Produktionstechnik
Unter Produktionstechnik werden alle Maßnahmen und Einrichtungen zur industriellen Herstellung von Gütern zusammengefasst. Entwicklung und Konstruktion der Güter gehen der Produktion voran.[1] Die Produktionstechnik wird bevorzugt in folgende drei Hauptgruppen unterteilt:[2]
Hilfstechniken sind Fördertechnik, Handhabungstechnik u. a.
Eine andere Unterteilung ist:[3]
- Gewinnungs- und Aufbereitungstechnik zur Rohstoffgewinnung und -erzeugung (z. B. Gewinnung von Erzen, Kohle, Erdöl und -gas, Gestein, Holz, Baumwolle.),
- Verfahrenstechnik zur Stoffwandlung,
- Fertigungstechnik zur Formgebung.
Geschichte
Die Produktionstechnik als Teilgebiet der modernen Ingenieurwissenschaften entstand im Laufe der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert. Ihre Vorläufer sind allerdings viel älter und gehen bis zu den ersten Menschen zurück. In der Steinzeit verwendete man einfache Faustkeile zur Bearbeitung von Holz oder tierischem Material. Später wurden die Steinwerkzeuge immer feiner und differenzierter. Gebaut wurden Äxte, Schaber, Nadeln, Harpunen, Messer, Sicheln, Speere und Pfeilspitzen.
Mit der Entdeckung von Kupfer, Gold und Silber, wurden auch entsprechende Fertigungsverfahren entwickelt: Das Schmieden und Gießen. Durch Legieren von Zinn zu Kupfer entstand Bronze die die Bronzezeit einläutete. Sie hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als reines Kupfer und lässt sich daher leichter gießen und ist zugleich fester und härter.
Etwa 1500 v. Chr. wurde von den Hethitern das Eisen entdeckt. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Metallen kommt es in reiner Form nicht vor, sondern muss aus Erzen erschmolzen werden. Es verdrängte allmählich die Bronze, weshalb die neue Epoche auch als Eisenzeit bezeichnet wird. Allerdings wurde im antiken Griechenland noch lange Bronze für Waffen, Rüstungen, Werkzeuge benutzt. Eisen war auch das erste Metall das nur im heißen Zustand bearbeitet werden konnte. Man benötigte daher entsprechende Öfen zum Erhitzen, die mit Kohle gefeuert wurden, Zangen zum Festhalten und eiserne Werkzeuge wie Hammer und Amboss zur Bearbeitung. Die in der Antike bekannten Rennöfen konnten das Eisen noch nicht schmelzen, da die erzeugte Temperatur zu niedrig war. Für Kunstwerke wie Statuen benutze man daher den Bronzeguss. In der Antike waren das Feuerschweißen, Nieten, Löten und Feilen bekannt. Außerdem wurden bereits erste griechische und römische Wassermühlen und Göpel gebaut.
- Mittelalter
Im Mittelalter breiteten sich Wind- und Wassermühlen aus. Im England des 13. Jahrhunderts soll es beispielsweise etwa 5000 gegeben haben. Sie wurden zum Mahlen von Getreide benutzt aber auch um große Schmiedehämmer anzutreiben, wodurch die Bearbeitung immer größerer Schmiedestücke möglich wurde. Die Eigenschaften des Eisens konnten auch gezielt durch Anlassen, Aufkohlen und Glühen beeinflusst werden. Die verfügbaren Hochöfen erreichten nun die benötigten Temperaturen um Eisen zu gießen, was vor allem zur Herstellung von Glocken eingesetzt wurde. Draht wurde inzwischen gezogen und nicht mehr geschmiedet und Schlosser verwendeten erstmals Schraubstöcke.
- Renaissance
In der Renaissance entwickelte und baute Leonardo da Vinci eine Vielzahl an Maschinen, manche waren auch schon teilweise automatisiert. Dazu zählen eine Maschine zum Feilenhauen, mehrere Bohrmaschinen und Zylinderschleifmaschinen. Kanonen wurden zunächst aus Bronze über einem Kern gegossen und anschließend ausgebohrt. Dazu wurden senkrechte oder waagrechte Bohrmaschinen entwickelt. Es entstanden auch erste Walzmaschinen zum Walzen von Blei, später auch für Kupfer. Erst kurz nach 1700 konnte man Eisen walzen. Etwa zur selben Zeit konnte man auch eiserne Kanonenrohre aus dem Vollen bohren, die dafür genutzten Maschinen mussten 1712 nur geringfügig modifiziert werden um die Dampfkessel der ersten Kolbendampfmaschinen von Thomas Newcomen und ab 1775 die verbesserte von James Watt auszubohren.
- Industrielle Revolution
Ab der industriellen Revolution ab etwa 1750 entwickelte sich die gesamte Produktionstechnik viel rasanter. Die bisher übliche Holzkohle wurde durch Steinkohle ersetzt, mit dem Puddelverfahren gab es eine neue und wirtschaftlichere Produktionsmethode für Stahl der sich schnell ausbreitete und das Holz immer weiter verdrängte. Er wurde zusammen mit Gusseisen verwendet zum Bau von Dampfmaschinen, Textilmaschinen (Spinnen, Weben), Werkzeugmaschinen, Dampflokomotiven und Schienen. Durch den großen Bedarf gleicher, genormter Teile in diesen Branchen kam es erstmals zur Massenproduktion. Ab 1740 gab es ein aufwendiges Verfahren zur Herstellung von Gussstahl, das im 19. Jahrhundert durch das wirtschaftlichere Bessemerverfahren und schließlich das Siemens-Martin-Verfahren abgelöst wurde. Eisenwerkstoffe konnten mit den nun vorhandenen Maschinen auch zuverlässig zerspant werden. Ab etwa 1900 waren sie präzise genug um Passungen herzustellen. Dies ermöglichte die Fertigung von Automobilen am Fließband, wodurch sich die Stückkosten beträchtlich senkten. Im 19. Jahrhundert machte auch die Chemie und die Verfahrenstechnik große Fortschritte. Wichtige chemische Grundstoffe wie Schwefelsäure und Ammoniak und Soda konnte man industriell herstellen. Produziert wurden damit Teerfarben und Bleichmittel für die Textilindustrie sowie Lacke, Arzneien und Düngemittel.[4]:S. 11, 28–30
Ab 1900 konnte man Dampfturbinen bauen, die einen viel höheren Wirkungsgrad haben als Kolbendampfmaschinen. Zusammen mit den neuen Generatoren konnte man in Kraftwerken nun elektrische Energie erzeugen und nahezu verlustfrei über weite Strecken zur Verfügung stellen. Genutzt wurde die neue Energieform zunächst für die Beleuchtung, aber schon bald darauf auch für den Antrieb von Straßenbahnen, und Maschinen mittels Elektromotoren. Mit dem Erdöl stand auch ein neuer Energieträger zur Verfügung, der in Verbrennungsmotoren wie dem Otto-Motor oder dem Diesel-Motor genutzt wurde. Sie setzten sich vor allem bei Fahrzeugen durch. Die Elektrizität führte auch zum neuen Gebiet der Elektrochemie. Mit ihr konnte man Aluminium industriell in großen Mengen herstellen und als neuen Werkstoff nutzen. Außerdem wurden erste Kunststoffe und Kunstfasern entwickelt. Ab etwa 1950 kam auch die Kernenergie als weiterer Energieträger dazu.[4]:31–33
- 20. Jahrhundert
Im gesamten 20. Jahrhundert wurden die Schneidstoffe wie Schnellarbeitsstahl, Wolframcarbid oder Diamant immer weiter verbessert und ermöglichten die spanende Bearbeitung immer härterer Werkstoffe. Ab etwa 1980 konnte man auch gehärteten Stahl zerspanen. Dreh-, Fräs-, Bohr- und Schleifmaschinen wurden ab Mitte des Jahrhunderts durch die CNC-Steuerung immer weiter automatisiert und flexibler. Ergänzt wurden sie vor allem in der Montage durch Industrieroboter. Anfang des Jahrhunderts wurden viele neue Schweißverfahren entwickelt wie das Lichtbogenhandschweißen, Metallschutzgasschweißen (MSG) oder das Wolframinertgasschweißen (WIG-Schweißen) die das Nieten als bevorzugtes Fügeverfahren ablösten. Der in den 1960er Jahren entwickelte Laser wurde für Präzisionsmessmittel eingesetzt und für vollkommen neue Verfahren wie das Laserstrahlschneiden und -schweißen oder für die neuen generativen Fertigungsverfahren wie das 3D-Drucken, oder Rapid Prototyping.[4]:33–37
- 21. Jahrhundert
Im Rahmen der Industrie 4.0 werden Prozesse zunehmend virtualisiert. Die Produktionsautomatisierung löst die handwerkliche Werkstattfertigung auch in der Fläche ab. Die schnelle Produktentwicklung greift nun zusätzlich zum Rapid Prototyping auch auf Rapid Tooling und Rapid Manufacturing zurück, da die Anforderungen an geometrische Komplexität, geringe Stückzahlen und schnelle Markteinführung weiter steigen.
Einzelnachweise
- Die Erschaffung der zur Produktion verwendeten Einrichtungen erfolgt in den gleichen Schritten.
- Werner Skolaut (Hrsg.): Maschinenbau, Springer, 2014, S. 968.
- Grote, Engelmann, Beitz, Syrbe, Beyerer, Spur: Das Ingenieurwissen - Entwicklung, Konstruktion und Produktion, Springer, 2012, S. 104.
- Warnecke: Revolution der Unternehmenskultur, Springer, 1993, S. 11, 28–31, 33–37.
Literatur
- Christian Brecher (Hrsg.): Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer, Springer, 2011.
- Grote, Engelmann, Beitz, Syrbe, Beyerer, Spur: Das Ingenieurwissen – Entwicklung, Konstruktion und Produktion, Springer, 2012.
- Zur Geschichte
- Günter Spur: Produktionstechnik im Wandel. Hanser, München 1979.
