Nahe-Nettform-Fertigung: Ausschuss reduzieren, Zeit sparen, Kosten senken

Wie spart Near-Net-Shape-Fertigung Zeit und Geld?

Metallobjekte werden durch Gießen, Schmieden oder Zerspanen hergestellt – manchmal entsteht dabei Abfall. Near-Net-Shape-Fertigung (nahe Endkontur) zielt darauf ab, ein Teil so nah wie möglich an seiner endgültigen Form herzustellen, um Abfall zu reduzieren, Zeit und Geld zu sparen und die Umweltbelastung durch geringeren Energie- und Ressourcenbedarf zu verringern.

Was ist Near-Net-Shape-Fertigung?

Near-Net-Shape-Fertigung ist die Praxis, den Produktionsprozess so zu planen, dass ein Objekt so nah wie möglich an seiner Endform gefertigt wird, wodurch die Zeit bis zum fertigen Teil verkürzt wird.

Was ist Gießen?

Gießen ist meist der erste Schritt in der Near-Net-Shape-Fertigung. Dabei wird heißes Metall in vorgeformte Formen gegossen, um ein nahe am Endprodukt liegendes Teil zu erzeugen. Die meisten Gießereien nutzen Sandguss. Beim Sandguss formen Sandformen das heiße Metall zu Objekten. Sandguss wurde erstmals um 1300 v. Chr. während der Shang-Dynastie, Chinas frühester Herrscherdynastie, angewendet.

Feinguss (auch Präzisionsguss oder Wachsausschmelzverfahren) erzeugt weniger Abfall als Sandguss und liefert Teile, die näher an der Endkontur sind. Feinguss entstand vor 6000 Jahren und wurde historisch für filigrane Skulpturen und Schmuck genutzt. Obwohl er näher an Near-Net-Shape herankommt als Sandguss, ist Feinguss komplexer und arbeitsintensiver, was je nach Projekt zu höheren Gesamtkosten führen kann.

Was ist Gießschwund?

Das physikalische Prinzip aus der Schule – Wärme dehnt aus, Kälte zieht zusammen – gilt auch für die Metallfertigung. Metall dehnt sich beim Erhitzen aus und zieht sich beim Abkühlen zusammen, ein Prozess namens thermische Ausdehnung.

Die Auswirkungen thermischer Ausdehnung während des Gießprozesses können zu Produktfehlern führen, wie Lunkerporosität durch Gießschwund. Gießereien nutzen Speiser (Riser), Reservoire aus zusätzlicher Schmelze, die in die Form integriert sind, um Schwund zu verringern und Lunker im erstarrenden Guss zu verhindern. Isoliermaterial, sogenanntes „Hot Topping“, hält den Speiser heiß, während das Metall im Guss erstarrt. Speiser müssen vom Endprodukt entfernt werden, was Metallabfall erzeugt.

Schwindzugaben

Metalle reagieren unterschiedlich auf thermische Ausdehnung, abhängig von ihren Elementen und Zusammensetzung, aber Schwund kann auch durch das Gussdesign beeinflusst werden. Dies sind typische Schwindzugaben beim Gießprozess (in %):

Die Metallwahl beeinflusst somit die Near-Net-Shape-Qualität eines Gussteils.

Was ist Zerspanen?

Zerspanen ist der Prozess des Schneidens, Schleifens, Bohrens, Fräsens oder Drehens eines Metallprodukts in seine Endform. Wie beim Steinbildhauen oder Holzschnitzen formt Zerspanen Metall durch Materialabtrag. Near-Net-Shape-Produktion beginnt meist mit Gießen, da das Zerspanen eines Metallteils von Grund auf zu viel Abfall erzeugen würde, um praktikabel zu sein. Zerspanen ist ein wichtiger Fertigstellungsschritt bei Metallprodukten, um das Endprodukt glatt, präzise geformt und einsatzbereit zu machen. Near-Net-Produktion zielt auf möglichst wenig Zerspanen ab.

Was ist Schmieden?

Schmieden formt Metall durch Druckkräfte – Hämmern, Pressen, Walzen. Schmiedeverfahren umfassen Warm- und Kalt Schmieden. Das klassische Bild eines Schmieds, der mit Hammer und Zange ein heißes Hufeisen auf dem Amboss formt, ist das beste Beispiel. Heute erfolgt die meiste Schmiedearbeit industriell mit gewaltigen Pressen. Industrielles Schmieden erfordert Nachbearbeitung durch Zerspanen, aber es wird an Schmiedemaschinen gearbeitet, die formen und ein nahe an der Endfertigung liegendes Teil liefern können, wodurch Zerspanen reduziert oder ganz entfällt. Schmiedeverfahren umfassen Freiformschmieden (Drop, Roll, Press), Gesenkschmieden (offen und geschlossen) und Präzisionsschmieden. Reibschweißen ist eine weitere Schmiedetechnik, die Bewegung und kraftgenerierte Wärme nutzt, um geschmiedete Metallverbindungen herzustellen.

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck ist eine vielversprechende neue Near-Net-Technologie. Industrieller 3D-Druck heißt additive Fertigung (oder additive Schichtfertigung). Additive Fertigung nutzt einen Computer, um das schichtweise Aufbringen von Material präzise zu steuern und ein vorab entworfenes Objekt mit sehr wenig Abfall herzustellen. Materialien werden Schicht für Schicht aufgebracht, um detaillierte Bauteile und Produkte zu erzeugen. Additive Fertigung ist flexibel genug für anpassbare Komponenten und Produkte, einschließlich individueller Hörgeräteteile und maßgeschneiderter Schuhe. Sie spielt eine zunehmende Rolle bei kundenspezifischen und Komponententeilen für Transport, Luft- und Raumfahrt sowie Energiesektor.

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