Trenn-, Umform- und Urformverfahren im Überblick

Stell dir vor, du sollst für ein neues Produkt entscheiden, wie ein Bauteil hergestellt wird. Auf dem Tisch liegen Dutzende Möglichkeiten: Gießen, Fräsen, Schmieden, Laserschneiden, Sintern, Tiefziehen. Ohne ein Ordnungssystem ist das eine willkürliche Liste. Mit dem richtigen Raster wird daraus eine überschaubare Entscheidung.

Die Fertigungstechnik teilt alle Verfahren nach einem einzigen Leitgedanken ein: Was passiert mit der Geometrie und dem Zusammenhalt des Werkstücks? Daraus ergeben sich sechs Hauptgruppen.

Die ersten drei verändern die Form des Teils:

• Urformen – eine feste Form wird erstmals geschaffen, aus etwas Formlosem (flüssig, pulverförmig, körnig).
• Umformen – eine vorhandene feste Form wird bleibend geändert, ohne dass Material zu- oder abgeführt wird.
• Trennen – der Zusammenhalt des Werkstücks wird örtlich aufgehoben, Material wird abgetrennt.

Die anderen drei verändern nicht die Grundform, sondern Verbindungen, Oberflächen oder den Werkstoff selbst:

• Fügen – mehrere Teile werden dauerhaft oder lösbar zusammengebracht.
• Beschichten – auf ein Werkstück wird eine fest haftende Schicht aufgebracht.
• Stoffeigenschaften ändern – die Eigenschaften des Werkstoffs werden gezielt verändert, etwa durch Wärmebehandlung.

In diesem Beitrag geht es um die ersten drei Gruppen, weil sie die eigentliche Gestalt eines Teils bestimmen. Fügen, Beschichten und das Ändern von Stoffeigenschaften sind eigene große Themenfelder.

Ein hilfreiches Begriffspaar dazu: Urformen schafft Geometrie, Umformen ändert Geometrie, Trennen vermindert Geometrie. Fügen wiederum vermehrt Geometrie, indem es Teile zusammensetzt.

Beim Urformen entsteht ein fester Körper mit definierter Geometrie aus einem Stoff, der vorher keine feste Form hatte. Dieser Ausgangsstoff kann flüssig sein (geschmolzenes Metall), pulverförmig (Metall- oder Keramikpulver) oder breiig. Das Verfahren erzeugt die Form zum ersten Mal – daher die Vorsilbe „Ur-„.

Der wichtigste Vertreter ist das Gießen. Flüssiges Metall wird in eine Form gegossen, erstarrt dort und nimmt deren Gestalt an. Je nach Form unterscheidet man unter anderem:

• Sandguss – die Form besteht aus verdichtetem Formsand, wird nach dem Guss zerstört. Günstig, auch für große und einzelne Teile.
• Druckguss – flüssiges Metall wird unter hohem Druck in eine Dauerform aus Stahl gepresst. Sehr maßgenau, hohe Stückzahlen, typisch für Aluminium- und Zinkteile.
• Kokillenguss – Guss in eine wiederverwendbare Metallform (Kokille) ohne hohen Druck, zwischen Sand- und Druckguss angesiedelt.

Neben dem Gießen gehören auch das Sintern (Verdichten und Erhitzen von Pulver bis knapp unter den Schmelzpunkt, sodass die Körner zusammenbacken) und das Spritzgießen von Kunststoffen (Einspritzen von aufgeschmolzenem Kunststoff in eine Form) zum Urformen.

Urformen lohnt sich besonders, wenn die Geometrie komplex ist, sich schwer zerspanen lässt oder in größerer Stückzahl benötigt wird. Der Bau von Modell oder Form verursacht Anfangskosten, die sich erst über die Menge rechnen.

Ein wichtiger Punkt bei allen Gussverfahren ist die Schwindung. Beim Abkühlen zieht sich das erstarrende Metall zusammen, das Teil wird kleiner als die Form. Damit das fertige Werkstück am Ende das richtige Maß hat, muss das Modell von vornherein etwas größer sein. Dieses Übermaß heißt Schwindmaß und wird über den werkstoffabhängigen Schwindmaßfaktor berücksichtigt.

Das Modellmaß berechnet sich grundsätzlich so:

Typische Schwindmaße liegen je nach Werkstoff grob im Bereich von etwa 1 % bis 2 %. Der genaue Wert ist immer der Werkstoffangabe zu entnehmen.

Beim Umformen wird ein bereits fester Körper bleibend in eine neue Form gebracht, ohne dass Material zu- oder abgeführt wird. Das Volumen bleibt also konstant, der Zusammenhalt des Werkstoffs ebenfalls – das Material wird nur plastisch verschoben. Das ist der saubere Unterschied zum Trennen, bei dem Material entfernt wird.

Damit sich ein Werkstoff bleibend (plastisch) verformen lässt, muss er über seine Elastizitätsgrenze hinaus belastet werden. Je nach Richtung der wirkenden Kräfte unterscheidet man mehrere Untergruppen:

• Druckumformen – das Werkstück wird durch Druckkräfte umgeformt. Beispiele: Schmieden (Schlagen oder Pressen in Form), Walzen (Durchlaufen zwischen rotierenden Walzen, etwa beim Blech), Fließpressen.
• Zugdruckumformen – Zug- und Druckkräfte wirken zusammen. Hauptbeispiel: Tiefziehen, bei dem aus einem flachen Blech ein topfförmiges Teil gezogen wird.
• Zugumformen – das Werkstück wird durch Zugkräfte gelängt, etwa beim Streckziehen.
• Biegeumformen – das Werkstück wird durch eine Biegebeanspruchung umgeformt.

Das Biegeumformen ist hier nur als eigene Untergruppe im System eingeordnet. Die praktischen Verfahren des Scherens und Biegens – Werkzeuge, Biegekräfte, gestreckte Länge und Rückfederung – werden in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt und hier bewusst nicht vertieft.

Ein zentrales Begriffspaar ist die Unterscheidung zwischen Kaltumformen und Warmumformen:

• Beim Kaltumformen wird der Werkstoff bei Raumtemperatur verformt. Er verfestigt sich dabei (Kaltverfestigung), wird also härter und fester, aber auch spröder. Vorteil: gute Maßhaltigkeit und glatte Oberfläche.
• Beim Warmumformen wird der Werkstoff vorher erwärmt, bei Stahl bis in den glühenden Bereich. Er lässt sich dann mit geringeren Kräften und stärker verformen, ohne zu verfestigen. Nachteil: Zunder und geringere Maßgenauigkeit.

Genau hier zahlt sich das thermische Grundverständnis aus: Ob ein Werkstoff warm oder kalt umgeformt wird, hängt unmittelbar von seinem Temperaturverhalten ab.

Beim Trennen wird die Form eines Werkstücks geändert, indem der Zusammenhalt örtlich aufgehoben und Material abgetrennt wird. Anders als beim Umformen bleibt das Werkstück also nicht vollständig erhalten – ein Teil davon wird entfernt. Das unterscheidet Trennen klar von den beiden vorigen Gruppen.

Trennen gliedert sich in mehrere Untergruppen:

• Zerteilen – das Werkstück wird ohne Span durchtrennt, etwa durch Scheren. Hierbei fällt kein zerspanter Abfall an, das Material wird nur durchschnitten.
• Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide – die Schneide hat eine genau definierte Form und Anzahl. Dazu zählen Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen und Hobeln. Es entstehen Späne mit erkennbarer Form.
• Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide – die Schneiden sind unregelmäßig verteilt und nicht einzeln definiert, wie bei den Körnern einer Schleifscheibe. Hierzu gehören Schleifen, Honen und Läppen. Typisch für feinste Oberflächen.
• Abtragen – Material wird ohne mechanische Schneide entfernt, etwa thermisch (Brennschneiden, Laserschneiden, Funkenerosion) oder chemisch (Ätzen).

Der Span ist das abgetrennte Material bei den spanenden Verfahren. Seine Form verrät viel über den Prozess – ein gleichmäßiger Fließspan deutet auf saubere Bedingungen hin, ein zerrissener Span auf ungünstige Schnittwerte.

Das Scheren ist hier nur als Untergruppe des Zerteilens eingeordnet. Wie schon beim Biegen gilt: Werkzeuge, Schneidspalt und Scherkraft werden im eigenen Beitrag zu Scheren und Biegen behandelt und hier nicht weiter ausgeführt. Auch die einzelnen spanenden Verfahren – Sägen, Bohren, Senken, Reiben und das Gewindeschneiden – sind jeweils eigene Themen und werden hier nur in der Systematik genannt.

Die Einteilung in Urformen, Umformen und Trennen ist die Grundlage – die eigentliche Kunst liegt darin, für eine konkrete Aufgabe das passende Verfahren zu finden. Dabei spielen mehrere Kriterien zusammen:

• Stückzahl – Urformen und Umformen brauchen oft teure Werkzeuge (Modelle, Gesenke, Formen), die sich erst in Serie rechnen. Trennende Verfahren brauchen keine teure Vorform und sind bei Einzelteilen und kleinen Stückzahlen im Vorteil.
• Geometrie – komplexe Innenräume und filigrane Formen lassen sich gießen, aber kaum aus dem Vollen fräsen. Einfache Drehteile dagegen sind klassische Trennaufgaben.
• Werkstoff – nicht jeder Werkstoff lässt sich gut gießen, umformen oder zerspanen. Gusseisen etwa lässt sich hervorragend gießen, aber kaum umformen.
• Genauigkeit und Oberfläche – sehr enge Toleranzen und feine Oberflächen erreicht man meist erst durch nachgelagertes Trennen, vor allem Schleifen.
• Kosten – ergeben sich aus dem Zusammenspiel der obigen Punkte und entscheiden am Ende.

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist die Materialausnutzung. Urformen und Umformen sind verlustarm – das eingesetzte Material landet weitgehend im Bauteil. Trennen erzeugt dagegen prinzipbedingt Abfall in Form von Spänen oder Verschnitt. Bei teuren Werkstoffen ist das ein gewichtiges Argument.

In der Realität wird ein Teil oft durch eine Verfahrenskette fertiggestellt, in der mehrere Hauptgruppen nacheinander zum Einsatz kommen:

Ein gegossenes Pumpengehäuse wird also zuerst urgeformt, dann an den Funktionsflächen zerspant und zuletzt an den Lagersitzen geschliffen. Jede Hauptgruppe trägt das bei, wofür sie am besten geeignet ist.

Die folgende Übersicht fasst die drei Hauptgruppen vergleichend zusammen: