Die Metallverarbeitungsindustrie entwickelt sich von der Formgebung zur Endbearbeitung

Betrachten Sie die Präzisionsinstrumente in Ihren Händen oder die kritischen Komponenten in einem Automotor. Wie verwandeln sich Rohmaterialien in Endprodukte mit spezifischen Formen, Leistungseigenschaften und Oberflächeneigenschaften? Die Herstellung von Metallteilen ist ein komplexer Prozess, der mehrere Techniken integriert. Dieser Artikel untersucht die komplizierten Stadien der Metallkomponentenherstellung, von der anfänglichen Formgebung bis zu fortschrittlichen Oberflächenbehandlungen, und enthüllt die zugrunde liegende Wissenschaft und Technologie. Wir werden verschiedene Herstellungsverfahren untersuchen und erörtern, wie man die optimale Kombination von Techniken auswählt, um die beste Leistung und Kosteneffizienz zu erzielen.

Die Herstellung von Metallkomponenten umfasst typischerweise eine Reihe von Prozessen, die grob in primäre und sekundäre Operationen unterteilt werden. Viele Teile erfordern eine Kombination aus beidem. Während der Produktion werden unfertige Komponenten als "Work-in-Progress" (WIP) bezeichnet und warten auf die weitere Verarbeitung.

• Primäre Prozesse: Diese formen Materialien in Formen, die den endgültigen Abmessungen und der Geometrie nahekommen. Sie legen die grundlegende Struktur und Materialverteilung des Teils fest.
• Sekundäre Prozesse: Diese modifizieren die Oberfläche, die Materialeigenschaften oder tragen Beschichtungen auf dem WIP auf. Wenn primäre Prozesse allein den Konstruktionsanforderungen nicht genügen, werden sekundäre Operationen eingesetzt. Nach der primären Verarbeitung wird der WIP zum "Substrat". Beispielsweise dient bei einem Teil aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer Metallbeschichtung das Aluminiumoxid als Substrat. Bei einer verzinkten Stahlschraube ist der Stahl das Substrat.

Primäre Prozesse bilden den Kern der Metallkomponentenherstellung und definieren die grundlegende Struktur des Teils. Im Folgenden sind die wichtigsten Arten von primären Operationen aufgeführt:

Formen und Gießen beinhalten das Einspritzen von geschmolzenem Material in eine Form, das Abkühlen und Erstarren lassen und anschließendes Auswerfen des geformten Teils. Diese Methoden gelten für Metalle, Polymere und Glas. Für Kunststoffe sind Spritzguss und Blasformen gängige Techniken; für Metalle sind Druckguss, Sandguss und Feinguss weit verbreitet.

• Kunststoffspritzguss: Thermoplastische Pellets gelangen in einen Trichter und werden in eine Spritzgussmaschine eingespeist. Eine rotierende Schnecke befördert das Material nach vorne, während Reibung und Heizzonen es schmelzen. Sobald sich ausreichend geschmolzener Kunststoff angesammelt hat, spritzt die Schnecke ihn in den Formhohlraum. Nach dem Abkühlen öffnet sich die Form und das Teil wird ausgeworfen.
• Druckguss: Geschmolzenes Metall wird in einen Formhohlraum gepresst. Nach dem Erstarren öffnet sich die Form und das Teil wird ausgeworfen.

Alle Form- und Gießverfahren erfordern die Kontrolle über die Materialzusammensetzung und die Schmelztemperatur. Zusätzliche Variablen wie Einspritzdruck, Formtemperatur, Auswurfzeitpunkt und Formschmierung können ebenfalls kritisch sein.

Bei diesem Verfahren wird Metall- oder Keramikpulver in einer Form unter Druck verdichtet und anschließend in einem Hochtemperaturofen gesintert, um die Partikel zu einem festen Teil zu verschmelzen. Heißpressen und heißes isostatisches Pressen kombinieren Verdichtung und Sintern.

Ideale gesinterte Teile weisen eine kontrollierte Porosität auf, die durch Verdichtungs- und Sinterparameter konstruiert wird, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Diese Verfahren formen feste Metalle oder Polymere durch mechanische Verformung. Ausgangsmaterialien sind Bleche, Rohre, Stäbe oder Rohlinge, die manchmal zur leichteren Formgebung erhitzt werden. Metallteile können gestanzt, gezogen, geschmiedet oder extrudiert werden; Polymere werden durch Formpressen oder Thermoformen geformt.

• Formpressen: Kunststoffteile werden aus Pulver, Pellets oder Vorformlingen geformt. Wenn sich die Form schließt, erzeugt die Kompression Scherung, während beheizte Formhälften das Material erweichen, um die Hohlräume zu füllen. Kontinuierliche Wärme und Druck härten den Kunststoff aus.

Dieses subtraktive Verfahren entfernt Material von Blechen, Blöcken oder Stäben, um Gussteile oder Formteile zu verfeinern, engere Toleranzen zu erreichen oder die Ästhetik zu verändern. Zu den Techniken gehören Bearbeitung, chemisches Ätzen und Laserstrahlbearbeitung, die für Metalle, Polymere und Keramiken gelten.

• Bearbeitung: Umfasst Schleifen, Fräsen und Bohren.
• Chemisches Ätzen: Erzeugt feine Strukturen auf dünnen Metallblechen oder entfernt unerwünschte Abschnitte.
• Laserstrahlbearbeitung: Bohrt oder schneidet Metalle, Polymere und Keramiken.

Die Laminierung setzt einzelne Materialschichten zu Mehrschichtstrukturen zusammen, oft für Verbundwerkstoffe. Die Schichten werden mit oder ohne Klebstoffe, manchmal unter Hitze, zusammengepresst.

Sekundäre Prozesse modifizieren WIPs und lassen sich in drei Kategorien einteilen:

• Materialmodifikation: Verändert die Eigenschaften über den Querschnitt des Teils.
• Oberflächenmodifikation: Verändert die Oberflächeneigenschaften.
• Beschichtungsabscheidung: Trägt Beschichtungen auf Oberflächen auf oder lässt sie wachsen.

Die Wärmebehandlung verändert die Mikrostruktur des Metalls, um die Festigkeit, Duktilität oder magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Kontrollierte Heiz- und Kühlzyklen variieren je nach Material und gewünschten Ergebnissen.

• Stahllegierungen: Werden in Öfen oder Hochöfen erhitzt und dann mit Raten abgekühlt, die die Mikrostruktur beeinflussen. Langsames Abkühlen erfolgt an der Luft; schnelles Abkühlen erfolgt durch Öl- oder Wasserabschrecken.
• Aluminium-, Kupfer- und Nickellegierungen: Werden durch Lösungsglühen (Erhitzen und schnelles Abkühlen) gefolgt von Ausscheidungshärten (Alterung bei niedrigeren Temperaturen) gehärtet.

Chemische, mechanische oder thermische Verfahren verfeinern die Oberflächenzusammensetzung, -textur oder -chemie, um die Verschleißfestigkeit, die Ermüdungslebensdauer, die Reibung oder die Bindungsfähigkeit zu verbessern.

• Oberflächenwärmebehandlung: Verfahren wie Induktions-, Laser- oder Flammhärten erzeugen dauerhafte Oberflächenschichten über einem duktilen Kern.
• Thermochemische Verfahren: Aufkohlen, Nitrieren oder Carbonitrieren diffundieren Elemente in Oberflächen, um harte Schichten zu bilden.
• Mechanische Verfahren: Kugelstrahlen (verbessert die Ermüdungsbeständigkeit), Sandstrahlen (reinigt/raut auf) oder Schleifen (bearbeitet Oberflächen).
• Chemische Reinigung: Entfernt Verunreinigungen mit Säuren, Laugen oder Lösungsmitteln.

Dünne Schichten (von Nanometern bis Mikrometern) verbessern die Verschleiß-, Korrosionsbeständigkeit oder Ästhetik über die Fähigkeiten des Substrats hinaus. Beispiele hierfür sind:

• Galvanisieren: Taucht Teile in leitfähige Lösungen ein; Strom lagert Metallionen (z. B. Kupfer, Gold, Nickel) auf Oberflächen ab.
• Konversionsbeschichtungen: Wachsen durch chemische Reaktionen (z. B. Phosphatieren auf Stahl, Chromatieren auf Aluminium).
• Anodisieren: Elektrochemisch oxidiert Aluminium-, Magnesium- oder Titanoberflächen.
• Lackieren/Pulverbeschichten: Trägt Flüssigkeiten oder trockene Pulver auf Polymerbasis auf, die durch Erhitzen ausgehärtet werden.
• Vakuumabscheidung: Zerstäubt oder verdampft Metalle (z. B. Aluminium, Titan) in Vakuumkammern.
• Thermisches Spritzen: Projiziert geschmolzene Tröpfchen (Metalle, Keramiken) auf Oberflächen mittels Flammen-, Lichtbogen- oder Plasmamethoden.

Einige Komponenten durchlaufen mehrere sekundäre Prozesse. Beispielsweise kann dem Lackieren Sandstrahlen vorausgehen, um Oberflächen zu reinigen und aufzurauen. Vorkomponentenmaterialien (z. B. Zink auf Stahlblechen) vor der Formgebung können die Kosten im Vergleich zur Beschichtung nach der Formgebung senken.

Über die Massenformgebung hinaus bauen Abscheidungs-, Ätz- oder chemische Umwandlungstechniken komplizierte Strukturen auf, insbesondere in der Elektronik (z. B. integrierte Schaltkreise, MEMS). Hier bieten Substrate mechanische Unterstützung und werden gleichzeitig in funktionale Designs integriert.