Geschichte der Produktionstechnik

Grundlagen und vorindustrielle Anfänge

Produktionstechnik umfasst drei Hauptgebiete: Die Fertigungstechnik gibt Werkstücken eine bestimmte Form, die Energietechnik stellt mechanische, thermische oder elektrische Energie bereit, und die Verfahrenstechnik wandelt Stoffe um, etwa Erze in Metalle. Ihre Geschichte zeigt, wie neue Werkstoffe, Energiequellen, Maschinen und Organisationsformen die Produktivität steigerten und zuvor unmögliche Erzeugnisse ermöglichten.

Schon in der Steinzeit wurden Werkzeuge geplant hergestellt. Etwa 2 Millionen Jahre alte Geröllwerkzeuge besaßen besondere Abschlagkanten; vor rund einer Million Jahren entstanden Faustkeile. Knochenwerkzeuge sind seit 1,5 Millionen Jahren, erhaltene Holzwerkzeuge seit rund 300.000 Jahren belegt. Feuer war die erste nicht auf Muskelkraft beruhende Energiequelle. Seit etwa 400.000 Jahren war das Feuerbohren bekannt; vor rund 40.000 Jahren wurden mit verwandten Bohrtechniken Steine bearbeitet. Brennöfen ermöglichten gegen 6000 v. Chr. erstmals die künstliche Herstellung von Keramik. Sesshaftigkeit, Ackerbau und Viehzucht kennzeichnen die Neolithische Revolution.

In der Bronzezeit wurden Kupfer, Gold und Silber geschmiedet und gegossen. Bronze ist eine Legierung, also eine Mischung von Metallen, aus Kupfer und meist 5 bis 10 % Zinn. Sie schmilzt bei ungefähr 900 °C statt wie Kupfer bei 1083 °C, ist härter, fester und gut gießbar. Bekannt waren grundlegende Schmiedeverfahren wie Recken, Stauchen, Treiben, Stempeln und Feuerschweißen.

Seit etwa 1500 v. Chr. verbreitete sich Eisen. Rennöfen erreichten 1200 bis 1300 °C, nicht aber den Schmelzpunkt von Eisen bei 1538 °C. Aus dem Erz entstand deshalb eine feste, schlackehaltige Luppe, die durch Hämmern zu kohlenstoffarmem Schmiedeeisen verdichtet wurde. Aufkohlen sowie Härten durch Abschrecken in Wasser oder Öl verbesserten Werkzeuge und Waffen. In der Antike entwickelten sich außerdem Voll-, Hohl- und Wachsausschmelzguss, Löten, Nieten und spezialisierte Handwerksbetriebe. Göpel, Treträder und erste Wassermühlen lieferten kontinuierliche Drehbewegungen.

Mittelalter und Renaissance

Im Mittelalter steigerten Kummet, Dreifelderwirtschaft, bessere Werkzeuge und mechanische Antriebe die Produktivität. Wasser- und später Windmühlen markierten den Übergang von rein handwerklicher zu stärker mechanisierter Produktion. Um 1100 gab es in England etwa 5000 Mühlen. Sie mahlten nicht nur Getreide, sondern trieben seit 970 auch Hammerwerke, außerdem Sägewerke, Walkvorrichtungen und Blasebälge an. Da sie an geeignete Standorte gebunden waren, konzentrierten sich Gewerbe häufig in ihrer Umgebung.

Wasserkraftgetriebene Blasebälge und Hochöfen erzeugten höhere Temperaturen. Dadurch wurde Eisen erstmals gießbar; Roheisen musste im Frischfeuer erneut behandelt werden, um schmiedbares Eisen zu erhalten. Beim Damaszieren verband man durch Feuerschweißen abwechselnde Lagen aus hartem, kohlenstoffreichem und zähem, kohlenstoffarmem Schmiedeeisen. Drahtziehen mit Zieheisen ersetzte das Drehen und Schmieden von Draht. Wippen-, Rad- und Kurbeldrehbänke ermöglichten freiere Werkzeugführung und größere Kräfte. Zünfte institutionalisierten das Wissen einzelner Gewerbe, regelten Ausbildung und Meisterzahl und prägten die handwerkliche Organisation.

Zwischen 1500 und 1700 wurden Hochöfen größer und lieferten täglich 2000 bis 2500 kg Roheisen. Kastengebläse ersetzten Blasebälge. Durch Frischen ließ sich der Kohlenstoffgehalt des Roheisens von 4–5 % auf etwa 0,1–1,5 % senken; beim umgekehrten Zementieren nahm nahezu kohlenstofffreies Eisen während tagelangen Glühens Kohlenstoff aus Holzkohle auf. Steinkohle war billiger und besaß etwa die doppelte Energiedichte von Holzkohle, konnte wegen ihrer Verunreinigungen aber noch nicht direkt in der Metallverarbeitung eingesetzt werden.

Walz- und Kanonenbohrwerke leiteten zu industriellen Werkzeugmaschinen über. Als neue Organisationsform entstand die Manufaktur: Material und Werkzeuge gehörten einem Verleger, Lohnarbeiter verrichteten zentralisiert und arbeitsteilig wenige Handgriffe. Adam Smith beschrieb 1776 die stark geteilte Stecknadelproduktion als Beispiel ihrer hohen Produktivität.

Erste Industrialisierung und Hochindustrialisierung

Die erste Industrielle Revolution von 1700 bis 1860 beruhte vor allem auf Steinkohle, Dampfmaschinen, Werkzeugmaschinen, neuen Eisenverfahren und Fabriken. Thomas Newcomens atmosphärische Dampfmaschine von 1712 kondensierte Dampf im Zylinder; der entstehende Unterdruck ließ den Luftdruck den Kolben bewegen. Ihr Wirkungsgrad war gering. James Watt trennte die Kondensation in einen eigenen Kondensator aus und entwickelte eine doppelt wirkende Maschine. Dadurch wurde Dampfkraft für Textilgewerbe und Maschinenbau wirtschaftlich und unabhängig von Wind- oder Wasserstand nutzbar.

Abraham Darbys Koks machte Steinkohle im Hochofen verwendbar. Beim 1784 von Henry Cort erfundenen Puddeln verbrannte Luftsauerstoff den Kohlenstoff im Roheisen. Ein Puddler musste die Schmelze ständig umrühren; das schwer mechanisierbare Verfahren blieb deshalb ein Engpass. Anschließend wurden Schlacke ausgeschmiedet und das Eisen zu Blechen oder Schienen gewalzt.

Ab etwa 1800 entstanden Werkzeugmaschinen, bei denen die Maschine das Werkzeug führte. Dreh-, Bohr-, Hobel- und Fräsmaschinen sowie dampfbetriebene Schmiedehämmer ermöglichten genauere und größere Stückzahlen. Henry Maudslay verband unter anderem Werkzeughalter, maschinellen Antrieb und Leitspindel; gleichmäßig gefertigte Schrauben wurden dadurch austauschbar. Ab etwa 1770 entwickelten sich aus Manufakturen Fabriken mit Kraft- und Arbeitsmaschinen. Maschinen bestimmten nun Arbeitsablauf und Takt; zentrale Dampfmaschinen übertrugen ihre Leistung über Transmissionen und Riemen.

Zwischen etwa 1860 und 1900 ersetzten Massenstahlverfahren das Puddeln. Beim Bessemer-Verfahren wurde Luft durch flüssiges Roheisen geblasen; in etwa 20 Minuten verbrannten Kohlenstoff und Begleitelemente. Es erforderte phosphorarme Erze und erzeugte durch gelösten Stickstoff harten, aber spröden Stahl. Das Thomas-Verfahren von 1878 eignete sich für phosphorreiche Erze. Das langsamere Siemens-Martin-Verfahren erlaubte eine genaue Einstellung des Kohlenstoffgehalts, nahm keinen Stickstoff auf und konnte Schrott verwerten; bis 1960 entstand der größte Teil des Stahls damit. Weil alle drei Verfahren flüssigen, homogenen Stahl lieferten, entfiel das frühere Ausschmieden.

Automaten und produktive Spezialmaschinen verbreiteten sich besonders in den USA. Standardisierung, Typisierung, Präzisionsfertigung, Austauschbau und Großserienfertigung bildeten das „amerikanische Produktionssystem“. Beim Schnellbetrieb stieg die Leistung von Bessemerkonvertern durch raschen Bodenaustausch von fünf bis sechs auf 48, an Spitzentagen sogar 72 Chargen täglich.

Elektrifizierung und Massenproduktion

Die zweite Industrielle Revolution von 1900 bis 1950 stand im Zeichen der Elektrizität. Dampfturbinen erzeugten eine kontinuierliche Drehbewegung und erreichten etwa 10.000 PS beziehungsweise 7,5 MW. Mit Generatoren entstanden Kraftwerke und spätestens seit 1920 nationale Stromnetze. Elektromotoren ersetzten zentrale Transmissionen schrittweise durch Einzelantriebe. Maschinen konnten dadurch freier nach dem Materialfluss angeordnet und gezielt ein- oder ausgeschaltet werden.

Elektrische Steuerungen schützten Gleichstrommotoren vor Überlastung und automatisierten unter anderem Krane, Förderbänder, Werkzeug- und Walzmaschinen. Regelungen passten Leistungen selbsttätig an: In Sägewerken beeinflusste die Stromaufnahme des Sägemotors den Vorschubmotor; in Spinnereien regelten Taster die Drehzahl nach dem wachsenden Spulenumfang. Dadurch ließ sich das vorhandene Maschinenpotenzial besser ausschöpfen.

Neue Schweißverfahren ersetzten zunehmend das Nieten. Dazu gehörten Lichtbogenhand- und Widerstandsschweißen, später Schutzgas- und UP-Schweißen. Gesenkschmieden und Tiefziehen wurden besonders im Automobilbau eingesetzt. Schnellarbeitsstahl mit etwa 8 % Wolfram und 3 % Chrom erlaubte ungefähr dreifache Schnittgeschwindigkeiten. Stellit ermöglichte bis zu 250 kg Spanleistung pro Stunde; ab 1927 verfügbare Hartmetalle erlaubten gegenüber Schnellarbeitsstahl nochmals dreifache Schnittgeschwindigkeiten. Genauere Schleifmaschinen, Schraubenmikrometer und Grenzlehren machten Passungen mit Vorgaben auf wenige hundertstel Millimeter maschinell und betriebsübergreifend herstellbar.

Elektroöfen, Elektrochemie und Verbundwirtschaft erweiterten die Werkstofftechnik. Gichtgas, Schlacke und Prozesswärme wurden weiterverwendet; beim „Walzen in einer Hitze“ sollte die Hochofenwärme für die gesamte Prozessfolge genügen. Austenitischer rostfreier Chrom-Nickel-Stahl hielt hohen Temperaturen, Drücken und chemischen Belastungen stand. Aluminium ließ sich industriell elektrochemisch gewinnen; Duraluminium aus Aluminium, Magnesium, Silicium und Kupfer besitzt bezogen auf seine Masse eine höhere Festigkeit als Stahl.

Taylor zerlegte Arbeit in messbare Arbeitsgänge und verlagerte ihre Planung in Betriebsbüros; dies wurde als Trennung von Hand- und Kopfarbeit bezeichnet. Ford verband Standardisierung, Austauschbau, Spezialmaschinen und Fließbandmontage zur Massenproduktion. Beim Modell T war die Standardisierung besonders weitgehend. Das Auto wurde so vom Luxusgegenstand zum Konsumgut.

Automatisierung, neue Energieträger und schlanke Produktion

Die dritte Industrielle Revolution war durch mikroelektronisch gesteuerte, flexible Automatisierung geprägt. John T. Parsons entwickelte ab 1949 die numerisch gesteuerte NC-Maschine. Lochkarten und Elektronenröhren machten frühe Anlagen teuer; Mikroprozessoren führten ab den 1970er Jahren zu leistungsfähigeren CNC-Maschinen, deren Programme leicht gewechselt werden konnten. CAD bezeichnet computergestütztes Konstruieren. Die Verbindung von CAD, CNC, Qualitätssicherung sowie Produktionsplanung und -steuerung heißt CIM, computer-integrated manufacturing.

Flexible Fertigungssysteme kombinierten seit den 1970er Jahren mehrere CNC-Maschinen, Speicher, Mess- oder Wascheinrichtungen und ein Transportsystem. Anders als starre Fertigungsstraßen konnten Werkstücke verschiedene Wege nehmen. Industrieroboter übernahmen Montage, Punktschweißen, Lackieren und Transporte. Der Laser ermöglichte Präzisionsmessungen sowie Laserstrahlschneiden und -schweißen. Eine vollständig menschenleere Fabrik blieb jedoch unerreicht, weil Programmierung, Wartung und Eingriffe bei Störungen schwer automatisierbar waren.

Das 1952 in Linz und Donawitz erprobte LD-Verfahren bläst reinen Sauerstoff von oben auf flüssiges Roheisen. Es erzeugt hochwertigen Stahl, verwertet Schrott und verdrängte fast alle älteren Verfahren; nur Elektrostahl behielt einen nennenswerten Anteil. Konverter wuchsen von 30–50 t um 1950 auf über 400 t um 1980. Stranggießen und später Dünnbandgießen führten die Stahlherstellung zur kontinuierlichen Fließproduktion.

Erdöl verdrängte ab etwa 1950 Kohle als wichtigsten Energieträger. In Westeuropa stieg der Energieverbrauch von 1950 bis 1973 jährlich um 4,5 %, der Ölverbrauch binnen 25 Jahren um den Faktor 15. Die Ölkrise von 1973, Schadstoffemissionen und später die Klimawirkung von Kohlenstoffdioxid förderten die Suche nach Alternativen. Kernenergie nutzt den Massendefekt bei der Kernspaltung. Das erste Kernkraftwerk ging 1954 ans Netz; nach starkem Ausbau stagnierte das Wachstum seit Ende der 1980er Jahre weitgehend. Sicherheitskritik verstärkte sich spätestens nach der unkontrollierten Kernschmelze von Tschernobyl 1986.

Das Toyota-Produktionssystem, auch Schlanke Produktion genannt, verband die Vermeidung von Verschwendung, Gruppenarbeit, geringe Lagerbestände, Just-in-time, Kanban, Qualitätsmanagement, Kaizen und Autonomation. Just-in-time liefert Teile genau zum benötigten Zeitpunkt; Kanban löst Produktion aus, wenn ein festgelegter Lagerwert unterschritten wird.

Produktion an der Wende zum 21. Jahrhundert

Seit den 1990er Jahren wurden digitale, flexible und vernetzte Verfahren wichtiger. Generative Fertigungsverfahren bauen Werkstücke anhand elektronischer 3D- beziehungsweise CAD-Daten schichtweise auf; „3D-Drucken“ bezeichnet nur eines dieser Verfahren. Ob dies eine neue industrielle Revolution darstellt, ist umstritten. Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode untersuchen etwa Kräfte beim Spanen, Verformungen beim Schmieden oder Strömungen beim Gießen. Weitere Konzepte sind Industrie 4.0, digitale Fabrik, Internet der Dinge und Smart Factory. Die Hartbearbeitung ermöglicht seit den 1980er Jahren das Bohren, Fräsen und Drehen gehärteten Stahls.

Die Rohstahlproduktion stieg von ungefähr 700 Millionen Tonnen jährlich in den 1970er bis 1990er Jahren auf über 1500 Millionen Tonnen im Jahr 2012, hauptsächlich durch den Ausbau in China. Der Anteil des für Recycling geeigneten Lichtbogenverfahrens stieg auf über 30 %. Leichtmetalle, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe ersetzten Stahl in manchen Anwendungen, doch Stahl blieb der wichtigste Werkstoff. Neue Entwicklungen umfassen TRIP-Stähle, Thixoschmieden und -gießen sowie keramische Hochtemperatursupraleiter, die unterhalb ihrer Sprungtemperatur keinen elektrischen Widerstand besitzen.

Erneuerbare Energien gewannen erneut an Bedeutung. Moderne Wasser-, Wind- und Solarkraftwerke erzeugen Elektrizität; seit 1979 wurden Windkraftanlagen in Dänemark serienmäßig gefertigt. Photovoltaik verbreitete sich in Deutschland besonders mit dem 1000-Dächer-Programm der 1990er Jahre und ab 2000 mit dem 100.000-Dächer-Programm und dem EEG. Wind- und Solarenergie schwanken jedoch, weshalb Netze, Speicher oder regelbare Kraftwerke Erzeugung und Bedarf ausgleichen müssen.

Globalisierung führte zur Verlagerung von Produktionsstufen und zu komplexeren, durch Supply-Chain-Management koordinierten Lieferketten. Produktlebenszyklen wurden kürzer: Ein Automodell wurde 1990 noch acht Jahre, 2014 nur noch zwei Jahre gefertigt. Mass Customization verbindet individuelle Varianten mit Methoden der Massenproduktion. Hohe Automatisierung und Variantenvielfalt erhöhten zugleich die Störanfälligkeit, weshalb menschliche Flexibilität wieder stärker berücksichtigt wurde. Komplettbearbeitung und Bearbeitungszentren verkürzen Prozessketten, indem eine Maschine mehrere Fertigungsverfahren übernimmt.