Schneiden

Was versteht man unter Schneiden?

Jedes spitze Werkzeug kann schneiden, wenn es härter ist als der Gegenstand, an dem es verwendet werden soll, und wenn es mit ausreichender Kraft eingesetzt wird.

Sogar Flüssigkeiten können auf diese Weise funktionieren, solange sie mit der erforderlichen Kraft eingesetzt werden. Dies kann im Falle der CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) beispielsweise mit einer Wasserstrahlschneidemaschine erfolgen.

Die ersten Arten des Wasserstrahlschneidens adaptierten traditionelle Geräte, wie zum Beispiel mechanische Pantographen und CNC-Systeme, die auf John Parsons' CNC-Fräsmaschine von 1952 basierten.

Hieraus offenbarten sich jedoch Unzulänglichkeiten des G-Codes. Dr. John Olsen von der OMAX Corporation entwickelte daraufhin Methoden, um die Wasserstrahldüse präziser zu positionieren und gleichzeitig die Geschwindigkeit an jedem Punkt entlang der Bahn fein zu spezifizieren. Als Steuerung verwendete er gewöhnliche PCs.

Das Schneiden bleibt im Laufe der Geschichte das Herzstück der Fertigung. Viele Methoden verarbeiten Metalle. Die Idee besteht darin, ein Werkstück zu fertigen, indem unerwünschtes Material in Form von Spänen von einem Metallblock entfernt wird. Die Methoden können dabei ähnlich zu Fräsen oder Bohren, Stanzen, Polieren, Laserschneiden, Elektroerosionsbearbeitung (EDM) usw. sein.

Jede Technik hat ihre Grenzen in Bezug auf Genauigkeit, Kosten und Auswirkungen auf das Material. Beispielsweise kann Hitze die Qualität von wärmebehandelten Legierungen beeinträchtigen, Laserschneiden hingegen ist für hochreflektierende Materialien wie Aluminium weniger geeignet.

 

Was ist die Geschichte der Metallbearbeitung und -zerspanung?

Die heutige Zerspanung umfasst eine Reihe von Werkzeugmaschinen, die in der Lage sind, aus Metallen einen präzisen und nützlichen Gegenstand herzustellen.

Der früheste archäologische Beweis für Kupferbergbau und -verarbeitung ist die Entdeckung eines Anhängers im Nordirak aus dem Jahr 8.700 v. Chr. Das Material wurde gehämmert, bis es spröde wurde, und dann zur weiteren Bearbeitung erhitzt. Diese Technologie tauchte um 4000-5000 v. Chr. auf.

Später wurde der Zusammenhang zwischen Hitze und der Freisetzung von Metallen aus dem Gestein offensichtlich. Gesteinsmaterial, das reich an Kupfer, Zinn und Blei war, wurde immer gefragter. Der Erzbergbau entwickelte sich, wo immer diese Materialien gefunden wurden. Die antiken Zivilisationen kannten sieben Metalle: Eisen, Zinn, Blei, Kupfer, Quecksilber, Silber und Gold. 

Außerhalb Südwestasiens wurden dieselben Zusammenhänge und Materialien entdeckt und verwendet. China und Großbritannien begannen, Bronze statt des selteneren Kupfers zu verwenden. Japan begann fast gleichzeitig mit dem Abbau von Bronze und Eisen.

Mit den historischen Epochen der Pharaonen in Ägypten, der Vedischen Könige in Indien, der Stämme Israels, der Maya-Zivilisation in Nordamerika und weiteren antiken Bevölkerungen begannen Edelmetalle wertvoll zu werden. Zu dieser Zeit waren Metallurgen sehr geschickt darin, aus Edelmetallen (Nichteisenmetallen) Ziergegenstände, religiöse Artefakte und Handelsinstrumente sowie Waffen herzustellen, die gewöhnlich aus Eisenmetallen und/oder Legierungen hergestellt wurden.

Im Laufe der Zeit verbreiteten sich Metallobjekte immer weiter und wurden zunehmend komplexer. Die Notwendigkeit, sie zu erwerben und mit ihnen zu arbeiten, gewann mehr und mehr an Bedeutung. Das Vorhandensein von Metallen und Metallurgen hat das Schicksal und die Wirtschaft ganzer Zivilisationen stark beeinflusst.

Metallurgen sind auf die Gewinnung von Edelmetallen angewiesen, um Schmuck herzustellen, effizientere elektronische Geräte zu bauen und industrielle und technologische Anwendungen, vom Bauwesen über Schiffscontainer bis hin zum Schienen- und Luftverkehr, herzustellen. Ohne Metalle würden Waren und Dienstleistungen nicht in dem heutigen Umfang in der Welt zirkulieren.

Die Metallbearbeitung wird im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: Formen, Schneiden und Montage. Die meisten Bearbeitungsschritte werden mit Werkzeugen aus Schnellstahl oder Hartmetall durchgeführt.

 

Wie werden Metalle heute geschnitten?

Das Schneiden stellt eine Reihe von Prozessen dar, bei denen das Werkstück durch Entfernen von überschüssigem Material auf eine bestimmte Geometrie gebracht wird. Dieser Vorgang wird mit verschiedenen Arten von Werkzeugen durchgeführt, die ein fertiges Teil herstellen, das die geforderten Eigenschaften erfüllt. Zwei Produkte sind das Nettoergebnis des Schneidens: Der Abfall, oder das überschüssige Material, und das fertige Teil. Bei der Holzverarbeitung sind die Abfallprodukte Sägemehl und überschüssiges Holz. Bei der Metallzerspanung bestehen die Abfälle aus Spänen und überschüssigem Metall.

Schneideverfahren werden in drei Hauptkategorien eingeteilt:

• Spanherstellungsverfahren, besser bekannt als Zerspanung. Zum Beispiel das Bohren eines Lochs in ein Metallteil;
• Brennen, eine Reihe von Vorgängen, bei denen das Material durch Oxidieren einer Kerbe geschnitten wird, um Metallstücke zu trennen. Zum Beispiel die Verwendung eines Autogen Schweißbrenners, um eine Stahlplatte in kleinere Stücke zu zerteilen;
• verschiedene Spezialisierungsverfahren, die keiner der zuvor genannten Kategorien zuzuordnen sind. Zum Beispiel das chemische Fräsen, bei dem überschüssiges Material durch den Einsatz von Ätz- und Maskierungschemikalien entfernt wird.

Es gibt viele Technologien zum Schneiden von Metall, darunter:

• Manuelle Technologien: Säge, Meißel, Schere oder Metallschere;
• Maschinentechnologien: Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Sägen;
• Schweiss-/Verbrennungstechnologien: Laserverbrennung, Sauerstoffverbrennung und Plasma;
• Erosionstechnologien: durch Wasserstrahl-, Elektroerosions- oder Abrasivstrombearbeitung;
• Chemische Technologien: fotochemische Bearbeitung.

Ein Kühlmittel wird verwendet, wenn an der Schnittfläche zwischen dem Werkzeug, z.B. einem Bohrer oder Fräser, und dem Werkstück erhebliche Reibung und Wärme auftreten. Damit soll ein übermäßiger Werkzeugverschleiß vermieden werden.

Der Schneidevorgang wird oft mit der Bearbeitung von Metall in Verbindung gebracht, aber auch das Schneiden von Holz oder jeglichem anderen Material kann diesem Prozess zugeschrieben werden. Im Jahr 2016 wurde der weltweite Markt für CNC-Metallschneidemaschinen auf 5,99 Milliarden Dollar geschätzt. Bis 2025 wird er bei einem Marktwachstum von 6,5% voraussichtlich 10,53 Milliarden Dollar erreichen.

 

Was sind die Schneidemethoden?

Das Schneiden erfolgt mittels einer Reihe von Operationen, bei denen das Material auf eine bestimmte Geometrie gebracht wird. Verschiedene Arten von Werkzeugen werden verwendet, um überschüssiges Material zu entfernen und ein fertiges Produkt zu erhalten. Zum Schneiden von Metall werden manuelle (Säge), maschinelle (Fräsen, Bohren), Schweiß- (Laser), Erosions- (Wasserstrahl) oder chemische Techniken eingesetzt.

• Das Fräsen erfolgt mit einer Werkzeugmaschine, deren Fräser sich um die Spindelachse dreht (wie ein Bohrer), und einem Arbeitstisch, der sich in mehrere Richtungen bewegen kann. Fräsmaschinen können eine große Anzahl komplexer Operationen ausführen, wie z.B. Schlitzen, Hobeln, Bohren und Gewindeschneiden, Nuten, Trimmen usw..
• Drehen: das Werkstück wird auf einer Spindel gedreht und das Schneidwerkzeug wird radial, axial oder in beiden Richtungen eingesetzt. Zu den Objekten, die auf einer Drehbank hergestellt werden können, gehören Zündkerzenhalter, Kurbelwellen, Nockenwellen und Lagerungen.
• Das Gewindeschneiden besteht aus dem Erzeugen eines Schraubengewindes. Es wird verwendet, wenn eine vollständige Gewindetiefe erforderlich ist, z.B. wenn der Rohling nicht sehr präzise ist oder wenn das Material zerbrechlich ist.
• Schleifen ist ein Verfahren, bei dem eine Schleifmaschine als Werkzeug verwendet wird. Dadurch entstehen sehr feine Oberflächen, sehr leichte Schnitte oder hochpräzise Formen, die sich gut für die Luft- und Raumfahrt und andere Anwendungen eignen.
• Feilen wird hauptsächlich für Endbearbeitungen verwendet, zum Beispiel bei Entgratungsoperationen

Es gibt weitere Schneidmethoden wie die Elektronenstrahlbearbeitung oder die Ultraschallbearbeitung. Bei ersterer werden Hochgeschwindigkeitselektronen auf ein Werkstück gerichtet und dabei Hitze erzeugt und das Material verdampft und bei letzterer werden Ultraschallschwingungen verwendet, um sehr harte oder spröde Materialien zu bearbeiten.

 

Die verschiedenen Arten des CNC-Schneidens

1.Schneiden mit der Säge

Eine Säge ist ein Werkzeug, das aus einer Klinge, einem Draht oder einer starken Kette mit einer harten Zahnkante besteht. Die meisten Sägeblattzähne sind aus Werkzeugstahl oder Hartmetall hergestellt. Hartmetall ist härter und hält daher wesentlich länger. Die Säge wird häufig zum Schneiden harter Materialien, insbesondere Holz, manchmal aber auch Metall oder Stein, verwendet. Eine Abrasivsäge hat ein motorisiertes Kreissägeblatt, das zum Trennen von Metall oder Keramik bestimmt ist.

2. Laserschneiden

Das Laserschneiden dient der Vorbereitung von Werkstücken, einschließlich der Bohrungen für die Vernietung. Mithilfe dieser Methode können Teile mit Nieten, die eine dauerhafte Fixierung bieten, montiert werden. Laserschweißen wird als Endmontagetechnik eingesetzt, um Festigkeit und Haltbarkeit zu erreichen, die z.B. für Schienenfahrzeuge unerlässlich ist.

Diese Technologie verwendet einen Laser zum Schneiden von Materialien. Dabei wird ein Hochleistungslaser in der Regel durch ein optisches System geleitet. Der Laserstrahl wird auf das Material gerichtet, das schmilzt, verbrennt und verdampft. Ein Gasstrahl kann ihn gegebenenfalls wegblasen, so dass eine Kante mit einer hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit zurückbleibt.

Der Weltmarkt für Laserschneidmaschinen wurde für 2015 auf 3 Milliarden Dollar geschätzt und wird 2022 voraussichtlich 5,7 Milliarden Dollar betragen.

3. Wasserstrahlschneiden

Ein Wasserstrahlschneider kann eine Vielzahl von Materialien mit einem Wasserstrahl mittels sehr hohem Druck mit Wasser oder einer Mischung aus Wasser und einem Abrasivmittel schneiden. Der Begriff Abrasivstrahlbearbeitung bezieht sich speziell auf die Verwendung einer Mischung aus Wasser und Abrasivmitteln, um harte Materialien wie Metall oder Granit zu schneiden. Im Gegensatz dazu wird das reine Wasserstrahlschneiden für weichere Materialien wie Holz oder Gummi verwendet.

Bei der Herstellung von Maschinenteilen wird insbesondere das Wasserstrahlschneiden eingesetzt. Dieses Verfahren ist ideal, wenn die zu schneidenden Materialien empfindlich gegen hohe Temperaturen sind. Es wird in einer Vielzahl von Industrien, einschließlich Bergbau und Luft- und Raumfahrt, eingesetzt.

 

Das Schneiden ist eine Technik, die ein Objekt in mindestens zwei Teile trennt, indem sie der Wirkung einer mit äußerster Präzision gerichteten Kraft folgt. In der Industrie werden Schneidverfahren mittels Klinge, Laser oder Wasserstrahl angewendet.

 

Metall, ein optimaler Werkstoff zum Schneiden

 

Aufgrund seiner natürlichen Steifigkeit und thermischen Beständigkeit bleibt Metall ein einfach zu schneidendes Teil, da es Verformungen standhält. Unter Metall wird Aluminium, rostfreier Stahl, Baustahl, legierter Stahl, Werkzeugstahl oder Messing verstanden. 

Metall kann mittels verschiedener Verfahren geschnitten werden:

• Spanherstellungsverfahren, besser bekannt als Zerspanung. Das Bohren eines Lochs in ein Metallteil ist das häufigste Beispiel. Dies kann manuell (Säge, Metallschere), mit CNC-Maschinen (Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Sägen) oder elektrochemisch durch Elektroerosionsbearbeitung erfolgen;
• Brennen, bei dem Oxidation die Metallfragmente trennt. Zum Beispiel durch einen Schneidbrenner, der eine Stahlplatte in kleine Stücke zerteilt. Dabei kann es sich um Schweiß- oder Brenntechniken wie Laser- oder Plasmaschneiden handeln;
• Verschiedene Spezialisierungsverfahren, die nicht in eine der vorgenannten Kategorien fallen. Dies ist der Fall beim chemischen Fräsen, bei dem überschüssiges Material durch den Einsatz von Ätz- und Maskierungschemikalien entfernt werden kann, ähnlich zu Erosionsmethoden wie dem Wasserstrahlschneiden.

Jede Methode hat ihre Einschränkungen in Bezug auf Genauigkeit, Kosten und Auswirkungen auf das Material. Insbesondere kann Hitze die Qualität von wärmebehandelten Metalllegierungen beeinträchtigen, und das Laserschneiden ist für hochreflektierende Materialien wie Aluminium weniger geeignet.

 

Kunststoff, ein gängiges Material

Kunststoffe sind in der Industrie- und Konsumwelt nach wie vor sehr präsent, hauptsächlich aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit und ihrer elektrischen Isoliereigenschaften. Duroplaste werden im Allgemeinen zum Schneiden bevorzugt, da sie durch Fasern wie glasfaserverstärkte Nylons, Acryl oder PEEK verfestigt werden. Weniger steife Kunststoffe neigen dazu, sich zu verformen und zu verbiegen, wenn der Fräser versucht, das Werkstück zu schneiden.

Während die Kunststoffindustrie sich wandelt und Innovationen hervorbringt, um attraktivere Produkte für den Verbraucher zu schaffen, setzt sie die ausgereiftesten Technologien ein, um mit diesem neuen Material zu arbeiten, wie z.B.:

• Ausstanzen, entweder manuell oder automatisiert;
• Heißmesserschneiden für die weichsten Materialien. Zum Beispiel für Blöcke aus Schaumstoff und expandiertem Polystyrol;
• Stanzen für dünnste thermoplastische und duroplastische Folien;
• Wasserstrahlschneiden für faserverstärkte duroplastische Komponenten, die mit anderen Verfahren nur schwer zu trennen wären;
• Laserschneiden und -bohren bestimmter Arten von Acryl- und anderen Kunststoffen, die jedoch nicht duroplastisch sind. Der Industrielaser, der in den meisten Fällen von einem Computer gesteuert wird, schmilzt hierbei den Kunststoff.
• Ultraschallschneiden für dünnere, weichere Kunststoffe. Die hohe Frequenz, die durch den Ultraschall des Werkzeugs erzeugt wird, bewirkt, dass das Material punktgenau geschmolzen wird.

 

Verbundwerkstoffe, die Herausforderung des präzisen Schneidens

Verbundwerkstoffe bestehen aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die zusammengenommen ein festeres, leichteres oder flexibleres Produkt ergeben. Beispiele sind verstärkte Kunststoffe, kohlefaser- oder graphitverstärkte Materialien, Glasfaser oder Harz.

Mit diesen Technologien werden Verbundwerkstoffe unter anderem geschnitten:

• Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Überdruck-Wasserstrahl verwendet. Das Schneiden kann bei Verbundwerkstoffen mit reinem Wasser oder mit Abrasivwasser erfolgen;
• Das Laserschneiden schneidet das Material unter Einsatz einer großen Menge an Energie, die von einem Laser erzeugt und auf eine sehr kleine Oberfläche konzentriert wird. Der Laser kann gepulst oder kontinuierlich sein (CO2- oder Stickstofflaser).

Die weltweite Automobil-, Luftfahrt-, Medizin-, Energie- und Elektronikindustrie kommt, neben vielen weiteren Industriezweigen, ohne Schneidausrüstung mit ihren vielen Vorteilen und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten nicht aus. Die heute verwendeten Techniken bieten dank Technologien wie Laser- oder Wasserstrahlschneiden ein hohes Niveau an Qualität und Zuverlässigkeit.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie

Das Laserschneiden findet in diesem Bereich eine gute Anwendung. Im Gegensatz zum Automobilsektor muss jedoch alles in viel größerem Maßstab durchgeführt werden, und die Produkte müssen einem viel höheren Druck standhalten. Folglich müssen die Prozesse noch genauer und zuverlässiger sein.

Das Wasserstrahlschneiden wird auch bei der Konstruktion von Komponenten für Flugzeugtriebwerke und Turbinenschaufeln sowie von Verbundwerkstoffen für Flugzeuge eingesetzt. Tatsächlich führt Hochdruckwasser in Verbindung mit einem abrasiven Wasserstrahl zu äußerst präzisen Schnitten, die für den Rumpf, das Heck und die Flügel von Flugzeugen oder für rotierende Blätter erforderlich sind.

 

Die Automobilindustrie

Die Automobilindustrie verwendet das Wasserstrahlschneiden zur Herstellung von Dachverkleidungen, Türverkleidungen und Teppichen. Die Maschinen erzeugen glatte, ebene und entgratete Oberflächen, auch wenn die Materialien nicht einheitlich sind, so dass keine Nacharbeit erforderlich ist.

Automobilhersteller bevorzugen möglicherweise das Laserschneiden für sehr kleine und komplexe Teile und Komponenten, wie z.B. Öffnungen für Antennen. Diese Technologie kann auch zum Schneiden von Materialien wie Gewebe für Airbags verwendet werden. Indem die Kanten mit sehr hoher Geschwindigkeit geschmolzen werden, bleiben keine ausgefransten Ränder zurück. Der Laser ist ebenfalls in der Lage, Verbundwerkstoffe zu schneiden, was für Innenteile nützlich ist.

 

Die Lebensmittelindustrie

Das Wasserstrahlschneiden ist sehr zeitsparend, was für die Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung ist. Es ist kein Messerwechsel oder Schärfen der Klingen erforderlich, da der Schneidevorgang mit reinem Wasser durchgeführt wird. Dank dieser Technologie können Bäckereien daher ihren Output verdoppeln. Das Fehlen von Klingen fördert eine gesunde, hygienische Schneidumgebung ohne das Risiko einer Kontamination. Darüber hinaus ist die Werkzeugmaschine einfach zu bedienen, weshalb ein breiter Anwenderkreis sie nutzen kann. Die Feinheit des Schnitts hat sich in der Branche durchgesetzt und bringt einen Mehrwert für die Produkte, sei es Obst oder Gemüse, Fleisch oder Gebäck.

 

Die Elektroindustrie

Da die Welt immer digitaler und technologischer wird, besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung elektronischer Bauteile und Produkte. Im Zuge des technologischen Fortschritts werden elektronische Objekte, beispielsweise im Hinblick auf Computer oder Smartphones, zunehmend kleiner. Produkte passen sich ebenso wie Herstellungsprozesse an. Das Laserschneiden wird vor allem wegen seiner Fähigkeit, winzige und komplexe Teile zu segmentieren, eingesetzt.