Blech- und Metallbearbeitung

Unter den Begriffen Metallbearbeitung und Blechbearbeitung werden unterschiedlichste Arbeiten mit Metallen bzw. Blechen zusammengefasst. In verschiedenen Bearbeitungsschritten werden die Werkstoffe in die gewünschte Form gebracht, um Komponenten, Bauteile oder Produkte herzustellen. Oft lassen sich die beiden Begrifflichkeiten nicht eindeutig voneinander differenzieren, weil die fertige Baugruppen oder Endprodukte meist Elemente aus beiden Disziplinen beinhalten.

Als Teilbereich der Fertigungstechnik befasst sich die Metallbearbeitung mit dem Herstellen und Bearbeiten geformter Werkstücke aus Metall entsprechend vorgegebener geometrischer Bestimmungsgrößen sowie deren Zusammenbau zu funktionstüchtigen Einheiten. Hierbei werden folgende Verfahren unterschieden:

• spanabhebende (Bohren, Drehen, Schleifen, Fräsen, Sägen, Gravieren, Gewindeschneiden etc.),
• nicht spanabhebende (Gießen, Biegen, Hämmern, Prägen, Schmieden, Stanzen, Walzen, Ziehen etc.),
• verbindende Metallbearbeitung (Schweißen, Kleben, Löten, Plattieren etc.).

Diese Teildisziplin der Metallbearbeitung umfasst eine Vielzahl von Fertigungsverfahren, die alle Blech als Ausgangspunkt haben. Dieses wird durch Trennen, Fügen, Umformen und/oder Veredeln in die angestrebte Form bzw. das gewünschte Design gebracht. Zu den gängigsten Verfahren der Blechbearbeitung zählen:

• Schweißen,
• Schneiden,
• Biegen,
• Stanzen,
• Walzen und
• Verbinden.
  

Klassische Produkte aus Blech sind:

• Kant- und Biegeteile (z. B. Winkel),
• gestanzte Teile (z.B. Halterungen, Unterlegscheiben, Karosserieteile),
• thermisch geschnittene bzw. gelaserte Teile (z.B. Platinen, Flanschen)
• Schweißteile (z. B. Halterungen) und
• Schweißbaugruppen (z. B. Gehäuse, Behälter).

Die Geschichte der Blech- und Metallverarbeitung begann bereits vor mehr als 80.000 Jahren. Die ersten vom Menschen hergestellten Bleche bestanden archäologischen Erkenntnissen zufolge aus Gold, das in der Natur in reiner Form vorkommt. Sie waren noch sehr klein und wurden zur Herstellung einfacher Schmuckstücke genutzt. Im Laufe der Zeit kamen weitere Metalle wie Kupfer und Silber hinzu. Außerdem wurde die Möglichkeit entdeckt, Materialeigenschaften mithilfe von Legierungselementen zu verändern.

Eisen findet seit mehr als 6.000 Jahren Verwendung. Mit 32 Prozent macht dieses Element etwa ein Drittel der gesamten Erdmasse aus. In seiner Reinform kommt Eisen jedoch kaum vor. Daher verarbeiteten unsere Vorfahren zunächst Eisenmeteoriten, die überwiegend aus Eisen und Nickel bestehen. Aufgrund der Seltenheit dieser Festkörper kosmischen Ursprungs war der Preis für Eisen zum Teil bis zu 100 Mal höher als der von Silber. Das änderte sich erst, als Eisen durch Verhüttung aus Eisenerz gewonnen werden konnte.

Anfangs wurde das Erz direkt am Fundort in einfachen sogenannten Rennöfen verhüttet. Diese bestanden aus Lehm und Eisen und erreichten Temperaturen von bis zu 1.300 °C. Das reichte nicht aus, um reines Eisen zu erhalten. Unerwünschte Elemente wurden deshalb durch Erhitzen und Hämmern (Schmieden) aus dem Material entfernt. Schmiedeeisen war sehr rein und beinhalteten kaum Kohlenstoff (< 0,08 %). Daher war es nicht durch Temperaturbehandlungen härtbar. Das erste Schmiedeeisen entstand um 1.500 v. Chr. mit Hilfe sogenannter Niedrigöfen. Der Hochofen wurde circa 1.000 Jahre später in China erfunden.

Im Römischen Reich spielte die Metallbearbeitung sowohl im Militär als auch im Handwerk, in der Landwirtschaft und im Baugewerbe eine große Rolle. Edelmetalle und Kupfer fanden im Münzwesen der Römer Verwendung. Auch präzise medizinische Instrumente wurden damals bereits aus Metall gefertigt, beispielsweise Zangen zum Zähneziehen oder Starnadeln zur Behandlung des Grauen Stars. Für das Militär waren Eisen und Bronze die wichtigsten Rohstoffe. Aus Ersterem wurden z. B. Schwerter hergestellt, aus Letzterem Helme, Brustpanzer und Beinschienen.

Zu einer Zeit, in der sich in Mitteleuropa gerade einmal die ersten Bauern ansiedelten und Tongefäße brannten, verbanden Handwerker im alten Ägypten bereits Schmuckgegenstände aus Gold und Kupfer durch punktuelles Erhitzen. Das Löten gilt als erste Methode zum thermischen Verbinden zweier Metallteile. Schon etwa 2.700 Jahre v. Chr. verbanden die Ägypter Kupferrohre für die städtische Wasserversorgung mithilfe des Feuerschweißens. Auch an landwirtschaftlichen Geräten, Kunstgegenständen und Waffen kann diese Technologie über einen Zeitraum von mehreren tausend Jahren nachgewiesen werden.

Die Bearbeitung von Blech kam in Europa ab dem Hoch- und Spätmittelalter zum Tragen. Eisenbleche wurden vor allem zum Herstellen von Ritterrüstungen verwendet. Das Walzen war zu jener Zeit noch unbekannt. Stattdessen wurden die Bleche mit Hämmern bearbeitet, bis sie die gewünschte Stärke aufwiesen.

Da die Arbeiten der Eisengewinnung bis zum jetzigen Produkt sehr aufwendig und zeitintensiv waren, waren Eisenblech ein gefragtes und teures Gut. Zudem erforderte die Blechbearbeitung ein hohes Maß an Übung und Erfahrung, da die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien mit Hilfe einfachster Werkzeuge ausschließlich in Handarbeit erfolgte. Erst als große, durch Wasserkraft angetriebene Hämmer in die Metallverarbeitung Einzug hielten, waren deutliche Erleichterungen spürbar. Dennoch konnte die Herstellungszeit je nach Blechgröße noch immer einige Tage in Anspruch nehmen.

Während der Industriellen Revolution, die ab circa 1780 in England begann und im 19. Jahrhundert auf andere europäische Länder übersprang, entstanden die ersten Maschinen zur Metallbearbeitung. Mit diesen war es möglich, Metalle zu walzen, um Bleche herzustellen. Dadurch verkürzt sich die Fertigungszeit erheblich, während gleichzeitig der Preis sank. Da sich auch die Qualität der Bleche hinsichtlich ihrer Ebenheit und Dicke verbesserte, fanden sich schnell neue Einsatzfelder in den unterschiedlichsten Bereichen.

Heute gibt es eine Vielzahl von Verfahren zur Bearbeitung von Metallen bzw. Blechen, die sich für verschiedenste Metallwerkstoffe, Materialstärken und Formate eignen. In vielen Anwendungsfeldern wurde die einstige Handarbeit mittlerweile durch Automatisierungslösungen ersetzt.

Bei Blechen handelt es sich um metallische Walzwerkserzeugnisse, deren Länge und Breite sehr viel größer sind als die Dicke. Grundsätzlich werden hierbei Grob- und Feinbleche unterschieden. Letztere sind dünner als 3 mm, während Grobbleche nach EN 10079 als Flacherzeugnisse mit Dicken von mehr als 3 mm definiert werden.

Für die Erzeugung von Blech und dessen Bearbeitung bedarf es einer gewissen Festigkeit und Verformbarkeit. Diese Werkstoffeigenschaften lassen sich durch Beifügen verschiedener Legierungselemente erzielen. Einige Legierungen haben sich in der metallverarbeitenden Industrie als Standards etabliert.

Die Blechbearbeitung umfasst eine Fülle an Fertigungsverfahren, die sich den vier Bereichen Umformen, Trennen, Fügen und Nachbearbeitung zuordnen lassen.

Beim Umformen wird das Werkstück über seine Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht und dadurch plastisch verformt. Hierbei werden folgende Verfahrensgruppen unterschieden:

• Druckumformen nach DIN 8583 (Walzen, Freiformen, Gesenkformen, Eindrücken, Durchdrücken),
• Zugdruckumformen nach DIN 8584 (Durchziehen, Tiefziehen, Drücken, Kragenziehen, Knickbauchen, Innenhochdruckumformen),
• Zugumformen nach DIN 8585 (Längen, Weiten, Tiefen),
• Biegeumformen nach DIN 8586 (mit geradliniger oder mit drehender Werkzeugbewegung),
• Schubumformen nach DIN 8587 (Verdrehen, Verschieben).

Hinzu kommen weitere Umformverfahren wie das Wölbstrukturieren, das Krümpeln, die Hochdruck-Torsion und das Guerin-Verfahren.

Kalt- und Warmumformen

In der Blechbearbeitung wird zwischen Kaltumformen und Warmumformen unterschieden.

Beim Kaltumformen erfolgt die Formänderung deutlich unter der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes, meist bei Raumtemperatur. Dadurch sind höhere Umformkräfte nötig. Die durch das kalte Umformen hervorgerufenen Versetzungen und Eigenspannungen im Metallgitter bewirken neben einer Erhöhung der Härte und der Streckgrenze eine Änderung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Die Anfangspermeabilität und die elektrische Leitfähigkeit verringern sich. Bei Stahl ist eine Dauermagnetisierung möglich. Weitere Vorteile des Kaltumformens sind:

• Erreichbarkeit enger Maßtoleranzen,
• Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffs,
• Verringerung der Duktilität,
• kein Verzundern der Oberfläche.

Zu den wichtigsten Verfahren zum Kaltumformen zählen:

• Kaltwalzen
• Tiefziehen
• Biegen
• Treiben
• Dengeln
• Hämmern
• Pressen

Das Warmumformen umfasst alle Umformschritte, die oberhalb der Rekristallisierungstemperatur des Werkstoffs stattfinden. Die während des Umformens ablaufende Verfestigung wird begleitet von Erholungs- und Entfestigungsprozessen im Material. Dadurch sind trotz geringer Umformkräfte hohe Umformgrade möglich. Beim Warmumformen sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

• schlechte Maßtoleranzen und Oberflächengüten als beim Kaltumformen,
• verzunderte Oberflächen.

Verfahren des Warmumformens sind unter anderem:

• Schmieden,
• Warmwalzen,
• Formhärten,
• Strangpressen.

Unter Trennen werden Verfahren zusammengefasst, bei denen von Werkstücken etwas abgetrennt wird. Die Endform des Werkstücks ist bereits in dessen Ausgangsform enthalten. Neben einem Reststück entstehen dabei meist Späne. Zu den Trennverfahren zählen:

• Zerteilen nach DIN 8588 (Scherschneiden, Reißen, Spalten, Brechen, Keilschneiden, Bruchtrennen),
• Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide nach DIN 8589-0 (Drehen, Bohren, Senken, Fräsen, Hobeln, Sägen, Feilen etc.),
• Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide nach DIN 8589-0 (Schleifen, Honen, Läppen, Strahlspanen, Gleitspanen etc.),
• Abtragen nach DIN 8590 (Laserstrahlen, Plasmaätzen, Laserschneiden, chemisches Ätzen, Elektroerodieren, Wasserstrahlschneiden etc.),
• Zerlegen nach DIN 8591 (Demontieren, Lösen von Klebeverbindungen, Ablöten, Lösen kraftschlüssiger Verbindungen etc.),
• Reinigen nach DIN 8592 (Trennen unerwünschter Schichten von der Werkstückoberfläche (z. B. Reinigungsstrahlen, Bürsten, Ultraschallreinigung, Ablaugen, Abflammen etc.).

Beim Fügen werden zwei oder mehr Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden. Zum Teil kommt hierbei ein "formloser Stoff" (z. B. Klebstoff) zur Anwendung. Der Zusammenhalt der Fügeteile wird erreicht durch:

• kraftschlüssige Verbindungen (Schraubverbindungen, Presspassungen),
• stoffschlüssige Verbindungen (Schweiß-, Löt- und Klebeverbindungen),
• formschlüssige Verbindungen (z. B. Nut-Feder-Verbindung, Passfeder, Verbindungsbeschlag).

Verbindungen können lösbar, bedingt lösbar und unlösbar sein. Lösbar sind beispielsweise Schraubverbindungen. Zu den bedingt lösbaren Verbindungen zählen Nietverbindungen. Um diese zu trennen, müssen die Niete zerstört werden, aber nicht die gefügten Bauteile. Auch Lötverbindungen lassen sich meist durch Ablöten lösen. Unlösbare Verbindungen sind Schweißverbindungen. Diese sind nicht lösbar, ohne die Bauteile zu zerstören.

Unter diesem Begriff werden Bearbeitungsverfahren zusammengefasst, die der Modifikation der funktionalen und/oder optischen Oberflächeneigenschaften von Werkstücken dienen.

Beispiele hierfür sind:

• das Abtragen der Oberfläche (z. B. Elektropolieren),
• Oberflächenbeschichtung (z. B. Lackieren, Verchromen, Verzinken Pulverbeschichten),
• mechanische Oberflächenbearbeitung (z. B. Entgraten, Polieren, Schleifen, Kugelstrahlen),
• chemische Oberflächenbehandlungen (z. B. Entfetten, Beizen, Reinigen).

Bei der Bearbeitung von Blechen und anderen Metallelementen kommen verschiedenste Werkzeuge und Maschinen zum Einsatz. Im Handwerksbereich wird unterschieden in Handwerkzeuge wie Eisensägen, Zangen, Hämmer und Feilen sowie Elektrowerkzeuge wie Schlagbohrer, Lötkolben, Schweißpistolen, Schleifmaschinen und Schneideanlagen.

Im industriellen Sektor erfolgt die Bearbeitung mithilfe von Werkzeugmaschinen wie:

• Metallbandsägen,
• Fräsmaschinen,
• Drehmaschinen,
• Biegemaschinen,
• Schleifmaschinen,
• Ständerbohrmaschinen,
• Rohrschneidemaschinen.

Diese Maschinen ermöglichen deutlich höhere Stückzahlen als handgeführte Werkzeuge. Viele verfügen mittlerweile über eine Computersteuerung, die eine gleichbleibend hohe Qualität über eine große Anzahl von Teilen hinweg sicherstellt.

Oftmals ist es möglich, alte Maschinen im Rahmen eines sogenannten Retrofit-Prozesses zu digitalisieren. Das ermöglicht es auch kleineren metall- und blechverarbeitenden Unternehmen, die Vorteile von Industrie 4.0 für sich zu erschließen.

Rund um die Metall- und Blechbearbeitung haben sich zahlreiche Berufe gebildet. In der Handwerksordnung von 1660 sind Hufschmiede, Messerschmiede, Poliere, Lang- und Kurzarbeiter, Hohlschleifer, Schlössner, Sporer, Uhrmacher, Büchsenmacher, Windenmacher, Nadler, Nadelschmiede, Kupferschmiede, Pfloschmiede, Töpfengießer, Röhrenschmiede und Feilenhauer verzeichnet.

Heute sind die beiden Disziplinen in unterschiedlichsten Branchen von Industrie und Handwerk zuhause, zum Beispiel in diesen:

• Werkzeug- und Formenbau,
• Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau,
• Maschinenbau,
• Brückenbau,
• Schmuckherstellung.

Das Spektrum der Blech- und Metallwaren reicht von kleinsten Stanzteilen (Schrauben) bis hin zu meterhohen Silos und Druckkesseln. Passende Produkte wie Fittings, Schellen, Schienen und Schweißelemente (Schweißbolzen) kommen bei unterschiedlichsten Montagearbeiten in Handwerk und Industrie zur Anwendung. Zudem fallen viele mechanische Teile von Maschinen und Anlagen unter die Kategorie Metallerzeugnisse.

Werkzeuge werden ebenso aus Metall hergestellt wie Beschläge für Türen und Fenster sowie Heizungskessel und Heizkörper.

Bleche werden beispielsweise zu Verkleidungen, Fahrzeugkarosserien, Schaltschränken, geschweißten Rohren, Schildern und Blechdosen verarbeitet. Aus besonders dicken Blechen entstehen unter anderem Masten von Windkraftanlagen, während sehr dünne zum Beispiel im Modellbau und im Schmuckhandwerk Verwendung finden.