch ausmachen.
Deshalb gehört das Nesting heute zu den wichtigen Elementen der Produktionsvorbereitung.
Laserschneiden wird häufig einfach als „Schneiden“ bezeichnet, doch physikalisch betrachtet unterscheidet sich dieser Prozess grundlegend vom Durchtrennen eines Materials mit einer Klinge.
Die Energie des Laserstrahls wird auf eine sehr kleine Fläche konzentriert. Das Material wird stark erhitzt und anschließend geschmolzen oder verdampft. Ein Prozessgas hilft dabei, das geschmolzene Material aus der Schnittfuge zu entfernen.
Dabei gibt es keinen klassischen mechanischen Kontakt zwischen einer Schneide und dem bearbeiteten Werkstück.
Dies ist einer der Gründe, warum sich mit der Lasertechnologie komplexe Konturen, kleine Bohrungen und wiederholgenaue Bauteile herstellen lassen.
Über viele Jahre spielten CO₂-Laser eine wichtige Rolle in der Industrie. Die Entwicklung von Faserlaserquellen – sogenannten Fiber-Lasern – eröffnete jedoch völlig neue Möglichkeiten.
Hohe Energieeffizienz, hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei dünnen und mittleren Blechen sowie die Möglichkeit, unterschiedliche Metalle zu bearbeiten, haben dazu geführt, dass Faserlaser in vielen modernen Produktionsbetrieben zum Standard geworden sind.
Pro Metal Form nutzt Lasertechnologie unter anderem für die Bearbeitung von Blechen sowie Rohren und Profilen. Dadurch können Bauteile vorbereitet werden, die anschließend weitere Fertigungsschritte durchlaufen – etwa Biegen, Schweißen oder CNC-Bearbeitung.
Und genau hier beginnt das nächste interessante Kapitel.
Ein flaches Stück Blech kann zunächst unscheinbar wirken. Erst durch entsprechend geplante Biegungen wird daraus ein räumliches Konstruktionselement.
Ein Gerätegehäuse, eine Halterung, ein Rahmenelement, ein Paneel oder ein Maschinenteil können aus einer einzigen Blechtafel entstehen, die zunächst zugeschnitten und anschließend präzise geformt wird.
Genau deshalb erfordert die Konstruktion von Blechteilen vorausschauendes Denken.
Man muss nicht nur wissen, welche Form das fertige Bauteil haben soll, sondern auch ob und auf welche Weise es überhaupt hergestellt werden kann.
Eines der charakteristischsten Phänomene beim Biegen ist die Rückfederung.
Nach der Entlastung bewegt sich das Material teilweise in Richtung seiner ursprünglichen Geometrie zurück. Das Ausmaß dieses Effekts hängt unter anderem von der Werkstoffart, der Materialstärke, dem Biegeradius und den Prozessparametern ab.
Das bedeutet, dass für einen bestimmten gewünschten Winkel manchmal zunächst etwas stärker gebogen werden muss.
Moderne CNC-Steuerungen und die Erfahrung der Technologen ermöglichen es, dieses Verhalten bereits bei der Prozessvorbereitung zu berücksichtigen.
Die Maschine führt also nicht lediglich eine einfache Auf-und-ab-Bewegung aus. Hinter einer scheinbar simplen Operation steckt Mathematik, die das Verhalten des Materials beschreibt.
Nehmen wir an, ein Bauteil erfordert sechs Biegungen. Können diese in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden?
Nicht unbedingt.
Bereits nach der ersten oder zweiten Biegung kann die Geometrie des Werkstücks die Positionierung für den nächsten Arbeitsschritt erschweren. Ein Teil des Bauteils kann mit dem Werkzeug, dem Pressbalken oder einem anderen Maschinenteil kollidieren.
Deshalb muss bei komplexen Bauteilen die Reihenfolge der einzelnen Biegevorgänge sorgfältig geplant werden.
Moderne Software ermöglicht es, den Prozess zu simulieren und mögliche Kollisionen bereits vor der Herstellung des ersten Bauteils zu erkennen. Ein Teil der Produktion wird damit in die virtuelle Welt verlagert.
Zunächst lässt sich am Bildschirm überprüfen, ob die geplante Lösung funktioniert. Erst danach wird reales Material eingesetzt.
Wenn die vorbereiteten Bauteile zu einer größeren Konstruktion verbunden werden sollen, kann einer der nächsten Fertigungsschritte das Schweißen sein.
Insbesondere bei wiederkehrenden Produktionsprozessen bietet die Robotisierung große Möglichkeiten.
Ein Industrieroboter kann eine vorgegebene Bewegungsbahn immer wieder abfahren und dabei die programmierten Parameter einhalten. Bei einem entsprechend vorbereiteten Prozess ermöglicht dies eine hohe Wiederholgenauigkeit der einzelnen Arbeitszyklen.
Dies ist besonders bei größeren Serien von Bedeutung.
Soll eine einzelne Konstruktion gefertigt werden, kann die Flexibilität eines erfahrenen Schweißers von unschätzbarem Wert sein. Werden jedoch Hunderte oder Tausende identischer Konstruktionen hergestellt, wird die Fähigkeit, dieselbe Bewegung präzise zu wiederholen, zu einem entscheidenden Vorteil der Automatisierung.
Robotisierung kann ein schlecht konstruiertes Bauteil nicht korrigieren.
Wenn die einzelnen Teile nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, der Zugang zur Schweißnaht erschwert ist oder die Konstruktion eine sehr komplizierte Positionierung erfordert, kann die Automatisierung erheblich schwieriger werden.
Deshalb gewinnt die fertigungsgerechte Konstruktion – Design for Manufacturing – zunehmend an Bedeutung.
Ein guter Entwurf berücksichtigt nicht nur die Funktion des fertigen Produkts, sondern auch die Art und Weise seiner Herstellung.
Lässt sich das Bauteil problemlos ausschneiden?
Kann es ohne Kollisionen gebogen werden?
Hat das Schweißgerät oder der Roboter ausreichenden Zugang?
Kann die Konstruktion stabil eingespannt werden?
Die Antworten auf diese Fragen können die Produktionskosten ebenso stark beeinflussen wie der Preis des Materials selbst.
Nicht jedes Bauteil lässt sich ausschließlich durch Schneiden und Biegen herstellen. Teile, die präzise Bohrungen, Oberflächen, Gewinde, Nuten oder komplexe räumliche Geometrien benötigen, können einer spanenden CNC-Bearbeitung unterzogen werden.
Hier trifft das Metall im wahrsten Sinne des Wortes auf das Werkzeug.
Ein Fräser oder Drehmeißel trägt nach und nach Material ab, bis die gewünschte Geometrie erreicht ist.
Die Computersteuerung ermöglicht eine präzise Kontrolle der Werkzeugbahn, der Bewegungsgeschwindigkeit und weiterer Prozessparameter.
Im Alltag erscheint ein Millimeter als sehr kleine Einheit. In der Technik kann er enorm groß sein.
Maschinenelemente müssen exakt miteinander zusammenarbeiten. Eine Welle muss zum Lager passen, Montagebohrungen müssen sich an der richtigen Position befinden und die Oberflächen zusammenwirkender Bauteile müssen definierte Toleranzen einhalten.
Deshalb besteht moderne Produktion nicht nur darin, ein Bauteil herzustellen, das „so aussieht wie auf der Zeichnung“.
Entscheidend ist auch, ob seine tatsächlichen Abmessungen innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs liegen.
Der Kunde sieht häufig nur das fertige Produkt. Eine der wichtigsten Eigenschaften des Produktionsprozesses bleibt daher unsichtbar.
Es ist die Wiederholgenauigkeit.
Ein einziges korrektes Bauteil herzustellen, kann vergleichsweise einfach sein. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, das hundertste, tausendste oder zehntausendste Bauteil so zu fertigen, dass es weiterhin sämtliche Anforderungen erfüllt.
Deshalb sind CNC-Steuerung, Automatisierung, geeignete Vorrichtungen und eine konsequente Prozesskontrolle von so großer Bedeutung.
Bei der Metallbearbeitung spielt Temperatur nahezu überall eine Rolle.
Beim Laserschneiden ist Wärme erforderlich, um das Material zu trennen. Beim Schweißen ermöglicht sie die Herstellung einer dauerhaften Verbindung. Bei der spanenden Bearbeitung entsteht Wärme durch Reibung und Materialverformung.
Gleichzeitig kann übermäßige oder ungünstig verteilte Wärme zu Verformungen und Veränderungen der Materialeigenschaften führen.
Moderne Technologie bedeutet daher nicht einfach, möglichst viel Energie einzusetzen. Entscheidend ist vielmehr, diese Energie zu kontrollieren – am richtigen Ort, zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge.
Die Materialbearbeitung steckt voller Phänomene, die auf den ersten Blick unserer Intuition zu widersprechen scheinen.
Ein Wasserstrahl mit zugesetztem Abrasivmittel kann unter extrem hohem Druck selbst dicken Stahl durchtrennen.
Formgedächtnislegierungen können nach einer Verformung unter dem Einfluss einer Temperaturänderung in eine zuvor programmierte Geometrie zurückkehren.
Ultraschall kann die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien unterstützen.
Flüssiger Stickstoff kann bei bestimmten technologischen Prozessen zur intensiven Kühlung eingesetzt werden.
Je weiter sich die Werkstofftechnik entwickelt, desto deutlicher wird, dass die Möglichkeiten von Metallen weit über das hinausgehen, was unsere alltägliche Erfahrung vermuten lässt.
Über Jahrhunderte war das Grundprinzip der Bearbeitung relativ einfach: Man nimmt ein größeres Stück Material und entfernt Teile davon oder verändert seine Form.
Additive Fertigungsverfahren kehren diese Logik um.
Ein Metallbauteil kann auf Grundlage eines digitalen Modells Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dadurch lassen sich Geometrien herstellen, die mit traditionellen Verfahren nur äußerst schwierig zu realisieren wären.
Bedeutet das, dass der 3D-Druck Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Laser und Pressen ersetzen wird?
Wesentlich wahrscheinlicher ist ein anderes Szenario: Die verschiedenen Technologien werden sich gegenseitig ergänzen.
Ein Bauteil kann additiv gefertigt und anschließend präzise CNC-bearbeitet werden. Eine lasergeschnittene Konstruktion kann gebogen und verschweißt werden. Ein einziges Produkt kann mehrere völlig unterschiedliche Fertigungsprozesse durchlaufen.
Eine der wichtigsten Veränderungen in der Industrie ist heute die Vernetzung von Maschinen mit IT-Systemen.
Maschinen können Daten über ihren Betrieb, den Energieverbrauch, die Zykluszeiten oder auftretende Fehler liefern. Diese Informationen lassen sich analysieren, um die Produktion zu optimieren und Wartungsarbeiten besser zu planen.
In Zukunft werden auch Algorithmen eine immer größere Rolle spielen, die bei der Auswahl von Parametern und der Analyse von Prozessdaten unterstützen.
Eine Fabrik ist damit nicht länger nur eine Ansammlung von Maschinen. Sie wird zu einer Umgebung, in der der Informationsfluss ebenso wichtig ist wie der Materialfluss.
Automatisierung kann den Eindruck erwecken, dass sich die moderne Produktion in Richtung einer vollständigen Verdrängung des Menschen entwickelt.
In der Praxis verändert sich jedoch vor allem seine Rolle.
Jemand muss das Bauteil konstruieren, die Fertigungstechnologie entwickeln, Werkzeuge auswählen, das Programm vorbereiten, die Qualität beurteilen, ungewöhnliche Probleme lösen und entscheiden, welches Fertigungsverfahren am sinnvollsten ist.
Eine Maschine kann eine Bewegung mit enormer Wiederholgenauigkeit ausführen. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie den Zweck des gesamten Prozesses selbst versteht.
Deshalb ist moderne Metallbearbeitung vor allem eine Verbindung der Möglichkeiten von Maschinen mit dem Wissen und der Erfahrung von Menschen.
Das Faszinierendste an der Metallbearbeitung ist nicht ein einzelner Laser, Roboter oder eine CNC-Werkzeugmaschine. Es ist der gesamte Prozess.
Eine Blechtafel kann in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten zugeschnitten, geformt, mechanisch bearbeitet und mit anderen Bauteilen verbunden werden. Mit jedem einzelnen Schritt nähert sich ihre Geometrie immer mehr dem an, was zuvor lediglich als digitales Modell existierte.
Genau hier treffen Technologie und Ingenieurskunst aufeinander.
Moderne Metallbearbeitung bedeutet längst nicht mehr nur, einem Werkstoff die gewünschte Form zu verleihen. Sie ist die Kunst, den gesamten Prozess so zu planen, dass die geforderte Qualität, Wiederholgenauigkeit und Effizienz erreicht werden.
Und da sich Laser, Automatisierung, Robotik, CNC-Systeme, Software und neue Werkstoffe kontinuierlich weiterentwickeln, verschieben sich auch die Grenzen dessen, was sich aus Metall herstellen lässt, immer weiter.