Reinhard Koether
Alexander Sauer

Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

5., überarbeitete und erweiterte Auflage
unter Mitarbeit von Dirk Odening

Zwei wichtige Trends bestimmen aktuell die Lage in der deutschen Industrie: Die Digitalisierung ‒ auch mit Industrie 4.0 bezeichnet und die zunehmende Relevanz der Ressource Energie. Beide Trends werden die Kosten in der Fertigung zukünftig stärker beeinflussen. Gleichzeitig gilt es, die Qualität der Produkte auf hohem Niveau zu halten, um die führende Position der fertigungstechnischen Industrie auf den Weltmärkten abzusichern.

Wirtschaftsingenieure werden bevorzugt an Schnittstellen zwischen wirtschaftlichen und technischen Aufgabenstellungen eingesetzt. Dazu gehört auch die Fertigungsplanung mit der Auslegung der Herstellungsprozesse und der Ablaufplanung für konkrete Fertigungsaufträge. Jedoch brauchen nicht nur Fertigungsplaner fertigungstechnisches Wissen. Auch im Einkauf, in der Projektleitung oder im Controlling produzierender Unternehmen wird Know-how über Fertigungsverfahren und Fertigungsparameter benötigt, um z. B. Kosten zu beurteilen oder um die Fähigkeit von Lieferanten und mögliche Risiken während der Beschaffung einzuschätzen.

Das vorliegende Buch ist aus unseren Vorlesungen an der Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule München entstanden. Eingeflossen sind auch unsere Erfahrungen aus der Berufspraxis, aus Beratungsprojekten sowie Projekten an der Universität Stuttgart sowie dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Das Buch will Wirtschaftsingenieuren einen Überblick über die gängigen Fertigungsverfahren zur Metallbearbeitung geben und neben den technischen Grundlagen und Abläufen auch die wirtschaftlichen Auswirkungen der Technik zeigen.

Unsere Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure bietet einen kompakten Überblick über Fertigungsverfahren und Maschinen. Dazu greift es die oben genannten Megatrends auf. Auch deshalb wendet sich das Buch nicht nur an Wirtschaftsingenieure, sondern an alle, die fertigungsnahe Aufgaben zu lösen haben, also auch an Betriebswirte oder Ingenieure, die eine Übersicht über Fertigungsverfahren bekommen wollen.

Für die 5. Auflage wurde die Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure grundlegend inhaltlich neu bearbeitet. So konnten wir für die Modernisierung des Kapitels Umformtechnik Herrn Dr. Odening gewinnen. Den additiven Fertigungsverfahren wurde wegen ihrer zunehmenden Bedeutung in der Praxis auch im Buch deutlich mehr Raum gegeben. Auch der zunehmenden Bedeutung des Energieverbrauchs in der Industrie für unsere Zukunft haben wir mit der Erstellung eines neuen Kapitels Rechnung getragen. Dazu wurde das Layout modernisiert, sodass das Buch jetzt auch als ebook erhältlich ist.

Wir danken dem Carl Hanser Verlag für die beharrliche Unterstützung des Projekts. Ebenso danken wir dem Coautor der bisherigen Auflagen, Herrn Prof. Dr. Rau für die umfangreichen Vorarbeiten. Unser besonderer Dank gilt unseren Ehefrauen Ingelore Koether und Verena Sauer, die die besonderen Belastungen durch die Arbeit an diesem Buch geduldig mitgetragen haben und durch Korrektur lesen aktiv zum Gelingen beigetragen haben.

1.1	Aufgaben der Fertigungstechnik

Was ist Fertigungstechnik?

Ziel jedes Unternehmens ist die Herstellung von Waren und Dienstleistungen. Waren werden produziert durch:

• Verfahrenstechnik: Herstellung formloser Stoffe (Bild 1.1)

• Energietechnik: Umwandlung und Verteilung von Energie (Bild 1.2)

• Fertigungstechnik: Herstellung von Werkstücken mit definierter Form und definierten Eigenschaften

 

 

Fertigungstechnik betrachtet nur einen Teilaspekt industrieller Fertigung. Zur Fertigung gehören:

• Logistik: Gestaltung des Materialflusses und des begleitenden Informationsflusses.

• Personal: Organisation, Qualifikation und Führung der Mitarbeiter.

• Fertigungstechnik: Auswahl der Fertigungsverfahren und Festlegen der Verfahrensparameter.

Die Industrielle Fertigungstechnik ist eine Ingenieurdisziplin.

• Durch Berechnungen ist das Fertigungsergebnis

  • prognostizierbar,

  • planbar,

  • optimierbar (im Rahmen der Genauigkeit der zugrundeliegenden Methoden).

• Für Detailoptimierungen sind ergänzende Versuche nötig.

Die Industrielle Fertigung zeichnet sich aus durch:

• hohe Kapitalausstattung für

• große Produkte (z. B. Anlagen),

• große Stückzahlen (z. B. Konsumgüter),

• arbeitsteilige Fertigung.

Konsequenzen sind:

• Notwendigkeit der Planung, deshalb Ingenieurarbeit,

• Notwendigkeit der Organisation der Arbeitsteilung,

• Notwendigkeit, die arbeitsteiligen Prozesse durch Materialfluss zu verbinden; die Gestaltung des Materialflusses ist Aufgabe der Logistik.

Bedeutung der Fertigungstechnik

Die fertigungstechnische Industrie (Beispiel: Maschinenbau)

• erwirtschaftet einen höheren Umsatz je Beschäftigten als das vergleichbare Handwerk, weil ein Industriebetrieb mehr Kapital einsetzt und dadurch höhere Produktivität sichert. Wegen des hohen Kapitaleinsatzes in der chemischen Industrie und der Energietechnik müssen dort die erwirtschafteten Umsätze je Beschäftigten noch höher sein (Bild 1.3).

   

  

  Bild 1.3 Umsatz je Beschäftigten im Jahr 2013 in beispielhaft ausgewählten Branchen der Produktionstechnik; Daten: (Statistisches Bundesamt, 2015)

• Sie benötigt eine moderate Kapitalausstattung (Bild 1.4),

  • mehr als Dienstleistungsbetriebe,

  • weniger als verfahrenstechnische und energietechnische Betriebe.

   

  

  Bild 1.4 Durchschnittliche Investitionen je Arbeitsplatz im Jahr 2012 in beispielhaft ausgewählten Branchen der produktionstechnischen Industrie; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

• Sie bietet deshalb eine breite Vielfalt von Betriebsgrößen

  • von der Garagenfirma

  • bis zum Weltkonzern wie Siemens oder Daimler.

• Sie bietet relativ viele Arbeitsplätze: knapp 20 % der Beschäftigten in Deutschland haben ihren Arbeitsplatz im verarbeitenden Gewerbe (Bild 1.5), davon etwa ein Drittel in typischen fertigungstechnischen Betrieben, wie Maschinen- und Fahrzeugbau. Allerdings nimmt der Anteil der Beschäftigten im verarbeitenden Gewerbe ab. Gründe sind:

  • Auslagerung von Dienstleistungen (z. B. EDV-Dienstleistungen) („Unternehmensdienstleistungen“ im Bild 1.5)

  • Verlagerung von Produktion in ausländische Standorte

• Sie erzeugt zusammen mit anderen Branchen des produzierenden Gewerbes den wesentlichen Beitrag zum Exportüberschuss Deutschlands und ist damit die Grundlage für den Wohlstand einer breiten Bevölkerung (vgl. dazu z. B. [Rürup; Heilmann]).

• Sie kann ihre Produkte leicht exportieren und steht deshalb im internationalen Wettbewerb (durchschnittliche Steigerung der Arbeitsproduktivität zwischen 2005 und 2014 um 2 % pro Jahr in der Automobilindustrie, 0,3 % pro Jahr im Maschinenbau, Daten: [Statistisches Bundesamt 2016]).

   

  

  Bild 1.5 Anteil der Erwerbstätigen in Wirtschaftsbereichen in Deutschland im Jahr 2014; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

Im internationalen Vergleich ist in Deutschland der Anteil des produzierenden Gewerbes an der Wirtschaftsleistung (genauer: der Anteil an der Bruttowertschöpfung) hoch (Bild 1.6). In anderen Industrieländern hat die Bedeutung der Produktion gegenüber den Dienstleistungen abgenommen. Nur in den einzelnen Niedriglohnländern Europas und in einigen Schwellenländern ist der Anteil des produzierenden Gewerbes noch höher.

 

Konsequenzen für Wirtschaftsingenieure:

Das Wirtschaftsingenieurstudium qualifiziert nicht vorrangig für typische Dienstleistungsbranchen wie Handel, Gastronomie oder Finanzdienstleistungen; auch im öffentlichen Dienst sind nur wenige Wirtschaftsingenieure beschäftigt.

• Mit hoher Wahrscheinlichkeit finden Wirtschaftsingenieure ihre spätere Tätigkeit in einem fertigungstechnischen Betrieb

  und/oder

• Wirtschaftsingenieure pflegen Kunden- und Lieferantenbeziehungen zu einem fertigungstechnischen Betrieb.

Beispielhafte Berufsfelder für Wirtschaftsingenieure, bei denen fertigungstechnisches Wissen vorteilhaft sein kann:

• Arbeitsvorbereitung, Fertigungsplanung,

• Qualitätssicherung,

• Fertigungslogistik,

• Einkauf,

• Controlling,

• Investitionsplanung,

• Marketing und Verkauf von Investitionsgütern.

1.2	Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Die DIN 8580 gliedert die Fertigungsverfahren in 6 Hautgruppen (Bild 1.7):

 

• Urformen z. B. Gießen (Bild 1.8), Sintern

• Umformen z. B. Walzen, Schmieden

• Trennen z. B. Fräsen, Brennschneiden

• Fügen z. B. Schrauben, Schweißen (Bild 1.9)

• Beschichten z. B. Lackieren, Galvanisieren

• Stoffeigenschaften ändern z. B. Härten

   

  

  Bild 1.8 Urformen, Fertigungsverfahren Gießen: Sandguss mit verlorener Form (Hering)

   

  

  Bild 1.9 Fügen, Fertigungsverfahren Schweißen: Widerstandspunktschweißen (Hering)

Wegen der breiten Anwendung und der wirtschaftlichen Bedeutung konzentriert sich das vorliegende Buch auf die Metallbearbeitung und deren Maschinen. In den Kapiteln 2 bis 6 werden die wichtigsten Fertigungsverfahren, ihre Parameter und wichtigsten Kosteneinflussgrößen dargestellt. Die Verfahren zur Änderung der Stoffeigenschaften betreffen vorwiegend die Werkstofftechnik und werden deshalb hier nur am Rande erwähnt.

1.3	Auswahl von Fertigungsverfahren

 

Die Auswahl der Fertigungsverfahren geht in die Arbeitsplanung ein. Der Arbeitsplan ist eine zentrale Informationsbasis für die Produktion (Bild 1.11).

 

Schritte zur Arbeitsplanung sind:

• Auswahl des Rohmaterials,

• Festlegen der Bearbeitungsschritte,

• Festlegen der Maschinen,

• Bestimmen der Verfahrensparameter und Einstellwerte der Maschinen,

• Ermitteln und Festlegen der Vorgabezeit.

Dazu werden folgende Eingangsinformationen verwendet:

• Konstruktionsunterlagen: Zeichnung, Stückliste,

• personelle und technische Kapazität, verfügbare Maschinen,

• Planstückzahl und geforderter Fertigstellungstermin.

1.4	Wesentliche Eigenschaften der Fertigungsverfahren

Wesentliche Eigenschaften von Fertigungsverfahren sind

• die erreichbare Qualität, Genauigkeit und Oberflächengüte,

• Wirtschaftlichkeit und die Bedeutung von fixen und variablen Kosten,

• die Verbreitung der Fertigungsverfahren, mit der Frage von Zukauf oder Eigenfertigung (Make or Buy).

Qualität:

• Große Toleranzen (ca. 1/10 mm) (Bild 1.12) und raue Oberflächen erzeugen in der Regel die Verfahren

  • Gießen (Urformen),

  • Schmieden und Fließpressen (Umformen),

  wegen

  • Wärmedehnung des Werkstücks,

  • Verschleißes des Formwerkzeugs.

• Kleine Toleranzen (bis ca. 1/100 mm) (Bild 1.12) und glatte Oberflächen werden erreicht durch

  • Sintern (Urformen)

  • Kaltumformung (Umformen),

  • spanende Verfahren (Trennen).

• Sehr enge Toleranzen (kleiner als 1/100 mm) und sehr glatte Oberflächen (spiegelnd) durch spezielle spanende Verfahren zur Feinstbearbeitung (Trennen).

 

Wirtschaftlichkeit:

• Je größer die Stückzahl, desto

  • geringer die Herstellkosten pro Stück (economy of scale, Stückkostendegression) (Bild 1.13)

  • größer dürfen die Fixkosten sein (die auf die größere Stückzahl verteilt werden) für

    • teure Maschinen,

    • produktive Maschinen,

    • Werkzeuge, z. B. Formwerkzeuge

    • Vorrichtungen.

Die Stückkostendegression gilt auch für die kumulierte Stückzahl: Durch Produktivitätssteigerung und kontinuierliche Prozessverbesserung sinken die Stückkosten mit zunehmender Erfahrung. Prozessinnovationen z. B. neue Herstellungsverfahren können die Stückkosten während der Laufzeit eines Produktes weiter senken.

 

• Für die Herstellung großer Stückzahlen geeignet sind Verfahren mit

  • geringen variablen Kosten (Material und Personal),

  • trotz hoher Fixkosten (Maschinen und Werkzeuge),

• insbesondere sind hier zu nennen

  • Urformen und

  • Umformen (hohe Kräfte erfordern teure Maschinen), z. B.

    • Normteile (Schrauben),

    • Halbzeuge (Bleche),

    • Konsumgüter (Autos).

• Spanende Verfahren (Hauptgruppe Trennen) werden eingesetzt für die

  • Produktion kleiner Stückzahlen,

  • Erzeugung von Funktionsflächen mit engen Toleranzen und glatten Oberflächen an Werkstücken großer und kleiner Stückzahlen.

• Energiekosten im verarbeitenden Gewerbe (vgl. Kap. 11)

  • sind relativ gering (ca. 1 % des Bruttoproduktionswertes für Maschinen- und Fahrzeugbau) im Vergleich zur Metallerzeugung und -bearbeitung (ca. 6 %) (Daten: [Statistisches Bundesamt 2015a]),

  • werden zum großen Teil für Antriebe ausgegeben, auch zum Antrieb von Werkzeugmaschinen,

  • effiziente Elektromotoren amortisieren die höheren Anschaffungsinvestitionen in wenigen Jahren durch geringere Stromkosten.

Verbreitung von Fertigungsverfahren, Make or Buy:

• Die Montage bleibt fast immer im eigenen Betrieb:

  • Mit der Montage (Fügen) wird das Endprodukt für den Kunden erzeugt.

  • Der Kapitalbedarf für Montage ist relativ gering (Bild 1.14).

• Spanende Verfahren werden in den meisten Fertigungsbetrieben in der Teilefertigung eingesetzt (Bild 1.15), denn sie

  • bestimmen die Genauigkeit und damit häufig die Funktion des Werkstücks,

  • erfordern vergleichsweise geringe Investitionen,

  • bieten hohe Flexibilität (geringe fixe, aber hohe variable Kosten) (Bild 1.14).

• Beschichten und Stoffeigenschaften ändern sind zwar Verfahren mit hohen Anlagenkosten, bleiben aber trotzdem häufig in der Eigenfertigung (Bild 1.15), denn sie

  • bestimmen die Qualität und das äußere Erscheinungsbild des Produktes,

  • gestalten bei Fremdvergabe den Fertigungsfluss und den Durchlauf komplizierter.

   

  

  Bild 1.14 Fixe und variable Kosten der Fertigungsverfahren

• Ur- und umgeformte Teile werden häufig zugekauft (Bild 1.15):

  • hohe Fixkosten verursachen hohes Auslastungsrisiko (Bild 1.14), die Materialkosten für zugekaufte Teile sind jedoch variable Kosten ohne Auslastungsrisiko

  • spezielles Prozess-Know-how verursacht zusätzliche Fixkosten,

  • schnelle Produktionsgeschwindigkeit umformender Verfahren erfordert große Stückzahlen, um die Maschinen und Anlagen wirtschaftlich auszulasten.

Zulieferbetriebe, die ur- und umgeformte Teile liefern können das Auslastungsrisiko tragen, weil sie für mehrere Kunden produzieren, sodass sich deren Nachfrageschwankungen gegenseitig ausgleichen können.