Metallfertigung

Metalle sind lichtundurchlässige Werkstoffe, die glänzen, wenn sie poliert werden, gute Wärme- und Elektrizitätsleiter sind und relativ hohe Schmelzpunkte haben.

Die meisten Metalle sind typischerweise hart, aber weich genug, dass sie durch Hämmern oder Pressen umgeformt werden können, ohne zu brechen oder zu reißen.

Sie sind so flexibel, dass sie geschmolzen oder zusammengemischt und zu festen großen Blöcken und Blechen geformt oder in lange dünne Drähte gezogen werden können (eine Eigenschaft, die Duktilität genannt wird).

Rund 95 der 118 Elemente im Periodensystem sind Metalle, 80 davon werden regelmäßig in der Fertigung verwendet.

Metalle findet man in Erzen, die üblicherweise in Gestein in der gesamten Erdkruste vorkommen. Dabei können sie pur vorliegen, wie Aluminium, Kupfer und Gold, oder mit anderen Elementen gemischt sein, die voneinander getrennt werden müssen. 

Wie sie gewonnen und getrennt werden, hängt von dem jeweiligen Metall und den vorhandenen Verunreinigungen ab. Bei den meisten kommt eine Kombination folgender Methoden zum Einsatz:

Abbau - Wurde ein Metallvorkommen lokalisiert, wird es mit Sprengmitteln oder Baggern aus Erde geholt. 

Brechen und Mahlen – Schwere Brecher und Mühlen pulverisieren das Gestein zu feinem Pulver, um die Metallgewinnung zu erleichtern. 

Gewinnung – Es gibt verschiedene Techniken, um das Metall bzw. Erz von sonstigen Mineralien und Verunreinigungen zu trennen. Man kann zum Beispiel das Pulver mit Wasser mischen, das Erz mit Lösungsmitteln auflösen und Magneten einsetzen.

Raffinieren – In komplexeren Verfahren werden alle übrigen Verunreinigungen ausgefiltert. Zwei solcher Verfahren sind die Verhüttung, bei der Wärme und ein chemischer Wirkstoff zum Einsatz kommen und die Elektrolyse, die mit Säure und Elektrizität arbeitet. Das Ergebnis ist eine reinere Form des Metalls, das allerdings immer noch gewisse Verunreinigungen enthalten kann.

Gießen – Metalle können dann weiterverarbeitet und/oder mit anderen Elementen zu Legierungen kombiniert werden. Dies erfolgt normalerweise in flüssiger Form. Hat man das gewünschte Endergebnis erreicht, wird das geschmolzene Gemisch in Formen gegossen oder mechanisch in unterschiedliche Formen stranggepresst.

In der Regel sind das Bleche, Knüppel, Stangen, Rohre, Platten, Barren und Drähte. Diese werden dann je nach geplanter Endnutzung in verschiedene Formen und Größen geschnitten und an die Fertigungsunternehmen verschickt, die daraus zahllose Produkte machen.

• Aluminium ist ein weiches, nichtmagnetisches, streckbares und leichtes Metall, das extrem korrosionsbeständig ist. Es ist nach Eisen das am zweithäufigsten verarbeitete Metall. Aluminium und Aluminiumlegierungen spielen eine kritische Rolle in der Luftfahrt, im Verkehrswesen und in der Bauwirtschaft, werden aber auch in zahlreichen anderen Bereichen eingesetzt, vom Getränkebehälter bis zur Elektroleitung.
• Kobalt ist ein hartes, glänzendes Metall, das seit Jahrhunderten für Schmuck, Farben und die charakteristische Blautönung von Glas verwendet wird. Heute wird Kobalt vor allem in Hochleistungslegierungen verwendet, die fest, magnetisch und langlebig sind. Außerdem wird es in der Produktion von Batterien, Katalysatoren und Pigmenten sowie in Radioisotopen eingesetzt.
• Kupfer ist ein weiches, hämmerbares und streckbares Metall. In der Industrie wird es hauptsächlich als Leiter für Wärme und Elektrizität eingesetzt. Kupfer wird auch in Gebäuden, vor allem Dächern verbaut und als Verbindung in Pigmenten, antibakteriellen Wirkstoffen, Fungiziden und Holzschutzmitteln verwendet.
• Gold ist ein Edelmetall mit hoher Dichte, das hämmerbar und streckbar ist. In der Industrie wird es hauptsächlich für elektrische Kontakte und Steckverbindungen verwendet. Gold wird auch zur Infrarotabschirmung, Produktion von farbigem Glas, für Vergoldungen und Zahnreparaturen, häufig aber auch als Legierung in Schmuck eingesetzt.
• Eisen gehört zu dem am häufigsten vorkommenden Elementen der Erde und ist daher das preisgünstigste Metall. Nahezu 90 % des gesamten heute raffinierten Metalls ist Eisen, das vor allem zu Stahl legiert und in Ingenieurbauwerken verbaut wird. Eisen ist bei Kontakt mit Sauerstoff sehr oxidationsempfindlich (Rost). Es ist ein wichtiges Mineral zur Gesunderhaltung aller Lebewesen, ein erwachsener menschlicher Körper enthält rund 4 Gramm Eisen.
• Molybdän ist in mehreren Oxidationszuständen in Mineralien vorhanden. Da es in Legierungen schnell zu stabilen Hartmetallen geformt werden kann, wird der Großteil der Molybdän-Produktion in Stahllegierungen verwendet. Man findet es häufig in Baustahl, Edelstahl, Chemikalien, Werkzeugstahl und Gusseisen. In seinem reinsten Zustand wird es auch als Dünger, in der medizinischen Bildgebung und als Möglichkeit, Verschmutzungen in Kraftwerken zu entdecken, verwendet.
• Nickel ist ein hartes, streckbares Metall, das überwiegend als Legierungsmetall genutzt wird. Aufgrund seiner Zugfestigkeit und Zähigkeit wird es vor allem in Nickelstahl und Nickelgusseisen verwendet. Nickel wird ebenfalls für Münzen, Akkus, zur Metallisierung (wenn ein Material von außen mit einer dünnen Metallschicht überzogen wird) und als Grüntönung in Glas verwendet.  
• Niobium ist ein weiches, streckbares Metall, das überwiegend in Legierungen eingesetzt wird, vor allem in Spezialstahl für Gas-Pipelines. Außerdem ist es aufgrund seiner Temperaturstabilität eine bedeutende Superlegierung für Flugzeug- und Raketentriebwerke. Weitere Einsatzgebiete sind Schweißen, Elektronik, Optik und Schmuck.
• Platin ist ein dichtes, hämmerbares, streckbares Edelmetall. Es ist eines der am wenigsten reaktionsfähigen Metalle und auch bei hohem Temperaturen sehr korrosionsbeständig. Es wird unter anderem in Abgaskatalysatoren, Laborausrüstung, elektrischen Kontakten und Elektroden, zahnmedizinischem Zubehör und Schmuck verwendet.
• Silber ist ein weiches Edelmetall, das die höchste elektrische und Wärmeleitfähigkeit und höchste Reflexionsvermögen aller Metalle aufweist. Es wird in Solarpaneelen, Wasserfiltern, Besteck, Ornamenten und Schmuck eingesetzt. Silberverbindungen werden in der Fotografie, beim Röntgen, in Desinfektionsmitteln und medizinischen Instrumenten verwendet. Im industriellen Kontext wird Silber genutzt, um elektrische Kontakte und Steckverbinder, Spezialspiegel, Fensterbeschichtungen und als Katalysator für chemische Reaktionen verwendet.
• Tantal ist ein seltenes, träges, hartes Metall, das hochkorrosionsfest ist. Es wird in Legierungen für Flugzeugtriebwerkskomponenten, Anlagen für die chemische Industrie und Atomkraftwerke verwendet. In elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Videospielekonsolen und Computern befinden sich Tantal-Kondensatoren.
• Titan ist eines der härtesten und teuersten Metalle. Titanlegierungen werden von der Luftfahrt, Automobilindustrie und Marine wegen ihres geringen Gewichts und hohen Festigkeit verwendet. Die chemische und petrochemische Industrie setzt Titan aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit für die Produktion von verfahrenstechnischen Anlagen ein. Auch in Sportartikeln und Brillen findet sich das Metall, und Titanoxide werden häufig für Pigmente, Zusatzstoffe und Beschichtungen verwendet. 
• Wolfram ist ein sehr stabiles, seltenes natürlich vorkommendes Erdmetall, das nahezu ausschließlich in chemischen Verbindungen vorliegt und den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente hat. Es wird hauptsächlich zur Produktion harter Werkstoffe, vor allem Wolframkarbid, sowie für Elektronik und in Legierungen und Stahl verwendet.
• Zink ist ein hartes, sprödes Metall, das als wichtiges Mineral für die Gesundheit aller Lebewesen gilt. Anwendung findet es aufgrund seiner Korrosionsfestigkeit vor allem bei der Beschichtung von Eisen (Feuerverzinkung). Außerdem wird es in Elektrobatterien und häufig in Messinglegierungen verwendet.
• Zirkon its ein weiches, streckbares und hämmerbares Metall, das bei Raumtemperatur fest ist, bei geringerer Reinheit aber hart und spröde. Es ist gegenüber Laugen, Säuren, Salzwasser und anderen Stoffen hochkorrosionsfest. Als Metall wird Zirkon in der Nuklear- und Luftfahrtindustrie eingesetzt. Zirkon-Isotope werden in der medizinischen Bildgebung genutzt. Als chemische Verbindung wird es in Hochtemperatur- und Biomedizin-Anwendungen verwendet.

Die Eigenschaften reiner Metalle können durch die Kombination mit anderen Metallen oder Elementen zu einer Legierung verbessert werden.

• Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink, die aufgrund der akustischen Eigenschaften und Streckbarkeit häufig in Musikinstrumenten Anwendung findet. Zusätzlich wird Messing immer da eingesetzt, wo ein preisgünstiger Ersatz für Edelmetalle gebraucht wird.
• Bronze ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Kupfer und zu etwa 12 % Zinn besteht, gemischt mit weiteren Metallen und Nichtmetallen. Es wird häufig in Münzen und Medaillen, Skulpturen, Musikinstrumenten, Lagern, elektrischen Steckverbindern und Federn eingesetzt.
• Gusseisen ist eine Gruppe von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt ab 2 %. Auch wenn Gusseisen tendenziell spröde ist, ist es wegen seines geringen Schmelzpunkts, seiner guten Fließfähigkeit, Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit und Verformungs- und Verschleißbeständigkeit ein beliebtes Fertigungsmaterial. Anwendung findet es unter anderem in Rohren, Bauten und Maschinen- oder Autoteilen. Es ist außerdem sehr oxidationsbeständig.
• Stahlguss wird durch das Verschmelzen von Schmiedeeisen mit Holzkohle gewonnen. Er ähnelt dem Gusseisen, enthält aber deutlich weniger Kohlenstoff, gerade einmal zwischen 0,1 und 0,5 %. Stahlguss ist schwieriger zu gießen und schrumpft stärker als Gusseisen, was einen gründlicheren Prüfprozess nötig macht.
• Eisenlegierungen sind eisenbasierte Legierungen, die bei der Produktion von Stahl, Eisen und Legierungen gebraucht werden. 
• Niedrigschmelzende Legierungen bzw. Schmelzlegierungen werden aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit als Kühlmittel, aber auch zur Abkühlung von Kernreaktoren und in automatischen Sprinkleranlagen eingesetzt.
• Nichteisenlegierungen sind Legierungen, die nicht sehr viel Eisen enthalten. Sie sind zwar teurer als eisenbasierte Legierungen, wiegen aber weniger, sind nicht magnetisch, haben eine höhere Leitfähigkeit und sind korrosionsbeständig.
• Stahl ist eine Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und anderen Elementen. Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und seines günstiges Preises ist er ein wichtiger Baustoff für Gebäude, Infrastruktur, Werkzeuge, Schiffe, Autos, Maschinen und Geräte. Es gibt verschiedene Kategorien von Stahl wie Langstahl, Kohlenstoff-Flachstahl, wetterfesten Baustahl (COR-TEN-Stahl), Edelstahl und Low-background steel (Stahl mit geringer Grundstrahlung).
• Edelstahl ist eine Stahllegierung mit einem Chromgehalt von mindestens 11 %, der das Material vor Rost schützt und es hitzebeständig macht. Er ist extrem korrosionsbeständig und wird häufig in der Produktion von Industrieanlagen, Besteck, Kochgeschirr, chirurgischen Instrumenten, Architektur, Großgeräten und im 3D-Druck eingesetzt.
• Werkzeugstahl bezeichnet verschiedene Kohlenstoff- und Legierungsstähle, die extrem verschleißfest sind und hohen Schneidkantentemperaturen standhalten. Deswegen ist er ein idealer Rohstoff zur Herstellung von Schneid-, Press-, Extrusions- oder Stanzwerkzeugen für Metalle oder andere Stoffe. 

In der Metallfertigung werden unterschiedliche Techniken genutzt, bei fast allen liegt der Rohstoff als Blech, Knüppel, Sange, Rohr, Platte, Barren oder Draht vor.

• Drehen – Ein zylindrisches Metallteil wird in eine Drehbank gespannt und gedreht, während ein Schneidwerkzeug an unterschiedlichen Stellen und unterschiedlich tief dagegen gehalten wird, um präzise Material abzuspanen, bis man die gewünschte Form erhält. 
• Umformen – Sehr starke mechanische Pressen biegen, strecken, schneiden, walzen und formen Metallteile durch Druck und schwere Lasten.
• Fräsen – Rotierende Messer auf oder in einer Maschine spanen effizient und präzise Material von einem Metallteil ab, bis die gewünschte Form erreicht ist. In den 1960ern wurden die traditionellen Fräsmaschinen dank Computersteuerung (computer numerical control, CNC) und automatischem Werkzeugwechsel stark modernisiert.
• Schmieden – Metall wird durch Hämmern, Pressen oder Walzen umgeformt. Während früher per Hand geschmiedet wurde, erfolgt das moderne Schmieden mit druckluftbetriebenen, elektrischen, hydraulischen oder dampfbetriebenen Schmiedepressen. Beim Schmieden unterscheidet man je nach Temperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird in Kalt-, Warm oder Heißschmieden.
• Schweißen – Zwei oder mehr Metallteile werden unter großer Hitze und Druck aufgeschmolzen und miteinander verbunden. Beim Schweißen werden verschiedene Wärmequellen verwendet, wie Gasflammen, Lichtbögen, Laser, Elektronenstrahlen, Reibung und Ultraschall.
• Gießen - Metall wird erhitzt, bis es flüssig ist und dann in eine Form gegossen. Form und Metall lässt man abkühlen, bis das flüssige Metall fest wird, dann kann es aus der Form genommen werden. Gießen ist das bevorzugte Verfahren zur Anfertigung komplexer Formen, deren Produktion mit anderen Methoden zu schwierig oder kostspielig wäre.
• Strangpressen – Heißes oder kaltes Metall wird durch ein Werkzeug mit der gewünschten Form bzw. dem gewünschen Profil gepresst. Das Material kann entweder endlos gepresst werden, um eine lange Reihe zu erhalten oder halbkontinuierlich, um mehrere separate Teile zu erhalten.  Dieses Verfahren eignet sich gut, um besonders komplexe Querschnitte herzustellen. Weitere Vorteile sind eine hohe Oberflächengüte, ein stabiles Endprodukt und eine hohe Designfreiheit in Bezug auf die Form.

1. Vielfalt – Es gibt viele verschiedene Metalle und Legierungen, die jeweils andere Eigenschaften aufweisen.
2. Produzierbarkeit – Metall ist relativ einfach zu verarbeiten, kann in Objekte jeder Größe und Form gebracht werden und ermöglicht ganz unterschiedliche Endbearbeitungen.
3. Niedrige Kosten – Waren aus Metall sind leicht und kostengünstig massenproduzierbar, wobei verschiedenste Verfahren genutzt werden können, obwohl das Ausgangsmaterial relativ kompliziert zu gewinnen und raffinieren ist.
4. Leitfähigkeit – Metalle leiten Strom, wodurch sie sich ideal für Drähte und Elektronikkomponenten eignen.
5. Festigkeit – Die meisten in der Fertigung verwendeten Metalle sind fest, langlebig, hitzebeständig, haben hohe Schmelzpunkte und sind einfach zu reinigen. Durch die Kombination von Metallen zu einer Legierung können diese Eigenschaften noch verbessert werden.
6. Wiederverwendbarkeit – Abgesehen von Blei und Quecksilber kann nahezu jedes Metall recycelt werden und wird es auch zunehmend. So werden weltweit fast 700 Millionen Tonnen Stahl und mehr als 30 Millionen Tonnen Aluminium jedes Jahr recycelt.

1. Abbau – Die Verfahren zur Metallgewinnung aus der Erde können negative Folgen für die Umwelt haben.
2. Endliche Ressource – In der Erdkruste befindet sich nur eine bestimmte Menge Metall, und große Mengen sind derzeit nicht zugänglich, weil sie zu tief unter der Erde liegen.
3. Korrosion – Manche Metalle rosten mit der Zeit, was sie strukturell schwächt und das Erscheinungsbild beeinträchtigt. 
4. Hohe Kosten – Die Anfangskosten für die Fertigung von Teilen aus Metall sind hoch, vor allem bei hohen Volumina, weil teure Maschinen und spezielles Werkzeug benötigt werden. Zudem sind manche der Chemikalien für die einzelnen Umform- und Endbearbeitungsmethoden gefährlich, unterliegen damit gesetzlichen Regelungen und erfordern eine spezielle Lizenz zur Verarbeitung. 
5. Bessere Alternativen – Auch wenn Metalle erheblich härter sind als die meisten Kunststoffe, sind Kunststoffe leichter, einfacher zu bearbeiten, weniger nachbearbeitungsaufwändig und korrosionsbeständiger. Metall in einem Gebäude zu verwenden kann zum Beispiel deutlich teurer und arbeitsintensiver sein als ein Material wie Beton zu nehmen.   

3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, umfasst eine ganze Reihe verschiedener Verfahren und Techniken. Bei allen wird ein Werkstoff, meist Kunststoff oder Metall, in vielen dünnen Schichten aufgetragen, bis ein fertiges Objekt entstanden ist.

Der 3D-Druck von Kunststoff geht bis in die 1980er Jahre zurück. Metallischer 3D-Druck kam in den 1990ern nach der Erfindung des Laserschmelzens und -sinterns (Hitze ohne Schmelzen) auf.

Je weiter die Technologie voranschritt, desto größer wurde die Auswahl an geeigneten metallischen Werkstoffen:

• Aluminium – Aus Aluminiumpulver mit ultrafeiner Körnung werden per Lasersinter Metallteile gefertigt, die genauso gut sind wie entsprechende maschinell gefertigte Teile. Wird häufig in der Produktion von Funktionsteilen, Ersatzteilen und Schmuck eingesetzt. Für den 3D-Druck von Aluminium nutzt man vor allem die Verfahren Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Selektives Laserschmelzen (SLM).
• Messing – wird in der Regel für die Anfertigung detailgetreuer Miniaturen, Skulpturen, Schmuckstücke oder Probedrucke (zum Anpassen der Form vor der Produktion mit Gold oder Silber) verwendet.
• Bronze – preisgünstiges und festes Material zum Drucken von Metall, das in der Regel genau wie Messing eingesetzt wird.  
• Kupfer – wird für den Druck von kleinen dekorativen Modellen wie Münzen, Medaillen, Steckern und Statuen verwendet. 
• Gold – wird meistens für den Druck von Schmuck verwendet, entweder als 14- oder 18-Karat-Massivgold mit einer Legierung zur Erhöhung der Haltbarkeit.
• Rostfreier Feindetailstahl – ermöglicht eine hohe Detailgenauigkeit und Festigkeit und eignet sich daher für Teile wie Miniaturfiguren, Schmuck, Schlüsselketten und Schrauben.
• Sterlingsilber – 3D-Druck-Modelle aus Silber bestehen zu 92,5 % aus reinem Silber und zu 7,5 % aus einem anderem Metall, meist Kupfer. Am häufigsten wird der 3D-Druck von Silber zur Schmuckherstellung genutzt.
• Stahl – die preisgünstigste Form des metallischen 3D-Drucks. Stahlpulver wird mit Bronze gefüllt und ergibt einen Werkstoff, aus dem sich hochfeste und sehr große Objekte formen lassen.
• Titan –3D-gedruckte Objekte aus Titan sind hochfest, präzise und genauso gut wie entsprechende maschinell gefertigte Teile. Der Werkstoff hat dieselben Eigenschaften und Anwendungsgebiete wie Aluminium.