Metallherstellungsprozess

Der Prozess der Umwandlung von Rohstoffen wie Erzen und Legierungen in nützliche Metallprodukte wird als Metallherstellungsprozess bezeichnet. Es gibt verschiedene Metallherstellungsverfahren, wie Gießen, Schmieden, Pulvermetallurgie und CNC-Bearbeitung.

Diese Verfahren gehören zur Kategorie der Massenmetallfertigungsverfahren, mit denen die gewünschten Metallkomponenten hergestellt werden können. Jede Methode bietet je nach Materialart, gewünschter Form, Präzision und Produktionsumfang einzigartige Vorteile. Mithilfe dieser Verfahren können wir einfache Bleche bis hin zu komplexen Metallkomponenten für verschiedene Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie oder den Maschinenbau herstellen.

Casting

Das Metallgussverfahren gilt als eine der ältesten Methoden zur Herstellung von Metallbauteilen. Bei dieser Technik wird zunächst eine Form entsprechend dem gewünschten Bauteil entworfen. Anschließend wird das geschmolzene Metall in diese Form gegossen, die beim Abkühlen erstarrt. Die Bauteile werden nach dem Abkühlen aus der Form entnommen und anschließend weiterverarbeitet, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Sandguss

Bei diesem Gussverfahren werden Sandformen verwendet, in die geschmolzenes Metall gegossen wird, um es in das gewünschte Bauteil umzuwandeln. Diese Art des Gusses gilt als universell einsetzbar für die Herstellung von großen Motoren, Statuen und anderen Kunstwerken.

Feinguss

Ein solches Gussverfahren wird auch als Wachsausschmelzverfahren bezeichnet. Bei dieser Technik wird eine Wachsform hergestellt, die anschließend mit Keramik umhüllt wird. Nach dem Erstarren der Keramik wird das Wachs weggeschmolzen und eine Form für die gewünschten Komponenten hergestellt, in die geschmolzenes Metall gegossen wird. Diese Gussart wird für hochpräzise und genaue Bauteile verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Turbinenschaufeln in der Energieerzeugungsindustrie.

Vorteile des Gießens	Einschränkungen beim Casting
Vielseitigkeit bei komplexen Formen und Designs	Gasporosität durch eingeschlossene Gase
Kostengünstig für große Produktionsläufe	Kann Schrumpfungsfehler aufgrund schlechter Materialzufuhr aufweisen
Kompatibel mit vielen Materialien (Metalle, Kunststoffe, Keramik)	Formmaterialfehler durch Erosion oder Druck
Hohe Festigkeit und mechanische Zuverlässigkeit	Gießfehler wie Kaltverguss und Fehlläufe
Präzision und minimaler Abfall durch wiederverwendbares Material	Metallurgische Defekte wie Heißrisse

Schmieden

Schmieden ist ein Verfahren, bei dem Metall durch Druck, entweder mit hydraulischen oder mechanischen Pressen, verstärkt und in die gewünschten Komponenten geformt wird. Schmieden wird in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Öl- und Gasindustrie eingesetzt und produziert Komponenten wie Hochdruckventile, Kurbelwellen, Kugelgelenke, Zahnräder und Nocken.

Auf der Grundlage der Temperatur, bei der das Metall geschmiedet wird, wird es in zwei Typen unterteilt:

Warmumformung

Dabei wird das Metall oder seine Legierungen auf das 0.3- bis 0.4-fache seiner Schmelztemperatur erhitzt und anschließend Kräfte angewendet, um das gewünschte Bauteil zu erhalten. Beispielsweise werden 7000er Aluminiumlegierungen bei 400–440 °C geschmiedet, während 2000er Aluminiumlegierungen bei 425–460 °C geschmiedet werden. Diese Art des Schmiedens erfordert weniger Kraft, und Metalle lassen sich im heißen Zustand leicht verdichten. Allerdings führt dies möglicherweise nicht zum gewünschten Ergebnis und erfordert daher einen zusätzlichen Veredelungsprozess. Diese Methode wird häufig zur Herstellung von Komponenten in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Kaltes Schmieden

Das Schmieden von Metall bei Raumtemperatur wird als Kaltschmieden bezeichnet, da das Metall nicht auf erhöhte Temperaturen erhitzt wird. Um die gewünschte Form zu erhalten, ist mehr Kraft erforderlich. Kaltschmieden bietet eine hohe Maßgenauigkeit, kann jedoch aufgrund der geringen Elastizität zu Rissen in den Bauteilen führen.

Vorteile des Schmiedens	Einschränkungen des Schmiedens
Produziert Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher Festigkeit	Für optimale Eigenschaften ist möglicherweise eine teure Wärmebehandlung erforderlich
Beseitigt innere Hohlräume und Porosität und erhöht so die Zuverlässigkeit	Komplexe Geometrien sind schwer zu erreichen
Minimaler Abfall durch endkonturnahe Formgebung	Die anfänglichen Werkzeug- und Matrizenkosten können hoch sein

Pulvermetallurgie (PM)

Die Pulvermetallurgie-Prozess gilt als umweltfreundliches Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulver als Rohstoffe verwendet, durch Matrizenpressen geformt und anschließend gesintert werden, um die endgültigen Komponenten zu erhalten. Dabei wird Metallpulver zunächst in die nahezu fertige Form des gewünschten Bauteils gepresst und anschließend gesintert. Die durch PM hergestellten Komponenten verfügen über hervorragende mechanische Eigenschaften. Diese Technik wird zur Herstellung von Komponenten für verschiedene Branchen eingesetzt, die hohe Präzision und hohe mechanische Festigkeit erfordern, wie beispielsweise die Automobilindustrie und den Maschinenbau.

Pressen und Sintern

Dies ist das gängigste und konventionellste Verfahren der Pulvermetallurgie. Dabei werden Metallpulver unter hohem Druck in einer Form verdichtet und anschließend in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre gesintert. Dieses Verfahren wird häufig zur Herstellung von Zahnrädern, Lagern und Bauteilen mit einheitlichen Abmessungen eingesetzt.

Metallspritzguss (MIM)

In MetallspritzgussverfahrenDabei werden feine Metallpulver mit einem Bindemittel zu einem Ausgangsmaterial vermischt. Dieses wird anschließend in eine Form gespritzt. Nach der Formgebung wird das Bindemittel entfernt und das Bauteil anschließend gesintert. Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung kleiner, komplexer und hochpräziser Bauteile, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik und Elektronik zum Einsatz kommen.

Vorteile und Grenzen der Pulvermetallurgie

Vorteile von PM

Die Pulvermetallurgie bietet hohe Materialeffizienz bei minimalem Abfall und ermöglicht die Herstellung komplexer und präziser Formen ohne maschinelle Bearbeitung. Sie eignet sich ideal für die Massenproduktion mit gleichbleibender Qualität.

Einschränkungen von PM

• Rohmetallpulver können teuer sein
• Beschränkt auf relativ kleine und mittelfeste Komponenten
• Hohe anfängliche Werkzeug- und Matrizenkosten

CNC Dienstleister

CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) ist ein hochpräzises und automatisiertes Fertigungsverfahren. Dabei steuert vorprogrammierte Computersoftware die Bewegung von Werkzeugen und Maschinen zum Schneiden, Bohren oder Fräsen. CNC wird häufig zur Herstellung komplexer Metallteile mit engen Toleranzen eingesetzt. Dieses Verfahren findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Elektronik, der Medizintechnik und der Verteidigungsindustrie.

Hier sind einige Arten der CNC-Bearbeitung:

CNC Fräsen

CNC-Fräsen Typischerweise werden dabei rotierende Mehrpunkt-Schneidwerkzeuge verwendet, um Material von einem stationären Werkstück abzutragen. Es eignet sich ideal zum Herstellen von Nuten, Löchern, Taschen und 3D-Konturen.

CNC-Drehen

Bei diesem Verfahren wird das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit gedreht, während sich ein stationäres Schneidwerkzeug linear bewegt, um Material zu entfernen. Dieses Verfahren eignet sich am besten für Wellen, Buchsen, Gewindeteile und rotationssymmetrische Komponenten.

CNC Bohren

Beim CNC-Bohren werden rotierende Bohrer verwendet, um präzise Löcher in ein Werkstück zu bohren. Es wird für die schnelle und präzise Lochherstellung in Metallen und Kunststoffen eingesetzt.

CNC-Schleifen

Um feine Oberflächen zu erzielen, wird beim CNC-Schleifen eine rotierende Schleifscheibe eingesetzt. Es wird häufig zum Bearbeiten gehärteter Metallteile sowie zum Erreichen enger Maßtoleranzen eingesetzt.

CNC EDM (elektrische Entladungsbearbeitung)

Bei diesem Verfahren wird Material durch elektrische Funken von leitfähigen Werkstücken abgetragen. Besonders bemerkenswert ist, dass kein physischer Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht. Es wird in zwei Arten unterteilt: Draht- und Senkerodieren. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für Hartmetalle und komplexe Innengeometrien, wie beispielsweise Formen und Turbinenschaufeln.

Vorteile der CNC-Bearbeitung	Nachteile der CNC-Bearbeitung
Bietet hohe Maßgenauigkeit und Wiederholbarkeit	Erfordert qualifizierte Bediener und Programmierer für optimale Leistung
Der automatisierte Betrieb reduziert menschliche Fehler und ermöglicht eine Produktion rund um die Uhr	Die hohen Anfangsinvestitionen in Maschinen und Einrichtungskosten
Funktioniert mit einer Vielzahl von Materialien und ist für verschiedene Anwendungen geeignet	Nicht kosteneffizient bei sehr kleinen Stückzahlen oder einfachen Teilen
In vielen Fällen ist nur eine minimale Nachbearbeitung erforderlich	Werkzeugverschleiß und Wartung können die Betriebskosten langfristig erhöhen

Metall-Stanzen

Beim Stanzen wird ein Blech zwischen zwei Matrizen gelegt und durch Krafteinwirkung in die gewünschte Form gebracht. Es umfasst verschiedene Vorgänge wie:

• Ausblenden – Ausschneiden einer flachen Form aus dem Blatt.

• Beugung – Winkel oder Kurven bilden.

• Lochung – Erstellen von Löchern oder Ausschnitten.

• Zeichnung – Formen eines flachen Blattes in eine 3D-Form.

Aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit, Präzision und Kosteneffizienz wird das Stanzen häufig in der Massenproduktion von Automobilkomponenten, Haushaltsgeräten und Elektronik eingesetzt.

Additive Fertigung (3D-Druck)

Bei additiven Metallfertigungsverfahren werden die Bauteile mithilfe digitaler 3D-Modelle schichtweise aufgebaut. Der Prozess beginnt mit der Erstellung eines digitalen Entwurfs mithilfe einer CAD-Software, der anschließend in ein für den 3D-Drucker lesbares Format konvertiert wird. Der Drucker trägt das Material schichtweise auf und verschmilzt es entsprechend dem Modell zum gewünschten Bauteil. Das Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung leichter, komplexer Teile wie Halterungen, Kanäle und Gehäuse.

Direktes Metall-Lasersintern

In direktes MetalllasersinternDabei werden die Metallpartikel mithilfe eines Hochleistungslaserstrahls Schicht für Schicht verschmolzen, um die gewünschten Bauteile zu erhalten. So lassen sich hochdetaillierte, komplexe Geometrien mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herstellen.

Elektronenstrahlschmelzen

In ElektronenstrahlschmelzenBei diesem Verfahren wird anstelle eines Lasers ein Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl zum Sintern der Metallpulverpartikel eingesetzt. Da dieses Verfahren bei hohen Temperaturen abläuft, eignet es sich besonders für Hochleistungswerkstoffe wie Titan und Kobalt-Chrom-Legierungen.

Selektives Lasersintern (SLS)

IBei diesem Verfahren wird ein pulverförmiges Material mittels Lasersintern zu festen Bauteilen verarbeitet. SLS benötigt keine Stützstrukturen und eignet sich daher ideal für funktionale Prototypen und die Produktion kleiner Stückzahlen.

Vorteile der additiven Fertigung	Einschränkungen der additiven Fertigung
Kann hochkomplexe und kundenspezifische Geometrien ohne zusätzliche Kosten produzieren	Begrenzt durch Bauvolumen und Teileausrichtung
Beschleunigt die Produktentwicklung durch schnelle Iterationszyklen	Nicht ideal für Großserien- oder Massenproduktion
Minimaler Abfall, da Material nur dort hinzugefügt wird, wo es benötigt wird	Die Materialauswahl ist im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eingeschränkter

Extrusion

Extrusion ist ein Metallherstellungsverfahren zur Herstellung langer, durchgehender Formen mit gleichmäßigem Querschnitt. Bei dieser Technik wird Metall unter hohem Druck durch eine Matrize der gewünschten Form gepresst. Das extrudierte Material nimmt die Form der Matrizenöffnung an und wird anschließend auf die gewünschte Länge zugeschnitten. Extrusion ist bekannt für seine hohe Produktionsrate und die Fähigkeit, komplexe Profile effizient zu formen.

Der Herstellungsprozess der Metallextrusion wird in folgende Typen unterteilt:

Heiße Extrusion

Bei diesem Verfahren wird das Material über seine Rekristallisationstemperatur erhitzt, bevor es durch die Matrize gepresst wird. Dieses Verfahren wird üblicherweise für Aluminium-, Kupfer- und Magnesiumlegierungen verwendet.

Kaltextrusion

Der Prozess wird bei oder nahe Raumtemperatur durchgeführt. Dieses Verfahren bietet eine bessere Oberflächengüte, höhere Maßgenauigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften. Es wird typischerweise für Stahl, Blei, Zinn und Zink verwendet.

Das Extrudieren bietet gegenüber anderen Metallherstellungsverfahren eine Reihe von Vorteilen. Hier sind einige davon:

• Effizient für die Massenproduktion langer Bauteile mit gleichmäßigem Querschnitt
• Geringer Materialabfall und gute Kontrolle der Maßtoleranzen
• Verbessert die Festigkeit durch Ausrichtung der Kornstruktur

Die durch Extrusion hergestellten Komponenten können jedoch eine raue Oberfläche aufweisen, die eine zusätzliche Bearbeitung erfordert. Darüber hinaus kann es bei unzureichender Prozesskontrolle zu inneren Spannungen oder Defekten kommen.

Jedes Metallverarbeitungsverfahren bedient seine eigene Nische. Für kleine Stückzahlen ist 3D-Druck eine ideale Option, da er keine Formen benötigt und direktes Rapid Prototyping ermöglicht. Für die kostenkontrollierte Großserienproduktion, wie beispielsweise bei Ölpumpenzahnrädern, ist Pulvermetallurgie oft eine geeignete Wahl. Wenn sowohl eine hohe Formkomplexität als auch ein hohes Produktionsvolumen erforderlich sind, wie beispielsweise bei Klappdisplay-Handyscharnieren, bietet Metallspritzguss erhebliche Vorteile.

Die folgende Tabelle bietet einen detaillierten Vergleich verschiedener Metallherstellungsverfahren.

Attribut	PM	MIM	Schmieden	Casting	Maschinenbearbeitung
Materialauswahl	Medium	Limitiert	Medium	Limitiert	Weit
Formkomplexität	Medium	Hoch	Niedrig	Medium	Hoch
Toleranz	Mittel (±0.5 %)	Hoch	Medium	Medium	Hoch
Oberflächenfinish	Medium	Gut (1 µm Ra)	Gut	Medium	Gut
Kosten	Niedrig	Medium	Medium	Niedrig	Hoch
Machbarkeit der Massenproduktion	Hoch	Hoch	Medium	Hoch	Niedrig
Minimale Wandstärke	1 mm	0.5 mm	1 mm	0.5 mm	0.5 mm
Signaldichte	<95%	94% -99%	100%	100%	100%