Hydraulische Presse

Eine hydraulische Presse vervielfacht die Kraft mit Wasser. Eine kleine Handpumpe drückt Wasser in einen geschlossenen Zylinder, und dessen breiter Kolben, der Stempel, drückt um so viel stärker, wie seine Fläche größer ist als die des Pumpenkolbens, und bewegt sich um so viel weniger. Blaise Pascal beschrieb das Prinzip in einer um 1651–1654 geschriebenen und 1663 gedruckten Abhandlung. Joseph Bramah ließ sich 1795 in London eine funktionierende Presse patentieren; eine Lederstulpe, die sich unter Druck fester anlegt, machte sie dicht, und seine Pressen packten Tuch, Heu und Ölsaaten, bevor daraus die Schmiedepressen des 20. Jahrhunderts wurden.

Was es ist

Eine hydraulische Presse drückt, plättet oder formt mit einem Stempel, den Wasser vorschiebt. Sie hat zwei sehr unterschiedlich große Zylinder, die durch eine Leitung verbunden und mit Wasser oder Öl gefüllt sind. Ein Arbeiter treibt mit einem Hebel einen schmalen Kolben in den kleinen Zylinder, und die Flüssigkeit hebt den breiten Stempel im großen Zylinder mit viel größerer Kraft. Der Stempel trägt eine Pressplatte, und was zwischen Platte und festem Querhaupt liegt, wird so stark gepresst, wie das Gestell es aushält.

Bei einer Presse der Art, wie Joseph Bramah sie im frühen 19. Jahrhundert in London baute, sitzt der große Zylinder in einem gusseisernen Sockel, und eiserne Säulen verbinden den Sockel mit einem festen Querhaupt oben, sodass das Gestell die Gegenkraft des Stempels aufnimmt. Seitlich saugt eine Handpumpe Wasser aus einem Behälter und drückt es durch eine enge Leitung unter den Stempel. Ein kleiner Hahn lässt das Wasser wieder heraus, damit sich der Stempel nach der Arbeit senkt.

Wie es funktioniert

Wasser lässt sich kaum zusammendrücken. Drückt man in einem geschlossenen Gefäß darauf, steigt sein Druck, und dieser Druck wirkt gleich auf jede Wand und jeden Kolben, den es berührt. Die Kraft auf einen Kolben ist der Druck mal seiner Fläche. Bei gleichem Druck unter beiden drückt ein Stempel mit hundertfacher Fläche hundertmal stärker als der Pumpenkolben.

Der schmale Kolben geht weit hinunter; der breite steigt ein wenig, mit größerer Kraft.

Der Gewinn wird mit Weg bezahlt. Das Wasser, das der Kolben aus dem kleinen Zylinder verdrängt, verteilt sich unter der ganzen Breite des Stempels, der in diesem Beispiel deshalb nur um ein Hundertstel des Kolbenhubs steigt. Die Arbeit, Kraft mal Weg, ist an beiden Enden gleich, abzüglich der Reibung. Angenommen, der Kolben hat 1 cm² und der Stempel 100 cm² Fläche. Ein Druck von etwa 100 Newton, dem Gewicht von 10 Kilogramm, ergibt dann etwa 10.000 Newton am Stempel, das Gewicht einer Tonne, und der Pumpenhebel vervielfacht die Kraft des Arbeiters schon, bevor sie den Kolben erreicht.

Die Pumpe arbeitet hubweise, und zwei Rückschlagventile lassen das Wasser nur in eine Richtung fließen. Beim Aufwärtshub saugt der Kolben Wasser durch das Einlassventil aus dem Behälter; beim Abwärtshub schließt dieses Ventil, und das Wasser wird durch das Auslassventil in die Leitung gedrückt. Das Auslassventil schließt, wenn der Kolben wieder steigt, sodass der Stempel zwischen zwei Hüben oben bleibt. Öffnet man den Ablasshahn, fließt das Wasser zurück und der Stempel sinkt.

Der Stempel muss aus seinem Zylinder gleiten, ohne dass das Wasser an ihm vorbei entweicht. Bei den frühen Pressen ist diese Dichtung ein zu einem U gebogener Lederring in einer Nut am Zylinderrand, die offene Seite zum Wasser gerichtet. Das Wasser drückt die beiden Schenkel des U auseinander, gegen den Stempel und gegen die Zylinderwand: Je höher der Druck, desto fester dichtet sie.

So geht’s

Dieser Versuch zeigt den Kraftgewinn mit zwei Spritzen. Man braucht zwei Spritzen ohne Nadel in verschiedenen Größen, zum Beispiel 5 ml und 50 oder 60 ml, etwa 30 cm biegsamen Schlauch, der fest auf beide Ansätze passt, ein Glas Wasser mit einem Tropfen Lebensmittelfarbe, ein Taschenbuch, ein Handtuch und eine Schutzbrille.

Ziehen Sie die kleine Spritze voll gefärbtes Wasser, stecken Sie ein Schlauchende darauf und drücken Sie sanft, bis am anderen Ende Wasser austritt. Drücken Sie den Kolben der großen Spritze ganz hinein, stecken Sie sie auf das freie Schlauchende und prüfen Sie, dass nur wenig Luft im Schlauch ist. Legen Sie die Spritzen auf das Handtuch.

Zwei Spritzen, durch einen Wasserschlauch verbunden: eine kleine Pumpe und ein großer Stempel.

Drücken Sie den kleinen Kolben um seinen ganzen Hub hinein und beobachten Sie den großen: Er kommt ein viel kürzeres Stück heraus, und seine Skala zeigt, dass so viel Wasser ankommt, wie die kleine Spritze verloren hat. Halten Sie nun die große Spritze aufrecht, den Kolben oben, und legen Sie das Buch auf ihren Kolben. Ein leichter Druck auf den kleinen Kolben hebt das Buch. Tauschen Sie die Rollen: Legen Sie das Buch auf die kleine Spritze und drücken Sie den großen Kolben; Sie müssen viel stärker drücken, um dasselbe Gewicht zu bewegen. Drücken Sie zuletzt beide Kolben gleichzeitig gegen Ihre Daumen: Bei gleichem Druck drückt der große Kolben viel stärker zurück.

Geschichte und Entwicklung

Blaise Pascal beschrieb das Prinzip in seiner Abhandlung über das Gleichgewicht der Flüssigkeiten, geschrieben um 1651–1654 und nach seinem Tod 1663 in Paris gedruckt. Er dachte sich ein mit Wasser gefülltes Gefäß, das zwei Kolben verschließen, wobei eine Öffnung hundertmal größer ist als die andere. Ein Mann am kleinen Kolben, schrieb er, hält hundert Männern am großen stand, sodass das Gefäß zu einer „neuen Maschine zur Vervielfachung der Kräfte“ wird. Er nannte auch den Preis: Wird der kleine Kolben um einen Zoll hineingedrückt, kommt der große nur um ein Hundertstel Zoll heraus.

Eine funktionierende Presse kam erst mehr als ein Jahrhundert später. Joseph Bramah, ein Londoner Ingenieur, der schon durch sein Schloss bekannt war, ließ sich 1795 eine patentieren, Nr. 2045, unter dem Titel „Gewinnung und Anwendung von Antriebskraft“. Seine Presse drückte mit einer Kolbenpumpe Wasser unter den Stempel eines großen Zylinders. Die Schwierigkeit war die Dichtung: Eine Packung aus Hanf oder Leder, die dicht genug für das Wasser war, klemmte den Stempel so fest, dass sich die Presse kaum bewegte. Die Lösung war die zu einem U gebogene Lederstulpe, die sich erst mit steigendem Druck anlegt. James Nasmyth schrieb sie 1863 Henry Maudslay zu, der bis 1797 für Bramah arbeitete, und die Europäische Route der Industriekultur folgt ihm darin; nach der von John Cantrell und Gillian Cookson herausgegebenen Geschichte nannte das Mechanics’ Magazine ein Jahr später Benjamin Hick aus Bolton.

Eine Bramah-Presse packt Wolltuch, eine ihrer ersten Anwendungen.

Die ersten Pressen gingen an die Wollindustrie, zum Pressen von Heu und zum Auspressen von Saaten für Öl. Bramah lieferte Pressen an den Leedser Tuchfabrikanten Benjamin Gott, dessen Arbeiter sich gegen ihre Aufstellung wehrten, und klagte später auf die Rückgabe von zehn davon. Die Sheffielder Museen datieren den ersten Einsatz einer Bramah-Presse im Tower von London auf 1806. Bramah übertrug den Wasserdruck danach auf Kräne und auf die Tore von Schleusen.

Später ersetzten angetriebene Pumpen den Handhebel, und Hydraulikzylinder trieben bald Tafelscheren und die Kakaopressen der Schokoladenherstellung an. Im Rahmen eines Programms der US-Luftwaffe für sehr große Pressen baute die Firma Loewy für Wyman-Gordon in Grafton (Massachusetts) eine Schmiedepresse von 50.000 Short Tons, die im Oktober 1955 in Betrieb ging. Sie schmiedete Flugzeugteile, darunter Teile der Boeing 747.