Werkzeug: Überblick

Die Fähigkeit, sich komplexer Kommunikationsformen (Sprachen) zu bedienen, gilt als eines der bedeutendsten Merkmale, die den Homo sapiens von seinen Verwandten aus dem Tierreich unterscheiden. Direkt verknüpft mit dem Thema „Sprache“ ist die Fähigkeit, Ideen zu formulieren und weiterzuleiten – ein wesentlicher Bestandteil der Erschaffung, Verbesserung und Verfeinerung von Technologie. Die Geschichte der Entwicklung der Sprache ist demnach auch die Geschichte der Verwendung von Werkzeugen zum Formen, Fördern und Nutzen natürlicher Rohstoffe. So war der Mensch als erstes Wesen in der Lage, sein Umfeld mit speziell entwickelten Gegenständen zu beeinflussen – eine Entwicklung mit tiefgreifenden Auswirkungen auf wissenschaftliche Innovation und die Umwelt.

Werkzeuge können entsprechend ihrer Funktion beschrieben und in Gruppen eingeteilt werden. Werkzeuge, die Gegenstände „bewegen“ können, erfordern in aller Regel eine Art Kompression um die erforderliche Kraft aufzubringen. Betrachten wir beispielsweise einen Fäustel. Trifft ein Fäustel mit genügend Kraft auf einen Zaunpfahl, sollte dieser ein Stück weit in den Boden gelangen – vorausgesetzt, der Boden, in den der Zaunpfahl eingeführt werden soll, ist weich genug, die Oberfläche, auf die der Fäustel trifft, ist groß genug, und das Material, auf das die Kraft auftrifft, ist hart genug um dem Schlag standzuhalten. Manche Werkzeuge, die Gegenstände bewegen sollen, können sogar ein Drehmoment aufbringen (eine drehend wirkende Kraft, die einen Gegenstand um eine Drehachse bewegt. Die Größe des Drehmoments kann dabei als das Verhältnis zwischen der Länge des „Hebelarms“, dem Betrag der aufgebrachten Kraft und dem Winkel zwischen dem Hebelarm und dem zu drehenden Gegenstand beschrieben werden). So kann beispielsweise ein Rollgabelschlüssel eine Mutter fest umklammern, indem ein kleines Rädchen gedreht wird, das die Spannzwinge anzieht. Im nächsten Schritt kann die Mutter mühelos gedreht, gelöst und angezogen werden – ganz nach Belieben des Benutzers.

Schneidwerkzeuge hingegen sind darauf ausgelegt, nahezu jedes beliebige Material (ein-) zu schneiden. Beispiele hierfür sind unter anderem Sägen, Äxte und Messer. Die Klinge – bzw. die scharfe Kante – eines Schneidwerkzeugs sollte dabei immer härter sein als das Material, das geschnitten werden soll: Werden ungeeignete Klingen über einen längeren Zeitraum verwendet, sinkt deren Leistungsfähigkeit und sie werden schlichtweg stumpf. Moderne Schneidwerkzeuge bieten ein hohes Maß an Präzision, sodass manche Handwerkzeuge inzwischen mit Laserführungen ausgestattet sind und bestimmte Herstellungsverfahren – darunter das Bauen von Fahrzeugteilen – Computer verwenden, um Schnitte mit sagenhaft feinen Toleranzen zu erzeugen.

Die Kategorie „Befestigungswerkzeuge“ umfasst alle Werkzeuge, mit deren Hilfe verschiedene Materialien fest miteinander verbunden werden – sei es durch Kleben, Schweißen oder Nageln. Neben Anwendungen in Bau, Industrie und Fertigung kommen diese Werkzeuge auch in alltäglichen Situationen zum Einsatz, um Instandhaltungsarbeiten und Umbauten an bestehenden Strukturen durchzuführen.

Formgebende Werkzeuge erlauben die exakte Nachbildung verschiedenster Bauteile. Eine Schablone, beispielsweise, kontrolliert die Bewegung eines Werkzeugs und wurde – bis vor relativ kurzer Zeit – sehr häufig in der Metall- und Holzverarbeitung eingesetzt, um bestehende Strukturen zu „kopieren“. Weiterführende Entwicklungen der Technologie gestalteten die Aufgabe, den Verlauf eines Werkzeugs zu reproduzieren, wesentlich einfacher: So werden die jeweilige Informationen oftmals digital gespeichert und mit Computer-gesteuerten Maschinen verwaltet.

Messgeräte sind ein grundlegender Bestandteil der Bereiche Bau, Fertigung, Industrie und Wissenschaft. Von Linealen und Wasserwaagen bis hin zu komplexen, digital gesteuerten Sensoren: Seit Anbeginn der industriellen Revolution ist die Fähigkeit, Dinge akkurat zu messen und quantifizieren deutlich komplexer geworden. Das Aufkommen von Transistoren (d. h. halbleitende Geräte, die einen elektrischen Strom schalten bzw. verstärken können) ermöglichte ganz neue und noch leistungsstärkere Rechengeräte, die in der Lage sind, physikalische Eigenschaften eines Gegenstands – Menge, Größe, Änderungen, Leistung, etc. – mit einer bedeutend höheren Präzision zu bestimmen.

 

Die Geschichte des Werkzeugs

Werkzeuge werden vom Menschen seit Anbruch der Steinzeit verwendet – also seit etwa 2,6 Millionen Jahren. Frühe archäologische Untersuchungen lassen darauf schließen, dass Werkzeuge (oftmals geschlagener Silex) damals hauptsächlich zum Jagen und Erlegen von Beutetieren genutzt wurden. Nachfolgende Studien zeigten jedoch, dass das Werkzeug bereits damals in vielen Fällen schon komplexer gestaltet war, als zuvor angenommen. So kamen zahlreiche Funde zu Tage, die erahnen lassen, dass Werkzeuge auch zum Essen, zur Herstellung von Kleidern, zur Holzbearbeitung sowie zur Getreideernte eingesetzt worden sind – wenngleich das Durchstoßen von tierischem Fleisch trotz allem den Grundstein für den Aufstieg des Menschen an die Spitze der Nahrungskette bildete.

Ab einem nicht näher bekannten Punkt der menschlichen Geschichte wurden Werkzeuge aus Stein allmählich durch Werkzeuge aus Metall ersetzt. So bildeten sich Techniken zur Förderung von Metallen aus Gestein heraus und die ersten Hinweise auf frühe Kupfer-, Zinn- und Blei-Minen sind in Teilen des Mittleren Ostens zu finden. Etwa 6000 v. Chr. war die Verhüttung von Kupfer bereits fest in dieser Region verankert, während das Wissen über diese technologischen Fortschritte sich allmählich auf andere Teile der Welt ausbreitete. Als Bauwerkzeug, das dem Kontakt mit rauen und strapazierenden Oberflächen standhalten sollte, erwies sich Kupfer jedoch als zu weich und demnach als ungeeignet. Durch das Hinzugeben von Zinn zu geschmolzenem Kupfer entstand Bronze – ein härterer und steiferer Stoff mit höherer Festigkeit. Genau das war der Schritt, der die Welt in das Bronze-Zeitalter führte und die Menschheit mit härteren Werkzeugen für komplexere Aufgaben versorgte.

Moderne Werkzeuge verwenden hauptsächlich leichte Legierungen und Edelstahl. Stahl – im Grunde eine Eisenlegierung mit zusätzlichem Kohlenstoff für mehr Stärke – war bereits für Schlosser in der Antike von großer Bedeutung. Im heutigen West-Iran produzierten Ingenieure bereits im ersten Jahrhundert v. Chr. Stahl, wenngleich sich die verwendeten Techniken nicht besonders gut für Massenproduktion eigneten. Die Herstellung von Stahl in einem Maßstab, der die Welt verändern könnte, wurde erst in den 1850er-Jahren möglich, als der englische Erfinder Henry Bessamer (1813-1898) mit der Entwicklung einer neuartigen Technik, bei der Luft durch geschmolzenes Roheisen geleitet wurde, den Weg zur Massenherstellung frei machte.

Stahl hat die Form unserer modernen Welt insoweit bestimmt, dass er Eisen als Baumaterial geradezu vollständig von der Bildfläche verdrängt hat. Die Verwendung von Stahlnieten in Brücken, Fahrzeugen, Gebäuden und vielem mehr ermöglicht den Bau stärkerer und zugleich verschleißärmerer Strukturen.

Moderne Werkzeuge sind eine Kombination aus dem Wissen über Metallbearbeitung, dem Einsatz von Kunststoffen (formbarer Kunststoff oder semi-synthetische Feststoffe) und Techniken aus dem Bereich Elektrotechnik zur Herstellung von Elektrowerkzeugen. Die ersten Elektrowerkzeuge gehen zurück auf das Ende des neunzehnten Jahrhunderts, als das Wissen über elektrischen Strom ausreichend weit entwickelt war, um Aufgaben zu automatisieren, die zuvor stets von Hand ausgeführt worden sind. Robert Bosch gründete 1886 das gleichnamige Familienunternehmen und arbeitete vor allen Dingen an Komponenten mit integrierten elektrischen Bauteilen für die frühe Automobilindustrie. 1932 hatte Bosch seine erste Bohrmaschine entwickelt und auf den Markt gebracht. Während Europa mit großen Schritten Boden gutmachte, waren auch amerikanische Erfinder scharf darauf, auszunutzen, was sie als Marktlücke empfanden. So stellte beispielsweise Raymond DeWalt Ingenieuren und Technikern die weltweit erste von Hand gesteuerte Radialkreissäge vor. DeWalt wollte den Prozess, verschiedenste Dinge präzise zu schneiden, mechanisieren und entwickelte eine Säge, mit deren Hilfe die Arbeitsbelastung des Benutzers bei gleichzeitig gesteigerter Effizienz gesenkt werden konnte. Der Erfolg DeWalts erster Idee gab ihm die Möglichkeit, die DeWalt Power Tool Company zu gründen – ein Unternehmen, das auch noch heute besteht. An anderer Stelle stellte Black and Decker – ein Unternehmen aus Baltimore, das 1920 von Duncan Black und Alonzo G. Decker gegründet wurde – die erste Elektrobohrmaschine vor. Black and Decker gilt zudem als Erfinder des Elektrowerkzeugs mit dem sogenannten „Pistolengriff“: Der Einfluss des Unternehmens auf die Entwicklung und die Verwendung solcher Werkzeuge spiegelt sich auch heute noch im Markt wieder.

 

Werkzeuge und ihre technischen und wissenschaftlichen Bauteile: Ein Überblick

 

Lötkolben

Ein Lötkolben ist ein Werkzeug zum „Verlöten“ – bzw. Verbinden – zweier Werkstücke. Lötkolben werden weitläufig für elektrische Leitungen sowie für Sanitärarbeiten eingesetzt und zählen in vielen Arbeitsbereichen zur Grundausstattung von Elektronikern, wie beispielsweise Verstärker-Technikern in der Musikindustrie. Im Grunde basiert die Funktion von Lötkolben auf dem Prinzip des elektrischen Widerstands, der auftritt, sobald ein elektrischer Strom durch eine Komponente fließt, die Hitze erzeugt. Diese Wärmeenergie konzentriert sich vollends auf die Spitze des Geräts, die in aller Regel aus Kupfer bzw. Kupfer mit Eisenstücken besteht. Im nächsten Schritt kommt die Spitze zunächst mit einem Lötmaterial (die Wahl des Materials hängt von den Eigenschaften der miteinander zu verknüpfenden Werkstücke ab) und dann mit dem gewünschten Zielbereich in Kontakt.

Erhältlich sind Lötkolben ganz allgemein in drei verschiedenen Ausführungen: Low-Power, kabellos und mit Temperaturregelung. Low-Power-Geräte kommen besonders häufig im Bereich Elektronik zum Einsatz, wo die Ausgangsleistung von 15-35 Watt für die meisten Anwendungen ausreicht. Kabellose Geräte erzeugen die benötigte Hitze durch die Entzündung von Erdgas oder mit Hilfe von Batterien und sind besonders wertvoll, wenn Netzstrom nicht zur Verfügung steht. Lötkolben mit Temperaturregelung hingegen verfügen über integrierte Sensoren zur Regelung der Hitzestufen.

Die meisten Lötkolben verwenden sogenanntes „Weichlot“. Dabei handelt es sich in der Regel um Zinn-/Blei-Legierungen, die auch oftmals im Bereich Elektronik zum Einsatz kommen, mit einem Zinn-Blei-Verhältnis von 63 zu 37 und einer Schmelztemperatur von 188 Grad Celsius.

 

Nieten

Nieten sind im Grunde genommen spezielle Verbindungselemente und können aus vielen verschiedenen Materialien gefertigt werden – einschließlich Stahl und Kunststoff.

Vollnieten bestehen beispielsweise aus einem Schaft und einem Kopf. Mit Hilfe eines Hammers oder einer speziell entwickelten Pistole werden sie zusammengedrückt. Dabei wird sichergestellt, dass die zu befestigende Oberfläche ordnungsgemäß gesichert ist. Zu den klassischen Beispielen für den Einsatz von Vollnieten zählen Brückenstrukturen – wo hauptsächlich Nieten aus Edelstahl verwendet werden – und die Luftfahrtindustrie, wo Vollnieten in den Rahmen eines Flugzeugs eingesetzt werden. Hier kommen oftmals Verbundwerkstoffe zum Einsatz, wobei Titan und Nickel nahezu überall zu finden sind.

Bei einem solchen Maßstab erfolgt das Einsetzen von Nieten meist mit Hilfe spezieller Werkzeuge, die die Nieten mit hydraulischen oder pneumatischen Systemen durch die Zielöffnungen drücken.

Halbhohlnieten verfügen über eine Öffnung zur Senkung des Kraftaufwands beim Einstecken der Niete in den Zielbereich. In Zahlen ausgedrückt: Halbhohlnieten erfordern einen um 75 Prozent geringeren Kraftaufwand als Vollnieten und sind zudem lediglich am hinteren Ende bombiert, sodass sie insbesondere bei Anwendungen zum Einsatz kommen, wo ein gewisses Maß an Bewegung erwartet wird. Sie können mit vielen verschiedenen Werkzeugen bearbeitet werden, darunter manuelle und pneumatische Pressen, und sind in der Regel mit einem Durchmesser zwischen 1,6 mm und 9,5 mm erhältlich. Weitere Größen sind ebenfalls erhältlich, werden aber meist lediglich in Spezialanwendungen eingesetzt.

 

Blindnieten

Blindnieten verfügen über einen Spanndorn (auch: Spannzwinge) an ihrem Schaft. Niete und Spanndorn werden zunächst in einem Bohrloch an den miteinander zu verknüpfenden Materialien positioniert, danach wird der Spanndorn mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs durch die Niete gezogen. Dabei dehnt sich das Ende der Niete aus und spannt den Spanndorn ein. Blindnieten werden hauptsächlich in Bereichen eingesetzt, die nur von einer Seite erreicht werden können, und bestehen in aller Regel aus Stahl, Kupfer oder einer Legierung. Erhältlich sind sie mit einem Flachkopf, einem flächenbündigen Kopf und einem Senkkopf.

 

Kunststoffnieten

Kunststoffnieten mögen zwar nicht so belastbar sein wie ihre Pendants aus Metall, werden aber weitläufig in elektronischen Geräten sowie in Möbelstücken eingesetzt und sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich. Je nach Anwendung erfordern sie in der Regel einen geringeren Zeit- und Kraftaufwand als Voll- und Halbhohlnieten, und sind insbesondere für Arbeiten zu Hause besonders gut geeignet.

Zu den geläufigsten Varianten zählen Kunststoffnieten mit simplem Verschluss, die einfach an Ort und Stelle eingesteckt werden. Diese Ausführung wird oftmals für Anwendungen im Bereich Elektronik eingesetzt, da sie mit ihrem flachen Kopf eine äußerst diskrete Erscheinung aufweisen. Ratschennieten werden auf dieselbe Weise an beiden Seiten des jeweiligen Materials verschlossen und eignen sich somit ideal für Anwendungen, die auf beiden Seiten einen sauberen Abschluss erfordern.

 

Elektrowerkzeuge

Elektrowerkzeuge sind Geräte mit einem Betätigungsmechanismus zum Antrieb von beweglichen Teilen, die dann in einem bestimmten Bereich verwendet werden können. Hierzu zählen Schraubendreher, Bohrer und Sägen sowie viele verschiedene Schneid-, Mess- und Transportvorrichtungen. Die mit am weitesten verbreiteten Energiequellen sind Elektrizität, fossile Brennstoffe und Batterien.

So wandelt beispielsweise ein batteriebetriebener Bohrer die Leistung der Batterie in ein Drehmoment um, das dann den Bohrkopf antreibt. Im Gegensatz zu fest installierten Stand-Alone-Bohrmaschinen mit Netzbetrieb kommen batteriebetriebene Bohrmaschinen ganz ohne Kabel aus und stellen somit eine komfortablere Lösung für Ingenieure und Techniker dar, die sich im Rahmen ihrer Arbeit viel bewegen. In aller Regel liefern batteriebetriebene Werkzeuge ein etwas geringeres Drehmoment als Geräte mit Netzanschluss. Verbesserungen der Spannung und Kapazität von Batterien für batteriebetriebene Werkzeuge führten jedoch auch in dieser Hinsicht zu besseren Ergebnissen. Während Geräte mit 18 Volt nach wie vor sehr weit verbreitet sind, bieten so manche Geräte mit 36 Volt bereits ähnliche Mengen an Drehmoment wie Geräte mit Netzanschluss.

 

Die Herstellung

Elektrowerkzeuge, Nieten und Lötkolben bilden das Herzstück der Bereiche Fertigung und Industrie, und sind wichtige „Formgeber“ unserer modernen Welt. Viele Projekte, die zuvor mühselige Handarbeit erforderten, werden inzwischen von Maschinen übernommen, sodass kleine wie große Vorhaben wesentlich schneller, einfacher und energieeffizienter realisiert werden können.