Nutzung einer vielfachen Kraft

Die Muskelkraft war jahrhundertelang die einzige Möglichkeit für Menschen, um mechanischen Druck auf ein Werkstück auszuüben. Wenn die Schrauben bei einer Schraubenpresse stärker angezogen wurden, stieg auch der Druck. Erst mit der Erfindung von Joseph Bramah wurde es für die Menschen einfacher. Denn dank seiner hydraulischen Presse wurde die Muskelkraft einfach durch Wasser ersetzt und gleichzeitig verfielfacht. Die Brahmahsche Presse bedient sich dabei des hydrostatischen Gesetzes, oder auch nach seinem Entdecker Blaise Pascal

(* 19.7.1623 – † 19.8.1662) Pascalsches Gesetz genannt. Dieses besagt, dass der Druck einer Flüssigkeit konstant ist. Und folglich kann eine Kraft, die auf eine Wand des Gefäßes wirkt, vervielfacht werden. Die Bramahsche Presse besteht aus einer Saug- und Druckpumpe, die den Druck ausübt; und einem Kolben, der den Druck empfängt, um ihn auf den zu pressenden Körper zu übertragen.

Die hydraulische Presse wird auch nach ihrem Erfinder Joseph Bramah als Bramahsche Presse bezeichnet. Das Gerät funktioniert nach dem hydrostatischem Gesetz, das die auf die Kolben einer Pumpe wirkende Kraft vervielfacht. Bild: wikimedia.org

Durch einen Hebel wird der Pumpenkolben gehoben, das Wasser des Behälters dringt durch das Sieb, hebt das Ventil und gelangt so unter den Kolben. Wenn man den Hebel runterdrückt, geht auch der Kolben nach unten. Das zurückgetriebene Wasser schließt das Ventil, hebt das andere Ventil und gelangt durch eine Röhre in den Hohlraum der Presse. Hier drückt es nun gegen den Kolben, den es mit der Platte hebt.

So wird der zu pressende Körper zusammengedrückt. Wenn der Kolben durch irgendeine Kraft niedergedrückt wird, hat jeder Flächenteil der Gefäßwände, der dem Querschnitt des Kolbens gleich ist, einen gleichen Druck auszuhalten.

Die Erfindung geht um die Welt

Die Presse ersetzte schnell Schraubenpressen in Manufakturen und Fabriken. Sie wurde zum Heben von Lasten, anstatt der üblichen Kräne, als Erzeuger großen Drucks bei der Schießpulverfabrikation und sogar als Metallhobel- und Bohrmaschine verwendet. Sie diente außerdem als Packpresse für Heu, Flachs und Baumwolle. Eine unwesentliche Verbesserung erfuhr die erste hydraulische Presse durch die Anwendung einer speziellen Dichtung des großen Kolbens. Diese wird gleich zwei Erfindern zugeschrieben: zum einen Mathias Hohn in Londen und zum anderen Benjamin Hick in Bolton. Ein ungestülpter Sohllederring hatte die Form eines umgekehrten U und wurde an beiden Enden zugeschärft. Dieser Kranz lag in einer Vertiefung des Zylinders und wurde durch das Wasser gegen den Kolben und Zylinder gepresst. Zur Erhaltung der Form diente ein aus zwei Teilen zusammengesetzter Metallring.

In Deutschland und Frankreich fand die hydraulische Presse erst nach dem zweiten Pariser Frieden am 20. November 1815 Beachtung. Anfang 1818 soll der Mechaniker Neubauer in der Maschinenfabrik von Nathasius bei Magdeburg eine hydraulische Presse konstrukiert haben, die von zwei Männern in Bewegung gesetzt, einen Druck von 150.000 Kilogramm erzeugte. Sie wurde zum Auspressen des Rübensafts und des Öls aus Samen verwendet. In Frankreich soll der Mechaniker Montgolfier einer der ersten gewesen sein, der die hydrualische Presse mit Erfolg zum Ölpressen benutzt hat.

Eine solche Presse befand sich auf der Pariser Industrieausstellung von 1819. Außer bei der Prüfung von Konstruktionsmaterialien wie Stäbe, Ketten, Seilen und Steinen, setzte man die hydraulische Presse bei der Rübenzucker-, Stearinlicht, Öl- und Gummifabrikation ein. Ebenso zum Pressen von Rohren aus Blei und Zinn, zum Heben großer Lasten oder zur Bewegung des Steuers großer Schiffe.

Hintergrundwissen

Das Pascalsche Gesetz

Prinzipzeichnung einer hydraulischen Presse. Bild: wela49, wikimedia.org

Das Pascalsche Gesetz, oder das Gesetz der allseitigen Druckausbreitung, ist ein Gesetz der Hydrostatik, welches besagt, dass der hydrostatische Druck an jedem Punkt der Flüssigkeit gleich stark in jede Raumrichtung wirkt. Dieses Gesetz gilt unter der Voraussetzung, dass die Scherkraft gegenüber den äußeren Drücken vernachlässigt werden kann und sich die Teilchen leicht gegeneinander verschieben lassen. Eine wichtige Anwendung des Pascalchen Gesetzes ist der hydraulische Heber.

Auf einen Stempel mit einem Querschnitt wirkt eine Kraft und erzeugt in der Flüssigkeit den hydrostatischen Druck. Auf Grund des Pascalschen Gesetzes wirkt derselbe Druck auch am Stempel mit dem zweiten Querschnitt und ruft dort eine zweite Kraft hervor, sodass der Stempel nach oben bewegt wird.

Die Weiterführung

Durch eine Verknüpfung mit dem von Armstrong 1843 erfundenen Akkumulators, enstand eine neue Kategorie von Werkzeugen und Werkzeugmaschinen. Auch der Lokomotivbauer John Haswell eröffnete ein weiteres Anwendungsfeld: Er benutzte die hydraulische Presse zum Schmieden von Metallen. Eine Hauptschwierigkeit galt es dabei aber zu überwinden.

Der Pressekolben musste sich so langsam bewegen, dass sich jedes Arbeitstück weit genug abkühlte, um dann geschmiedet zu werden. Bei Haswells Maschine konnte der Druck beliebig reguliert werden und gleichmäßig auf den inneren Teilen des Eisens wirken. Dann wurde der Druck allmählich gesteigert, um schließlich vollständig die Formen ohne Erschütterungen auszufüllen.

In modernen hydraulischen Pressen wird heute der Druck im Medium mittels eines Elektromotors und mit Hochleistungspumpen aufgebracht. Sie werden im gesamten Spektrum der Metalumformung eingesetzt.

Autorin: Felicitas Heimann, Redakteurin für Software, Automotive, Werkzeugmaschinen, Medizintechnik und der Rubrik Abspann.

Der Erfinder

Joseph Bramah (*13. April 1748 –
† 9. Dezember 1814), Bild von 1778. Bild: wikimedia.org

Joseph Bramah

Joseph Bramah wurde am 13. April 1748 in Stainborough Lane Farm, England, geboren. Eigentlich sollte Bramah auf dem väterlichen Bauernhof arbeiten. Aber durch eine Verletzung am Fußgelenk im Alter von sechs Jahren, hinkte er Zeit seines Lebens und konnte nicht mehr in der Landwirtschaft arbeiten. Schon als Kind entwarf und baute er eigene Musikinstrumente. Nach seinem Unfall ging er beim Dorfschreiner in die Lehre. Bramah galt damals schon als Universalgenie. 1795 entwickelte er eine mit Druckwasser betriebene Maschine, welche die eingesetzte Kraft mehr als 200-fach verstärkte. Hier machte sich Bramah das hytrostatische Gesetz zunutze.

Des weiteren erfand er Pumpen für Wasserwerke und die erste Zapfanlage, mit der noch heute in allen englischen Pubs Bier ausgeschenkt wird. Zu seinen weiteren Erfindungen zählen eine Maschine zum Nummerieren von Banknoten und ein Gerät zum Anspitzen von Gänsefedern zum Schreiben. Joseph Bramah starb am 9. Dezember 1817 in Pimlico, London.

Technik im Detail

• Seit 1795 wurde die Presse als Packpresse für Heu, Flachs und Baumwolle verwendet.
• Sie ersetzte Schraubenpressen in Manufakturen und Fabriken.
• Kombiniert mit einem Akkumulator ist die hydraulische Presse Basis einer neuen Kategorie von Werkzeugen und Werkzeugmaschinen.