Metaalbewerking: van wetenschap tot vakmanschap – een complete gids

Metaalbewerking is een veld dat wetenschap, hobby, ambacht, kunst en industrie omvat. Het heeft zich ontwikkeld vanaf de ontdekking van het smelten van diverse ertsen, waarmee verschillende metalen geproduceerd werden – waaronder buigbare en smeedbare varianten. Moderne metaalbewerkingsprocessen zijn divers en gespecialiseerd en vallen in verschillende categorieën die we in dit artikel behandelen. In een machinezaal staan talloze machinegereedschappen die met hoge precisie werken en werkstukken gemakkelijk verwerken.

Vandaag bekijken we de definitie, typen, processen, voor- en nadelen van metaalbewerking.

Wat is metaalbewerking?

Metaalbewerking is het proces van het bewerken van metalen om individuele onderdelen, montages of grootschalige structuren te produceren. Het bereik is enorm: van grote schepen en bruggen tot precieze motoronderdelen en zelfs bouten en moeren.

Typen metaalbewerkers

Machinebedieners in de metaalbewerking zijn experts in het instellen en bedienen van apparatuur om metalen te vormen en te monteren – of het nu gaat om buigen, bouten, lassen of ander werk. Draaibankbedieners (machinists) zijn verantwoordelijk voor het produceren van werkstukken die voldoen aan de specificaties van technische tekeningen. Hieronder volgen de belangrijkste typen metaalbewerkers:

• Machinist (draaibankbediener)
• Gereedschaps- en vormmaker
• Snijders
• Lassers

Metaalbewerkingsprocessen

Metaalbewerking wordt over het algemeen ingedeeld in drie hoofdcategorieën: vormen, snijden en verbinden. Elke categorie bevat diverse processen. Alle operaties moeten worden afgetekend en gemeten volgens het gewenste eindproduct. Het aftekenen – het overbrengen van een ontwerp op het werkstuk – is de eerste stap in de handmatige metaalbewerking.

Gietprocessen

Gieten is het produceren van metalen delen – zelfs complexe vormen – door vloeibaar metaal in een vormgietvorm te gieten en te laten afkoelen en uitharden. Dit geschiedt zonder mechanische kracht en kan in verschillende vormen worden uitgevoerd, afhankelijk van het te produceren deel. Vormen van gieten zijn:

• Wasmethode (investment casting / lost-wax casting)
• Centrifugaal gieten
• Drukgieterij (die casting)
• Zandgieten
• Spingenieten
• Shell-gieten

Vormprocessen

Vormprocessen wijzigen het metaal of werkstuk door vervorming zonder materiaalverlies. Dit gebeurt door mechanische krachten of warmte (bij bulkvorming).

Bulkvormprocessen (volumenvorming)

Bij bulkvorming wordt het werkstuk verhit tot het plastisch wordt. Plastische vervorming betekent dat het werkstuk blootgesteld wordt aan warmte of druk om het vatbaarder te maken voor mechanische kracht. Historisch uitgevoerd door smeden, maar tegenwoordig geïndustrialiseerd. Belangrijke bulkvormprocessen:

• Koudkalibreren (cold sizing)
• Smeden (forging)
• Poedermetallurgie
• Walsen (rolling)
• Extruderen
• Wrijvingsboren (friction drilling)
• Burnishen (vlakken door druk)
• Treken (drawing)

Plaatvormprocessen

Deze processen worden vaak bij kamertemperatuur uitgevoerd door mechanische kracht, maar recente ontwikkelingen omvatten verwarming van stempels of delen. Er is grote vooruitgang geboekt in stampen dankzij geautomatiseerde metaalbewerkingstechnologie. Deze methode omvat onder meer poinconeren, buigen, kouwen en andere manieren om metaal tegen lage kosten en met weinig afval te vervormen:

• Decamberen
• Buigen
• Dieptrekken (deep drawing)
• Hydrovormen
• Vloeivormen (flowforming)
• Kouwen (coining)
• Heetgasvormen
• Spinnen, schervormen of vloeivormen
• Warmpersharden
• Rubberkussenvormen
• Rekken (raising)
• Rollvormen
• Rollbuigen
• Repoussé en chaseren
• Scheren
• Stamperen
• Superplastisch vormen
• Wielen (wheeling)

Snijprocessen

Snijden in de metaalbewerking brengt metalen op een gespecificeerde geometrie door overtollig materiaal te verwijderen. De afvalstoffen heten span, zaagsel of overschotmateriaal. Snijprocessen vallen in twee hoofdcategorieën:

• Spanproducerende processen (machining) – zoals draaien, boren, frezen, zagen, slijpen
• Thermische snijprocessen (burning) – waarbij metaal wordt doorzwaard door oxidatie van de snijlijn (laser, zuurstof-brandstof, plasma)

Handmatige technieken (zaag, beitel, schaar, knijptang) worden ook in andere vakgebieden gebruikt.

Verbindingsprocessen

Dit is het monteren van onderdelen of het samenvoegen van twee of meer metalen delen, afhankelijk van het materiaal.

Lassen

Lassen is een fabricageproces dat metalen of thermoplasten verbindt door coalescentie. Werkstukken worden gesmolten tot een smeltbad dat uithardt tot een sterke las. Soms wordt vulmateriaal toegevoegd en druk gecombineerd met warmte. Energiebronnen voor lassen:

• Elektrische boog
• Gasvlam
• Laser
• Elektronenbundel
• Ultrasoon
• Wrijving

Harden (Brazing)

Harden is een verbindingsproces waarbij een vulmetaal smelt in een kapillaire opening gevormd door de montage van twee of meer dicht aanliggende delen. Het vulmetaal reageert metallurgisch met de werkstukken en verhardt in de kapillaire, wat een sterke las geeft. Het werkstuk zelf smelt niet. Het proces lijkt op solderen, maar vindt plaats boven 450 °C. Harden produceert minder thermische spanningen dan lassen en de las is duktyler, omdat legeringselementen niet scheiden en uitvallen.

Solderen (Soldering)

Dit proces vindt plaats onder 450 °C. Het is vergelijkbaar met harden, maar het vulmateriaal smelt bij lagere temperatuur en wordt in de kapillaire getrokken. Door de lagere temperatuur en andere legeringen is de metallurgische reactie minimaal, waardoor de las zwakker is.

Nieten (Riveting)

Nieten is een verbindingstechniek met een tweehoofdige, draadloze pen die metalen delen bijeen houdt. Gaten moeten geboord of gepoinct worden. De uitgelijnde gaten laten de niet door, en met een nietpistool (of hamer en vormstempels, koud of warm) wordt de verbinding gemaakt.

Warmtebehandelingsprocessen

Warmtebehandeling is geen primaire metaalbewerking, maar wordt vaak voor of na de bewerking uitgevoerd. Doel is het veranderen van materiaaleigenschappen door verwarmen en gecontroleerd afkoelen. Metalen worden warmtebehandeld om sterkte, hardheid, zwaarte, duktiliteit of corrosiebestendigheid aan te passen. Belangrijke processen:

• Onglazen (annealing)
• Uitvallen (precipitation hardening)
• Afschrikken (quenching)
• Aanlaten (tempering)

Toepassingen van metaalbewerking

Metaalbewerking vindt toepassing in talloze sectoren: bouw, transport, energie, medische techniek, consumentengoederen, kunst en nog veel meer.

Voordelen en nadelen van metaalbewerking

Voordelen

• Geproduceerde artikelen duren decennialang
• Hoog rendement op lange termijn en bij grote series
• Uitstekende hittebestendigheid
• Erg breed toepassingsgebied
• Materialen zijn sterke
• Onmisbaar voor de mensheid
• Levert decoratieve items
• Is een eigen industrie

Nadelen

• Vereist vakkundig personeel in alle disciplines
• Projecten nemen doorgaans veel tijd in beslag
• Hoge startkosten
• Strenge veiligheids- en zorgmaatregelen in de werkplaats
• Kennis van diverse machines vereist voordat men ze bedient