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Файл:Немецкий язык для магистров технического профиля. Учебное пособие
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und gleichmässig durchgeführt werden. Das CNC-Drehen ersetzt
fehleranfällig manuelle Verfahren. Es können Drehteile aller Art
angefertigt werden. Mit Hilfe eines automatischen Auswerfers
können auch Teilfertigungen unternommen werden. Dank des
CNC-Verfahrens werden alle Werkstücke als Ganzes aus einem
Block herausgearbeitet. Das CNC-Drehen eignet sich gleichermassen für die Produktion von Klein- wie von Grossserien. Es können
aber auch Prototypen, Ersatz- und Einzelteile angefertigt werden.
Es handelt sich also um ein besonders flexibles Verfahren.
Geeignete Materialien für die CNC-Fertigung. CNC-Ar-
beitsprozesse wurden vor allem für die Herstellung von Präzisionswerkzeugen entwickelt. Als Grundstoff kommen Metall und
Kunststoff in Betracht. Computergesteuertes Bohren, Drehen und
Fräsen erweist sich aber als besonders flexibel, indem die Maschi-
nen einfach und unkompliziert auf andere Werkstoffe umgerüstet
werden können. So lassen sich auch Bronze, Messing, Stahl, Edel-
stahl und Kupfer, d.h. Metalle mit sehr unterschiedlichen Härtegraden, effizient bearbeiten. Aber auch weichere Werkstoffe
kommen in Betracht, unter anderem für Präzisionsfertigungen aus
Mineral, Keramik und Holz. Hier die für CNC-Fertigung geeigneten Materialien auf einen Blick: Kunststoff, Metall, Buntmetall,
Bronze, Stahl, Edelstahl, Keramik, Holz, Mineral
Additive Fertigungsverfahren (3D-Druck)
Der 3D-Druck, auch bekannt unter den Bezeichnungen Additive Fertigung, Additive Manufacturing (AM), Generative Fertigung oder Rapid-Technologien, ist eine umfassende Bezeichnung
für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für
Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände
(Werkstücke) erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische mehreren Härtungs- oder
Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken
sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Inzwischen
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wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck
von Teilen aus Kohlenstoff entwickelt. Obwohl es sich oft um
formende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie
des Werkstückes gespeichert haben (zum Beispiel Gussformen).
3D-Drucker werden in der Industrie, im Modellbau und der
Forschung eingesetzt zur schnellen und kostengünstigen Fertigung
von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich, dem Baugewerbe sowie in der Kunst und Medizin.
Industrie. Das Fused Deposition Modeling, welches Kunststoffe verarbeitet, ist bereits seit den 1990er Jahren kommerziell
im Einsatz. Gegenwärtig werden 3D-Drucker, die Metall verarbei-
ten können, immer interessanter. Das liegt vor allem in der Tatsa-
che begründet, dass sich so auch relativ einfach Bauteile herstellen
lassen, die sich auf Grund der komplexen Geometrie (z. B. mit
Hinterschnitten oder integrierten Kühlkanälen) nicht mit den kon-
ventionellen Fertigungsverfahren herstellen lassen. Darüber hinaus
kann eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3DDruck verwendet werden. Auf Grund der Komplexität der Geräte
mit Laser, Galvo-Scannern und spezieller Materialanforderungen
sind die Investitionen jedoch wesentlich höher als bei der Kunststoffverarbeitung. Neben den hohen Kosten gibt es noch weitere
Hürden, die einer großflächigen industriellen Nutzung von 3DDruckern entgegenstehen, wie zum Beispiel die teilweise noch un-
zureichende Qualität, eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit
oder fehlendes Know-how der Unternehmen.
Bekannte Hersteller und Anbieter sind im Bereich selektives
Lasersintern/Selektives Laserschmelzen die Unternehmen Concept
Laser, EOS, SLM Solutions Group; im Bereich Binder Jetting das
Unternehmen Voxeljet, 3D Systems (das vormalige Z-CorpVerfahren firmiert seit Januar 2012 unter dem Namen 3D Systems). Ferner gibt es noch die Bereiche Elektronenstrahlschmelzen, Stereolithografie, Digital Light Processing, Polyjet-Modeling
und 3D-Siebdruck.
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3D-Drucker für Heimanwender ermöglichen die Herstellung
von Objekten wie kleinen Spielzeugen, Schmuck oder Stiftebechern. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte und einwandfreie Kurven sind nur mit professionellen Druckern herstellbar. Neben den auch bei 2D-Druckern wesentlichen Eigenschaften
wie Geschwindigkeit und Auflösung ist bei 3D-Druckern wichtig,
welche Materialien verwendet werden können und wie sie verarbeitet werden. Im Modellbau lässt die Qualität von „Billig- Drukkern“ jedoch oft zu wünschen übrig.
Es ist außerdem möglich, sein Objekt in einem FabLab aus-
drucken zu lassen oder die CAD-Datei bei Online-Services hochzuladen und sich sein Produkt nach Hause liefern zu lassen. 3DScanner, um Objekte in Daten umzuwandeln, sind nicht immer erforderlich. Manchmal funktioniert das bereits mit einer einfachen
Webcam und einer speziellen Software. Es werden Online-Dienste
angeboten, die ein Objekt anhand von Fotos aus verschiedenen
Perspektiven in eine Datei umwandeln.
Für den 3D-Druck gelten die Regeln des Urheberrechts, insbesondere bei Patenten und Gebrauchsmustern sowie im gewerblichen Gebrauch.
Kerbschlagbiegeversuch
Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein 1905 von Augustin
Georges Albert Charpy eingeführtes Verfahren der Werkstoffprü-
fung, das nach DIN EN ISO 148-1 (für metallische Werkstoffe)
bzw. DIN EN ISO 179-1 (für Kunststoffe) relativ schnell und einfach Zähigkeitseigenschaften von Werkstoffen bestimmt, speziell
die Kerbschlagzähigkeit. Dabei wird das Verhalten eines länglichen Quaders, der einseitig gekerbt (meist V-, seltener U-Kerbe)
und im temperierten Zustand (gekühlt oder erwärmt) ist, bei hoher
Verformungsgeschwindigkeit (Schlagbeanspruchung) untersucht.
Der Versuch besteht darin, dass ein Pendelhammer mit einer bestimmten kinetischen Energie auf die ungekerbte Rückseite der
Probe trifft und sie dabei zerschlägt. Dabei wird im Moment des
Aufschlagens auf die Probe ein Teil der kinetischen Energie des
Hammers durch Verformungsprozesse in der Probe absorbiert. Der
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Betrag dieser Energie ist je nach Material und Temperatur unterschiedlich. Entsprechend der Energie, die während des Zerschlagens von der Probe absorbiert wird, schwingt der Pendelhammer
auf der anderen Seite weniger hoch. Würde er ohne einge legte
Probe durchschwingen, würde er nahezu dieselbe Höhe wie amStartpunkt erreichen. Ermittelt wird somit die Kerbschlagarbeit W
in Joule, für einen bestimmten Werkstoff bei einer bestimmten
Temperatur.
Das Verformungsvermögen eines Werkstoffes kann unter
unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen verschieden sein.
Deshalb ist die Kenntnis über das Verformungsverhalten des
Werkstoffs ein wichtiges Kriterium für die Werkstoffbeurteilung
bzw. Werkstoffauswahl. In zahlreichen Fällen hat es sich gezeigt,
dass vor allem krz-Werkstoffe, die bei der üblichen Festigkeitsprüfung im (statischen) Zugversuchdie Anforderungen erfüllen, in der
Praxis zum Beispiel bei mehrachsiger Beanspruchung und tieferen
Temperaturen durch Sprödbruch versagen können. Vor Kenntnis
der möglichen starken Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit sind
wiederholt Schiffe (wie z. B. die Liberty-Frachter) bei niedriger
Temperatur auf ruhiger See spröde auseinandergebrochen.
Zähigkeit und Sprödigkeit sind also Eigenschaften, die nicht
allein vom Werkstoff abhängen, sondern auch von den Beanspru-
chungsbedingungen wie Spannungszustand, Verformungsge-
schwindigkeit und Temperatur (s. Übergangstemperatur). Wegen
des Auftretens mehrachsiger und/oder schlagartiger Beanspruchung in der technischen Praxis ist es notwendig, neben Bruchdehnung und Brucheinschnürung, die im Zugversuch bestimmt
werden, das Werkstoffverhalten auch unter Sprödbruchbedingungen zu untersuchen.
Die im Kerbschlagbiegeversuch ermittelte Kerbschlagarbeit
W geht ebenso wie die Verformungskennwerte A (Bruchdehnung)
und Z (Brucheinschnürung) aus dem Zugversuch nicht direkt in
die Festigkeitsberechnung ein. Daher ist mit Hilfe dieser Größen
nur eine qualitative Aussage bzw. eine Klassifizierung bezüglich
des Energieabsorptionsvermögens des Werkstoffs möglich.
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Metallschutzgasschweißen (MSG) / (MIG / MAG)
Das MIG/MAG-Schweißen ist eines der jüngeren Lichtbo-
genschweißverfahren. Es stammt aus den USA, wo es 1948 zuerst
angewandt wurde. Kurze Zeit später kam es nach Europa. Es wur-
de zuerst nur mit inerten Gasen oder mit Argon, das nur geringe
Mengen an aktiven Bestandteilen (z.B. Sauerstoff) enthielt, ange-
wandt und hieß deshalb abgekürzt SIGMA-Schweißen („shielded
inert gas metal arc“). Die Sowjetunion verwendete dann ab 1953
anstelle der teuren Inertgase wie Argon oder Helium ein aktives
Gas zum Schweißen, nämlich Kohlendioxid (CO2). Dies war nur
möglich, weil inzwischen auch Drahtelektroden entwickelt wur-
den, die dem beim Aktivgasschweißen höheren Abbrand von Legierungselementen Rechnung trugen.
MIG/MAG (Metall-Inert-Gas; reaktionsträge Gase) / (Me-
tall-Aktiv-Gas; aktive Gase) ist ebenfalls ein Lichtbogenschweiß-
verfahren, bei dem der abschmelzende Schweißdraht von einem
Motor in veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachge-
führt wird. Gleichzeitig wird die Schweißstelle über eine Düse mit
Kohlendioxid oder einem Edelgas (häufig Argon mit ca. 10 l/min,
Berechnungsgrundlage pro mm Schweißdraht Durchmesser * 10 l
= l/min an einzusetzendem Schutzgas) begast. Dieses Gas schützt
das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation, die die
Schweißnaht schwächen würde. Der Aktivgasanteil (i.a. CO2)
sorgt zum einen für eine bessere Wärmeabfuhr, zum anderen be-
wirkt er eine leichte Anreicherung des Schweißgutes mit Kohlen-
stoff. MIG bedeutet Metall-Inertgasschweißen. Hierbei wird kein
Aktivgas, sondern nur ein Inertgas (in der Regel Argon, aber auch
Helium) zugeführt, um den Luftsauerstoff von der Schweißnaht
fernzuhalten. Diese Schutzgase werden benötigt, um hochlegierte
Stähle, NE-Metalle und Al-Legierungen zu schweißen.
Beim Metall-Aktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit
reinem CO2 oder einem Mischgas aus CO2, Argon und O2 gearbeitet, um die Schweißverbindung entsprechend den besonderen technologischen Erfordernissen zu beeinflussen. Das MAG-Schweißverfahren wird bei un- und höher legierten Stählen eingesetzt.
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Flüssigerdgas
Erdgas in gasförmiger Form ist ein Energieträger mit einer
geringen volumetrischen Energiedichte. Für die Lagerung und den
Transport vor allem in Tankern ist es vorteilhaft, die Dichte massiv
zu erhöhen, indem man das Erdgas durch Abkühlen auf ca. − 162
C verflüssigt, also in Flüssigerdgas (LNG = liquefied natural gas)
umwandelt. In dieser Form ist die Dichte rund 600 mal höher als in
gasförmiger Form bei Raumtemperatur und Normaldruck. Jedoch
müssen Flüssigerdgas-Behälter gut wärmegedämmt (isoliert) werden, da jede Zufuhr von Wärme zur Verdampfung führt, also zur
Abgabe gasförmigen Erdgases (boil-off) und (wenn der Behälter
verschlossen wäre) zu einem Anstieg des Drucks. Ein LNG-Tank
gibt trotz Wärmedämmung stetig eine gewisse Menge Erdgas ab,
die entweder direkt verbraucht werden kann (z. B. zum Antrieb eines LNG-Tankers) oder durch Rückverflüssigung wieder dem
Tank zugeführt werden muss.
Im Wesentlichen entspricht die chemische Zusammensetzung des Flüssiggases dem des Erdgases, d. h. es liegt hauptsächlich Methan vor. Jedoch werden oft andere Kohlenwasserstoffe
wie Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Butan (C4H10), die im Pipelinegas in der Regel kaum vorkommen, dem Flüssigerdgas zugemischt, wenn sie bei der Aufbereitung anfallen und anders schlecht
nutzbar sind. Dies trifft z. B. bei der Gewinnung von Schiefergas
oft zu.
Die Dichte von Flüssigerdgas liegt bei ca. 450 kg/m3. Zu-
sammen mit dem Heizwert von 50 MJ/kg von Methan (dem
Hauptbestandteil) ergibt sich eine volumetrische Energiedichte
von ca. 22 MJ/l – deutlich geringer als z. B. ca. 36 MJ/l bei leich-
tem Heizöl, das eine wesentlich höhere Dichte aufweist. Die gra-
vimetrische Energiedichte von Flüssigerdgas liegt mit 50 MJ/kg
allerdings deutlich über dem Wert von 42,6 MJ/kg bei Heizöl.
Flüssigerdgas darf nicht verwechselt werden mit Flüssiggas,
welches hauptsächlich aus dem schwereren Propan und Butan (und
nicht aus Methan) besteht. Leider wird aber oft der Begriff Flüssiggas verwendet, wenn eigentlich Flüssigerdgas gemeint ist.
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Vergleich mit komprimiertem Erdgas. Als Alternative zur
Verflüssigung kann die Dichte von Erdgas auch erhöht werden,
indem man das Gas bei Zimmertemperatur stark komprimiert –
beispielsweise auf einen Druck von 20 bis 25 MPa (= 200 bis 250
bar). Man erhält damit sogenanntes CNG = compressed natural
gas. In diesem Fall benötigt man einen Behälter, der dem großen
Druck standhalten kann; andererseits braucht man dann keine
Wärmedämmung des Gastanks, um das Eindringen von Wärme zu
reduzieren. Die durch Kompression erreichte Dichte ist wesentlich
geringer als die Dichte, die durch Verflüssigung möglich ist. Ein
Vorteil ist, dass der Energieaufwand für die Kompression deutlich
geringer ist als der für die Verflüssigung.
Energieaufwand für die Verflüssigung. Die Verflüssigung
des Gases z. B. in einem LNG-Terminal (siehe unten) verbraucht
erhebliche Mengen von Energie – rund 10 bis 25 % des Heizwerts
des Erdgases. Dies liegt daran, dass das Gas für die Verflüssigung
sehr tief abgekühlt werden muss und dass ihm die Kondensations-
wärme entzogen werden muss. Die dafür nötigen Kältemaschinen
können mit einem Teil des Gases betrieben werden oder auch mit
elektrischer Energie aus dem Stromnetz.
Es gibt verschiedene Verfahren der Verflüssigung. Im klassischen Kaskaden-Zyklus wird das Erdgas in drei aufeinanderfol-
genden Kühlzyklen abgekühlt, die mit Propan, Ethan und schließ-
lich mit Methan arbeiten. Ein etwas vereinfachtes Verfahren, dass
nur eine Vorkühlstufe und einen weiteren Zyklus benötigt, ist et-
was energieaufwendiger. Die Abwärme der Kältemaschinen wird
in der Regel nutzlos an Meerwasser abgegeben.
Es sollte möglich sein, zukünftig verbesserte Verfahren zu
entwickeln, die etwas weniger als 10 % der Energie des Gases für
die Verflüssigung benötigen.
Transport von Flüssigerdgas
Der genannte hohe Energieaufwand wird immer häufiger in
Kauf genommen, da sich LNG insbesondere mit großen Spezial-
tankern gut über lange Strecken transportieren lässt, so dass der
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Transport nicht mehr an Pipelines gebunden ist. Die nötige Infrastruktur ist aufwendig, kann aber schneller als lange Pipelines realisiert werden und erlaubt eine flexiblere Reaktion auf Liefereng-
pässe z. B. durch politische Krisen. Auf diese Weise wird eine hö-
here Versorgungssicherheit erreicht.
Der typische Transportweg beginnt mit einer Pipeline, die
Erdgas unter hohem Druck in gasförmiger Form zu einer speziellen Hafenanlage (einem LNG-Terminal) bringt. Dort erfolgt die
Verflüssigung und die Beladung der Flüssiggastanker (LNGTanker). Diese fahren zu ihren Zielorten und entladen das Flüssi-
gerdgas an anderen LNG-Terminals, wo das Erdgas meist wieder
in gasförmiger Form in ein Pipeline-Netz eingespeist wird.
Eine Alternative zu diesem Ansatz ist es, die Verflüssigung
des Gases direkt an der Förderanlage vorzunehmen, beispielsweise
auf einem Spezialschiff nahe einer Gasförderplattform. Dies ist
insbesondere für die Gasförderung in abgelegenen Regionen inte-
ressant, wo der Abtransport mit einer Pipeline schwer realisierbar
ist.
Verflüssigung. Die Verflüssigung des Gases benötigt man
große Kältemaschinen, die oft mit Gasturbinen betrieben werden,
die einen Teil des Gases verbrennen. Der Energieaufwand ist erheblich (siehe oben).
Transport von Flüssigerdgas in Tankern. Meist wird das
Flüssigerdgas dann mit sehr großen Tankern über große Strecken
(oft tausende von Kilometern) transportiert, die oft einen Teil des
Gases für den eigenen Antrieb nutzen. Die Kapazitäten solcher
Tanker liegen oft über 100 000 m3, teils sogar über 250 000 m3 (also über 100 000 Tonnen). Es gibt allerdings auch viel kleinere
LNG-Tanker mit Kapazitäten von z. B. einigen hundert Tonnen für
die Binnenschifffahrt und für Küstenfahrten, etwa von großen Häfen zu kleineren Häfen.
Unterschiedliche LNG-Tanks kommen in Tankern zum Einsatz. Vor allem kleinere Schiffe enthalten meist mehrere kugel-
förmige Tanks mit einer mehrere Zentimeter dicken Wandung aus
Aluminium, die hintereinander im Schiff eingebaut sind. Sie sind
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schon von außen leicht zu erkennen. Größere moderne Tanker ent-
halten dagegen vermehrt riesige Membrantanks, die das verfügba-
re Volumen besser ausnutzen, weil kaum Lücken zwischen einzel-
nen Tanks verbleiben, und auch viel weniger schwer sind. In bei-
den Fällen müssen die Tanks mit einer effektiven Wärmedäm-
mung (Kälteisolierung) versehen werden, damit nicht zu viel
Wärme von außen eindringt, was nämlich zur Verdampfung von
Gas beiträgt. Eine doppelte Schiffshülle bietet Platz für Ballastt-
anks, die für Fahrten des entladenen Schiffs mit Ballastwasser ge-
füllt werden müssen. Lecks, die sicherheitstechnisch sehr proble-
matisch wären, werden mit aufwändigen Sicherheitsmaßnahmen
verhindert.
Fahrten auf hoher See dürfen nicht mit teilweise gefüllten
Tanks durchgeführt werden, da das darin herumschwappende
Flüssigerdgas eine Gefahr für die Stabilität wäre. Es ist aber zu-
mindest bei Kugeltanks möglich, einige Tanks ganz zu füllen, an-
dere dagegen völlig zu leeren.
Da nie ganz verhindert werden kann, dass eine gewisse
Menge Wärme von außen in die sehr kalten Tanks eindringt, ver-
dampft stetig ein Teil des Gases. Dieses “Boil-off-Gas” muss dem
Tank entnommen werden, da der Druck sonst ansteigen würde, bis
die Tankwandung versagt. Während der Fahrt ist dies kein Prob-
lem, da ohnehin Gas für den Betrieb der Antriebsmotoren des
Schiffs und evtl. für die Stromversorgung benötigt wird. Solange
ein Schiff im Hafen liegt und kaum Gas benötigt, beispielsweise
während der Entladung, kann das Gas über eine Leitung der Ha-
fenanlage abgegeben werden, um anderswo verwendet zu werden.
Eine andere Möglichkeit ist die Rückverflüssigung mithilfe einer
Kältemaschine. Soweit all dies nicht möglich ist, kann eine Abfa-
ckelung oder die Verbrennung in einer Brennkammer notwendig
werden. (Das Abblasen von unverbranntem Gas wäre nicht nur
sehr klimaschädlich, sondern ist auch wegen der Explosionsgefahr
nicht akzeptabel.) Bei kleineren Schiffen (beispielsweise in der
Binnenschifffahrt) kann das Boil-off-Gas pro Tag mehr als 0,1 %
der Tankkapazität betragen, bei großen Schiffen dagegen deutlich
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weniger, da diese ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche und
Volumen aufweisen.
Der Energieverbrauch des Tankers beim Transport liegt bei
moderner Antriebstechnologie in der Größenordnung von 1 bis
2 % pro 1000 km (unter Berücksichtigung der leeren Rückfahrten).
Er ist ähnlich wie der Energieverbrauch für den Betrieb einer Pipe-
line, bei weiterer Entwicklung der Tanker evtl. etwas tiefer. Die kilometerabhängigen Transportkosten dagegen liegen weitaus tiefer
als bei der Pipeline, deren Bau aber sehr teuer ist. Daraus wird
klar, dass sich der Transport als LNG am ehesten bei großen Entfernungen von mehreren Tausend Kilometern lohnt.
Regasifizierung. Wenn Flüssigerdgas in einem Hafen an ei-
nem sogenannten LNG-Terminal angelandet wird, muss es meist
in einer Verdampfungsanlage wieder in die gasförmige Form ge-
bracht und komprimiert werden, um über Pipelines weitertranspor-
tiert werden zu können. Dieser Schritt wird als Regasifizierung be-
zeichnet. In manchen Fällen wird jedoch das LNG nur umgeladen,
beispielsweise in Binnenschiffe oder auf spezielle Tankwagen für
den Transport in der näheren Umgebung.
Bei der Regasifizierung muss dem Gas die nötige Verdamp-
fungswärme zugeführt werden. Hierfür ist allerdings keine beson-
ders hohe Temperatur nötig, da der Siedepunkt des Gases ja sehr
tief liegt. Man verwendet oft mit Meerwasser gespeiste Wärme-
übertrager, nutzt also kostenlose Umweltwärme. Bei der Regasifi-
zierung auf dem Tanker selbst wird manchmal stattdessen eine
Tauchflammenverdampfung verwendet. Der Betrieb einer Verdampfungs- und Kompressionsanlage kostet relativ wenig Energie
(in der Größenordnung von 1 bis 2 % des Energiegehalts des Erd-
gases). Effizienter wäre es freilich, die Kälte technisch zu nutzen,
etwa für die Kühlung von Lagerhallen. Allerdings dürfte es oft
schwierig sein, einen entsprechenden Kältebedarf in unmittelbarer
Nähe des LNG-Terminals zu finden. Im Prinzip könnte die Kälte
auch zur Stromerzeugung genutzt werden, etwa mit einem Organic
Rankine Cycle auf der Basis von Methan.
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