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E-Book

Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

AutorAlexander Sauer, Reinhard Koether
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl492 Seiten
ISBN9783446449909
FormatPDF/ePUB
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis32,99 EUR
Fertigungstechnik - Ein Überblick für Wirtschaftsingenieure in Theorie und Praxis
Die Fertigungstechnik nimmt wesentlichen Einfluss auf Kosten und Qualität eines Produktes und somit auf die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Für den Wirtschaftsingenieur an der Schnittstelle zwischen wirtschaftlicher und technischer Aufgabenplanung ist daher ein fundierter Überblick über die gängigen Fertigungsverfahren unerlässlich.
Im vorliegenden Lehrbuch werden neben den Grundlagen der Fertigungstechnik alle wesentlichen Fertigungsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten) sowie Werkzeugmaschinen mit ihren Steuerungen und Industrieroboter systematisch vorgestellt und die zugehörige Maschinentechnik und Fertigungsautomatisierung beschrieben.
Eine Formelsammlung mit den wichtigsten Berechnungsgrundlagen sowie praxisbezogene Aufgaben mit Lösungen für die Prüfungsvorbereitung ergänzen das Buch. In dieser Auflage wurden die Übungsaufgaben um einen qualitativen Teil ergänzt.
Aktualisierungen in der 5. Auflage:
- Neugestaltung der Kapitel zur Steigerung von Produktivität und Flexibilität, zu Automatisierung und zu Industrierobotern
- Ergänzung um den Aspekt der energieeffizienten Produktion
- eigenes Unterkapitel für den 3D-Druck

Prof. Dr.-Ing. Dipl. Kfm. Alexander Sauer, Institutsleiter IPA und Leiter Institut für Energieeffizienz in der Produktion, Universität Stuttgart. Prof. Sauer ist Erfinder des Energieeffizienz-Index der Industrie, Leiter der Ultraeffizienzfabrik und Sprecher des Kopernikus-Projekts SynErgie, einem der größten wissenschaftlichen Projekte im Rahmen der Energiewende.

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Leseprobe
1Grundlagen
1.1 Aufgaben der Fertigungstechnik

Was ist Fertigungstechnik?

Ziel jedes Unternehmens ist die Herstellung von Waren und Dienstleistungen. Waren werden produziert durch:

  • Verfahrenstechnik: Herstellung formloser Stoffe (Bild 1.1)

  • Energietechnik: Umwandlung und Verteilung von Energie (Bild 1.2)

  • Fertigungstechnik: Herstellung von Werkstücken mit definierter Form und definierten Eigenschaften

 

Bild 1.1 Verfahrenstechnische Anlage zur Herstellung von TDI, eines Vorprodukts von Polyurethan (BASF SE)

 

Bild 1.2 Energietechnik ist eine besonders anlagenintensive Produktion: Maschinenhaus eines Kraftwerks mit Kraft-Wärme-Kopplung (Vattenfall)

Fertigungstechnik betrachtet nur einen Teilaspekt industrieller Fertigung. Zur Fertigung gehören:

  • Logistik: Gestaltung des Materialflusses und des begleitenden Informationsflusses.

  • Personal: Organisation, Qualifikation und Führung der Mitarbeiter.

  • Fertigungstechnik: Auswahl der Fertigungsverfahren und Festlegen der Verfahrensparameter.

Die Industrielle Fertigungstechnik ist eine Ingenieurdisziplin.

  • Durch Berechnungen ist das Fertigungsergebnis

    • prognostizierbar,

    • planbar,

    • optimierbar (im Rahmen der Genauigkeit der zugrundeliegenden Methoden).

  • Für Detailoptimierungen sind ergänzende Versuche nötig.

Die Industrielle Fertigung zeichnet sich aus durch:

  • hohe Kapitalausstattung für

  • große Produkte (z. B. Anlagen),

  • große Stückzahlen (z. B. Konsumgüter),

  • arbeitsteilige Fertigung.

Konsequenzen sind:

  • Notwendigkeit der Planung, deshalb Ingenieurarbeit,

  • Notwendigkeit der Organisation der Arbeitsteilung,

  • Notwendigkeit, die arbeitsteiligen Prozesse durch Materialfluss zu verbinden; die Gestaltung des Materialflusses ist Aufgabe der Logistik.

Bedeutung der Fertigungstechnik

Die fertigungstechnische Industrie (Beispiel: Maschinenbau)

  • erwirtschaftet einen höheren Umsatz je Beschäftigten als das vergleichbare Handwerk, weil ein Industriebetrieb mehr Kapital einsetzt und dadurch höhere Produktivität sichert. Wegen des hohen Kapitaleinsatzes in der chemischen Industrie und der Energietechnik müssen dort die erwirtschafteten Umsätze je Beschäftigten noch höher sein (Bild 1.3).

     

    Bild 1.3 Umsatz je Beschäftigten im Jahr 2013 in beispielhaft ausgewählten Branchen der Produktionstechnik; Daten: (Statistisches Bundesamt, 2015)

  • Sie benötigt eine moderate Kapitalausstattung (Bild 1.4),

    • mehr als Dienstleistungsbetriebe,

    • weniger als verfahrenstechnische und energietechnische Betriebe.

     

    Bild 1.4 Durchschnittliche Investitionen je Arbeitsplatz im Jahr 2012 in beispielhaft ausgewählten Branchen der produktionstechnischen Industrie; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

  • Sie bietet deshalb eine breite Vielfalt von Betriebsgrößen

    • von der Garagenfirma

    • bis zum Weltkonzern wie Siemens oder Daimler.

  • Sie bietet relativ viele Arbeitsplätze: knapp 20 % der Beschäftigten in Deutschland haben ihren Arbeitsplatz im verarbeitenden Gewerbe (Bild 1.5), davon etwa ein Drittel in typischen fertigungstechnischen Betrieben, wie Maschinen- und Fahrzeugbau. Allerdings nimmt der Anteil der Beschäftigten im verarbeitenden Gewerbe ab. Gründe sind:

    • Auslagerung von Dienstleistungen (z. B. EDV-Dienstleistungen) („Unternehmensdienstleistungen“ im Bild 1.5)

    • Verlagerung von Produktion in ausländische Standorte

  • Sie erzeugt zusammen mit anderen Branchen des produzierenden Gewerbes den wesentlichen Beitrag zum Exportüberschuss Deutschlands und ist damit die Grundlage für den Wohlstand einer breiten Bevölkerung (vgl. dazu z. B. [Rürup; Heilmann]).

  • Sie kann ihre Produkte leicht exportieren und steht deshalb im internationalen Wettbewerb (durchschnittliche Steigerung der Arbeitsproduktivität zwischen 2005 und 2014 um 2 % pro Jahr in der Automobilindustrie, 0,3 % pro Jahr im Maschinenbau, Daten: [Statistisches Bundesamt 2016]).

     

    Bild 1.5 Anteil der Erwerbstätigen in Wirtschaftsbereichen in Deutschland im Jahr 2014; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

Im internationalen Vergleich ist in Deutschland der Anteil des produzierenden Gewerbes an der Wirtschaftsleistung (genauer: der Anteil an der Bruttowertschöpfung) hoch (Bild 1.6). In anderen Industrieländern hat die Bedeutung der Produktion gegenüber den Dienstleistungen abgenommen. Nur in den einzelnen Niedriglohnländern Europas und in einigen Schwellenländern ist der Anteil des produzierenden Gewerbes noch höher.

 

Bild 1.6 Anteil des produzierenden Gewerbes an der Brutto-Wertschöpfung einer Volkswirtschaft ‒ ausgewählte Beispiele für Industrieländer, europäische Niedriglohnländer und Schwellenländer (Statistisches Bundesamt, 2015)

Konsequenzen für Wirtschaftsingenieure:

Das Wirtschaftsingenieurstudium qualifiziert nicht vorrangig für typische Dienstleistungsbranchen wie Handel, Gastronomie oder Finanzdienstleistungen; auch im öffentlichen Dienst sind nur wenige Wirtschaftsingenieure beschäftigt.

  • Mit hoher Wahrscheinlichkeit finden Wirtschaftsingenieure ihre spätere Tätigkeit in einem fertigungstechnischen Betrieb

    und/oder

  • Wirtschaftsingenieure pflegen Kunden- und Lieferantenbeziehungen zu einem fertigungstechnischen Betrieb.

Beispielhafte Berufsfelder für Wirtschaftsingenieure, bei denen fertigungstechnisches Wissen vorteilhaft sein kann:

  • Arbeitsvorbereitung, Fertigungsplanung,

  • Qualitätssicherung,

  • Fertigungslogistik,

  • Einkauf,

  • Controlling,

  • Investitionsplanung,

  • Marketing und Verkauf von Investitionsgütern.

1.2 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Die DIN 8580 gliedert die Fertigungsverfahren in 6 Hautgruppen (Bild 1.7):

 

Bild 1.7 Fertigungsverfahren nach DIN 8580

  • Urformen z. B. Gießen (Bild 1.8), Sintern

  • Umformen z. B. Walzen, Schmieden

  • Trennen z. B. Fräsen, Brennschneiden

  • Fügen z. B. Schrauben, Schweißen (Bild 1.9)

  • Beschichten z. B. Lackieren, Galvanisieren

  • Stoffeigenschaften ändern z. B. Härten

     

    Bild 1.8 Urformen, Fertigungsverfahren Gießen: Sandguss mit verlorener Form (Hering)

     

    Bild 1.9 Fügen, Fertigungsverfahren Schweißen: Widerstandspunktschweißen (Hering)

Wegen der breiten Anwendung und der wirtschaftlichen Bedeutung konzentriert sich das vorliegende Buch auf die Metallbearbeitung und deren Maschinen. In den Kapiteln 2 bis...

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Inhalt8
1 Grundlagen14
1.1 Aufgaben der Fertigungstechnik14
1.2 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 858019
1.3Auswahl von Fertigungsverfahren20
1.4 Wesentliche Eigenschaften der Fertigungsverfahren22
2 Urformende Fertigungsverfahren27
2.1Gießen28
2.1.1Stranggießen28
2.1.2Gießen in verlorene Formen29
2.1.3Gießen in Dauerformen36
2.1.4Verfahrensvergleich Sandguss– Kokillenguss40
2.1.5Gießerei42
2.2 Sintern von Metallwerkstoffen44
2.2.1Verfahrensablauf45
2.2.2Vergleich pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren50
2.2.3Vorteile, Nachteile und Anwendungsfelder des Sinterns52
2.33D-Druck54
2.3.13D-Druckverfahren54
2.3.2Verfahrensvergleich 3D-Druckverfahren60
2.3.3Anwendung 3D-Druck62
3 Umformende Fertigungsverfahren65
3.1 Grundlagen des Umformens67
3.2 Massivumformen77
3.2.1Stauchen77
3.2.2Frei- und Gesenkformen79
3.2.3Verfahrensvergleich Gesenkformen– Gießen83
3.2.4Walzen85
3.2.5Eindru?cken91
3.2.6Strangpressen und Fließpressen93
3.2.7Verfahrensvergleich Strangpressen– Walzen98
3.2.8Gleitziehen99
3.2.9Rundkneten102
3.3Blech- und Profilumformen105
3.3.1Biegen105
3.3.2Tiefziehen107
3.3.3Verfahrensvergleich Tiefziehen– Fließpressen112
3.3.4Tiefziehen mit elastischen Werkzeugen und Wirkmedien113
3.3.5Streckziehen115
3.3.6Walzprofilieren, Walzziehen, Walzrichten117
3.3.7Dru?cken119
3.3.8Verfahrensvergleich Dru?cken– Tiefziehen123
3.3.9Innenhochdruck-Umformen (IHU)124
4 Trennende Fertigungsverfahren126
4.1Zerteilen– Spanloses Trennen126
4.1.1Scherschneiden128
4.1.2Feinschneiden130
4.1.3Werkzeuge fu?r Umform- und Schneidvorgänge132
4.2Zerspanungstechnik134
4.2.1Bewegungen und Geometrie am Schneidwerkzeug134
4.2.2Schnitt-, Spanungsgrößen und Spanbildung140
4.2.3 Schnittkraft, Leistungsbedarf und Hauptnutzungszeit145
4.2.4Schneidstoffe und Ku?hlschmierstoffe152
4.2.5Werkzeugverschleiß und Werkstu?ckoberfläche158
4.2.6Standzeit eines Werkzeuges163
4.2.7Optimierung der Zerspanung165
4.2.8Zerspanbarkeit von Werkstoffen168
4.2.9Trends in der spanenden Fertigung168
4.3 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden173
4.3.1Drehen173
4.3.2Bohren, Senken und Reiben177
4.3.3Fräsen183
4.3.4Räumen188
4.3.5Sägen191
4.3.5.1Werkzeuge193
4.3.5.2Maschinen193
4.4 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden194
4.4.1Schleifen196
4.4.2Honen200
4.4.3Läppen202
4.4.4Strahlspanen, Strahlen und Reinigen204
4.4.5Entgraten206
4.5Abtragende Verfahren209
4.5.1Erodieren210
4.5.2Verfahrensvergleich Erodieren– Fräsen214
4.5.3Laserbearbeitung215
4.5.4Verfahrensvergleich Laserbrennschneiden – Nibbeln217
4.5.5Wasserstrahlschneiden219
5 Fu?gende Fertigungsverfahren222
5.1Montage223
5.2Schweißen225
5.2.1Autogenschweißen226
5.2.2Lichtbogenschweißen228
5.2.3Laserstrahlschweißen234
5.2.4Widerstandspressschweißen237
5.2.5Ultraschallschweißen und Reibschweißen242
5.3Löten243
5.3.1Weichlöten245
5.3.2Hartlöten247
5.3.3 Verfahrensvergleich Laserstrahlschweißen – MIG/MAG-Schweißen – Hartlöten250
5.4Kleben253
5.5Fu?gen durch Umformen256
5.5.1Nieten257
5.5.2Clinchen oder Durchsetzfu?gen261
5.5.3Falzen und Bördeln263
5.6 Schrauben265
5.7Klipsen und Einrasten269
6 Beschichten271
6.1PVD- und CVD-Verfahren274
6.2Lackieren und Lacksysteme276
6.3Tauchlackieren278
6.4Spritzlackieren280
6.5Emaillieren286
6.6Thermisches Spritzen288
6.7 Galvanisieren, Oxidieren und elektrolytische Tauchabscheidung292
6.8 Wirbelsintern und elektrostatisches Pulverbeschichten294
6.9Coil Coating297
6.10Prozesstechnische Pkw-Serienlackierung297
7 Werkzeugmaschinen301
7.1Einfu?hrung301
7.2Gestelle303
7.3Schlitten und Tische309
7.4Fu?hrungen309
7.5Lagerungen316
7.6Antriebe319
7.6.1Hauptantriebe320
7.6.2Nebenantriebe324
7.7Getriebe327
7.7.1Translationsgetriebe327
7.7.2Rotationsgetriebe330
7.8Beispiele fu?r Werkzeugmaschinen335
7.8.1Spanende Werkzeugmaschinen336
7.8.2Werkzeugmaschinen fu?r die Umformung und das Zerteilen340
8 Steuerung von Werkzeugmaschinen343
8.1 Aufgaben von Steuerungen in Werkzeugmaschinen343
8.2Numerische Steuerung (NC)345
8.2.1Grundlagen der numerischen Steuerung (NC)345
8.2.2Wegmesssysteme350
8.2.3Koordinatensysteme, Achsen und Nullpunkte352
8.2.4NC-Programmierung360
8.2.5Programmiermethoden362
8.3Logik- und Servosteuerungen369
8.4Konventionelle Programmsteuerungen371
8.4.1Kurvensteuerung371
8.4.2Kopiersteuerungen372
8.5Digitalisieren373
9 Fertigungsautomatisierung und Industrieroboter375
9.1Fertigungsautomatisierung375
9.1.1Einfu?hrung375
9.1.2Begriffe zur Fertigungsautomatisierung378
9.1.3Ziele der Fertigungsautomatisierung379
9.1.4Automatisierungsgrad von Fertigungssystemen381
9.2Aufbau automatisierter Fertigungsanlagen383
9.2.1Systembestandteile383
9.2.2Transportieren, Verketten und Puffern385
9.2.3Sensoren zum Überwachen, Pru?fen und Sichern389
9.3Industrieroboter393
9.3.1Handhabungsmaschinen393
9.3.2Aufbau von Industrieroboteranlagen396
9.3.3Grundbauformen von Industrierobotern397
9.3.4Kenngrößen von Industrierobotern400
9.3.5Greifer- und Wechselsysteme402
9.3.6Peripheriegeräte404
9.3.7Industrierobotersteuerung und -programmierung406
10 Steigerung von Flexibilität und Produktivität411
10.1Zielsetzung411
10.2Verku?rzung der Ru?stzeit411
10.3Verku?rzen der Hauptnutzungszeit414
10.4Verku?rzung der Nebenzeit417
10.4.1Verku?rzung der Werkstu?ckwechselzeit417
10.4.2Verku?rzung der Werkzeugwechselzeit420
10.5Verku?rzung der Durchlaufzeit421
10.6Verlängerung der Maschinennutzung423
11 Energieeffizienz in der Produktion425
11.1Definitionen425
11.2 Volkswirtschaftliche Aspekte425
11.3Technische Umsetzungsbeispiele428
12 Formelsammlung432
12.1Massivumformen432
12.2Blech- und Profilumformen436
12.3Schneiden442
12.4Zerspanungstechnik444
13 Übungsaufgaben451
13.1Spanende Fertigungsverfahren451
13.2Spanlose Fertigungsverfahren460
13.3Werkzeugmaschinen463
14 Kontrollfragen464
14.1Grundlagen464
14.2 Urformende Fertigungsverfahren – Gießen465
14.3Umformende Fertigungsverfahren467
14.4 Spanende Fertigungsverfahren und Zerspanungstechnik469
14.5Fu?gende Fertigungsverfahren472
14.6Beschichten473
14.7Werkzeugmaschinen474
14.8CNC-Steuerung475
14.9Verfahrensvergleiche476
Literatur478
Sachwortverzeichnis482

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