kommen. Solche Erkrankungen können für die betroffenen Arbeitsplatzwechsel und häufig auch Berufswechsel bedeuten. Erforderliche Therapie- und Umschul

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1 Trockenbearbeitung - Möglichkeiten und Grenzen einer Technologie 1. Einführung 1.1 Charakterisierung der Ausgangssituation Spanende Fertigungsverfahren in der Metallverarbeitung sind meist mit dem Einsatz von Bild 1 KSS-Verbrauch in Deutschand [1] Kühl-schmierstoffen (KSS) verbunden. Angewendet werden wassergemischte KSS als Kühlschmieremulsionen oder Kühlschmierlösungen und nichtwassergemischte KSS auf der Basis von unlegierten und legierten Mineralölen. Nach [1] wurden dazu allein im Jahr 1999 in Deutschland etwa t Schmierstoffe und 1,3 Mio. t Wasser verbraucht (Bild 1). Daraus resultieren mehrere Problemfelder: Kosten Beschaffungskosten für die KSS (einschließ lich Wasserkosten) Investitionskosten für die Anlagen-technik und Personalkosten für Bereitstellung und Pflege der KSS Entsorgungskosten für KSS und für konta minierte Späne (hier sind auch regionale Aspekte zu beachten) eventuell Reinigungskosten für die Werk stücke. Der Anteil dieser Kosten an den Gesamtkosten Verzicht auf KSS auch die damit verbundenen des Fertigungsprozesses ist besonders vom Kosten zu vermeiden. verwendeten Fertigungsverfahren, von der Art der KSS-Bereitstellung und von der Kostenstruktur des Unternehmens abhängig. Welche Nach [12] sind in Deutschland jährlich ca. Ökologie Unterschiede t KSS zu entsorgen. Hinzu kommen sich hier ergeben können, Filter sowie die völlig unkontrolliert entsorg- Schleif-schlämme, kontaminierte Späne und zeigen vier Beispiele aus der selbst, dass eine Substitution der KSS, vor ten Ver-schleppungen. Es versteht sich von Automobilindustrie im Bild 2. wasserlöslichen Verbindungen, zu einer er- allem der ökologisch besonders kritischen typisch ist, dass heblichen Entlastung der Umwelt führt besonders. hohe KSS-Kosten auf einen Infolge von Leckage- und Ausschlepp- Gesundheitsgefährdung hohen Investitionskostenanteilen KSS eine potentielle Gefahr für die Geverlusten, aber auch durch Emissionen stel- zurückzuführen sundheit der unmittelbar betroffenen Mitarbeiter dar [3]. Auch bei strikter Einhaltung der sind. Die KSS-Kosten können so die Größenordnung der Werkzeugkosten erreichen oder einschlägigen Vorschriften [4] [5] [6] [7] kann sogar überschreiten. Es besteht somit ein erhebliches ökonomisches Interesse, durch den insbesondere in Form von Hauterkrankungen es zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen, Bild 2 Kosten für die Kühlschmie-rung am Beispiel der Automobilindustrie [2] 7

2 kommen. Solche Erkrankungen können für die betroffenen Arbeitsplatzwechsel und häufig auch Berufswechsel bedeuten. Erforderliche Therapie- und Umschulungsmaßnahmen sind gesamtgesellschaftlich und z. T. durch die Unternehmen zu tragen. Darüber hinaus führt der Ausfall von oftmals hochqualifizierten Mitarbeitern zu Problemen, welche in kleinen Unternehmen sogar existenzbedrohende Formen annehmen können. Damit sind die Motivationsquellen für die Einführung der Trockenbearbeitung beschrieben. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass ein wichtiger Aspekt die Kostensenkung ist. Sind keine Einsparungen zu erwarten, wird im Regelfall auch keine Trockenbearbeitung zum Einsatz kommen. 1.2 Aufgaben des Kühlschmierstoffs Bild 3 Trockenbearbeitung Auswirkungen und Anforderungen [11] Bild 3 analysiert die Auswirkungen, die sich aus dem Wegfall der primären KSS-Funktionen bei der Trockenbearbeitung ergeben. 1.3 Trockenbearbeitung und Minimal mengenkühlschmierung (MMKS) Dort wo die Trockenbearbeitung aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht realisierbar ist, bietet sich die Verwendung der MMKS an. Unter einer MMKS versteht man die gezielte Zuführung eines Schmiermediums in die Wirkstelle der Zerspanung. Kleinste Mengen (max. 50 ml/h) werden mittels Druckluft zerstäubt und als Aerosol dem Prozess zuge- in Aluminium [8] Bild 4 Auswirkungen einer MMKS auf den Standweg beim Bohren führt. Auf Grund der geringen Menge des eingesetzten Schmiermittels wird diese Technik im allgemeinen der Trockenbearbeitung zugeordnet. Ziel der MMKS ist vor allem die KSS-Funktion Schmieren. Bis zu einem gewissen Grade unterstützt die verwendete Druckluft den Spänetransport. Die Kühlwirkung ist dabei vernachlässigbar gering. Schmiermedien sind im wesentlichen Öle und Fettalkohole. Öle besitzen eine bessere Bild 5 Äußere Zufuhrstrategien der MMKS [2] Schmierwirkung. Fettalkohole verdampfen auf Grund der niedrigen Verdampfungstemperatur durch die Prozesswärme und machen damit eine Reinigung der Werkstücke überflüssig. Bild 4 verdeutlicht beispielhaft den Einsatz der MMKS beim Bohren. Für die technische Umsetzung der MMKS stehen zwei Lösungen zur Verfügung. Zufuhr des Gemisches (Schmiermedium + Luft) über eine oder mehrere Düsen im Arbeitsraum der Maschine (siehe Bild 5). Die Anzahl und Ausrichtung der Düsen sowie das von der Düsengestaltung beeinflusste Sprühbild bestimmen das Arbeitsergebnis. Innere Zufuhr des Gemisches durch die Spindel der Maschine. Voraussetzung sind Werkzeuge mit inneren Kühlkanälen (siehe Bild 6). Bild 6 Innere Zufuhr der MMKS [2] Bild 7 Austrittsöffnung für MMKS-Medium im Bereich der Spannut (Quellen: Kennametal Hertel, Heidelberger Druckmaschinen) 8

3 Werkzeuge für die Nassbearbeitung sind dazu oftmals nicht geeignet, da die Austrittsöffnungen am Werkzeug die Spankammern nur unzureichend mit Schmiermittel versorgen. Bild 7 zeigt ein optimiertes Bohrwerkzeug im Vergleich mit einem Standardwerkzeug. 2. Anforderungen der Trockenbearbeitung Einfaches Abschalten des Kühlsystems bei ansonsten unverändertem Fertigungsprozess ist in aller Regel nicht erfolgreich, da andere Wirkmechanismen die KSS-Funktionen nicht ersetzen. Bild 8 gibt einen Überblick über die technischen Möglichkeiten zur Realisierung der erforderlichen Wirkmechanismen. Im folgenden soll kurz auf die Bedeutung von Werkzeug und Werkzeugmaschine eingegangen werden. Bild 9 Trockenbohren und Gewindebohren in Stahl und Aluminium mit MoS 2 -beschichteten Werkzeugen (Quelle: Gühring) 2.1 Werkzeuganforderungen Das Leistungsvermögen von Werkzeugen wird durch die Komponenten Schneidstoff, Beschichtung und Geometrie bestimmt. Aus der Palette der zur Verfügung stehenden Schneidstoffe wie HSS, Hartmetall, Keramik, CBN und Diamant sind nahezu alle auch bei den höheren thermischen Belastungen der Trockenbearbeitung einsetzbar. Lediglich im HSS-Bereich ergeben sich Ein-schränkungen. In einigen Anwendungsfällen sind beschichtete PM-HSS-Werkzeuge einsetzbar. In vielen Fällen übersteigen die thermischen Belastungen jedoch das Leistungsvermögen von HSS. Der Schneidwerkstoff ist aber bei der Trockenbearbeitung die unkritischste Werkzeugkomponente. Notwendig sind spezielle trockenbearbei-tungsgerechte Beschichtungen. Thermische Isolierung des Werkzeugs Beschichtungen mit geringen thermischen Leitfähigkeiten verringern den Wärmestrom ins Werkzeug und erhöhen die Wärmeabfuhr über den Span [9]. Besonders häufig werden Schichten auf Basis von TiAlN und Al 2 O 3 sowie Schichten mit ausgeprägten Texturen [10] [13] verwendet. Bild 8 Einflussgrößen auf eine Trockenbearbeitung [2] Verbesserung der Reibwerte - Beschichtungen mit werkstoffbedingt niedrigen Reibwerten (Diamant oder DLC), 9

4 - Schichten mit mechanisch erzeugten geringen Rauheiten (durch Polieren) oder - Schmierschichten wie MoS 2 (Bild 9). Schmierende Schichten haben einen wesentlich höheren Widerstand gegen Aufschweissungen von Materialpartikeln. Sie werden daher bevorzugt beim Bearbeiten von Al-Legierungen verwendet. Die Geometrie der Werkzeuge kann fehlende KSS-Funktionen kompensieren und besonders den Spänetransport verbessern. Z. B. verkleben bei Nasswerk-zeugen für die Bohrungsbearbeitung ohne KSS nach relativ kurzer Eingriffszeit oft die Spanräume (Bild 10). Eine optimierte Geometrie kann dem erfolgreich entgegenwirken, so dass Standzeiten wie bei der Nasszerspanung erreichbar sind. Weite Spannuten verbessern die Späneabfuhr (Bild 11). Sichere und schnelle Entfernung der Späne aus dem Arbeitsraum. Hohe thermische Steifigkeit. Kapselung, Absaugung und Minimalmengenschmierung. Ausreichende Lebensdauer wichtiger Maschinenkomponenten. Unter Beachtung dieser Kriterien sind mittlerweile eine Reihe von Maschinen speziell für die Trockenbearbeitung am Markt erhältlich, so dass beim Einsatz einer neuen Maschine keine größeren Probleme auftreten dürften. Grundsätzlich besteht aber die Möglichkeit eine Trockenbearbeitung auch auf Maschinen durchzuführen, die nicht speziell für diesen Einsatzfall konzipiert wurden. In der Regel ist der Anbau von Zusatzkomponenten (Absaugung, MMS) erforderlich. Eine Bewertung der Eignung ist nur am konkreten Einsatzfall möglich. 3.2 Sägen von Al-Polyamid-PUR- Verbundprofilen Ausgangssituation: Verbundprofile aus AlMgSi0.5, Polyamid 6.6 und PUR-Schaum. Problem: Da es durch Quellen des Polyamids zu Maßänderungen kommt, ist aus Qualitätsgründen keine Nassbearbeitung möglich. Aufgabe: Trockenbearbeitung, maximale Rauheit der Schnittfläche 15 µµm. Lösung: Kreissägen mit Minimalmengenkühlschmierung. Bild 10 Typisches Werkzeugerliegen beim Trockenbohren in Aluminium ohne MMKS [2] Bild 11 Innovative Werkzeugentwicklung. (Quellen: Kennametal Hertel, Heidelberger Druckmaschinen) 2.2 Maschinenanforderungen Trockenbearbeitungsgerechte Werkzeugmaschinen stellen im wesentlichen vier Forderungen: 3. Beispiele für die Anwendung der Trockenbearbeitung 3.1 Sägen von rostfreiem Stahl Ausgangssituation: Pakete aus dem Werkstoff (X5CrNi18.10). Aufgabe: Trockenbearbeitung, max. Rauheit der Schnittfläche 30 µm. Lösung: Bandsägen mit Minimalmengenkühlschmierung. Bild 12 Bandsägen von rostfreiem Stahl (Quelle: GFE) Bild 13 Kreissägen von Al-Polyamid-PUR- Verbundprofilen (Quelle: GFE) 4 Grenzen der Trockenbearbeitung 4.1 Technische Grenzen Technische Grenzen für den Einsatz der Trockenbearbeitung können - Qualitätsanforderungen des zu fertigenden Bauteils, - bestimmte Werkstoff-/Verfahrenskombinationen aber auch - Eigenschaften von Maschinen oder Vor richtungen sein. Beispielsweise sind einige Fertigungsverfahren wie das Schleifen als äußerst problematisch einzuordnen. Auch ist die Bearbeitung eines Werkzeugstahls einfacher als die Bearbeitung einer Nickel-Basislegierung. Da jedoch in realen Fertigungsprozessen eine Vielzahl oftmals gegenläufiger Faktoren wirken, sind pauschale und einfache Aussagen nicht 10

5 möglich. Eine qualifizierte Bewertung kann nur am konkreten Fertigungsprozess unter Einbeziehung aller Randbedingungen erfolgen. Mit dem heutigen Stand der Technik kann festgestellt werden, dass die überwiegende Zahl der spanenden Fertigungsprozesse mit geometrisch bestimmter Schneide aus technischer Sicht im Sinne einer Trockenbearbeitung realisierbar sind. Eine 100-%ige Umstellung ist jedoch nicht möglich. 4.2 Ökonomische Grenzen Die Trockenbearbeitung ist nicht zwangsläufig die wirtschaftlichste Bearbeitung. Eine Erhöhung der Fertigungskosten ist durchaus möglich. Nicht alles was technisch möglich ist, ist auch wirtschaftlich sinnvoll. Es ist daher erforderlich die Wirtschaftlichkeit für jeden Einzelfall zu prüfen. Folgenden Fragen sind dabei von besonderer Bedeutung: 1. Können alle Arbeitsgänge auf einer Maschine trocken realisiert werden? 2. Welche KSS-Versorgung ist vorhanden? 3. Wie ändern sich die Bearbeitungszeit und die Standzeit der Werkzeuge? 4. Ist eine Reinigung der Werkstücke nach dem Zerspanen erforderlich? 5. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Trockenbearbeitung die sehr seltene Möglichkeit bietet, die Fertigungskosten zu senken, die Umwelt zu entlasten und die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter nachhaltig zu verbessern. Es zeigt sich aber auch, dass die Trockenbearbeitung die Nassbearbeitung nicht vollständig ersetzen kann. Die ökonomische Nutzung der Trockenbearbeitung erfordert ein entsprechendes Know-how. Große Unternehmen, vorzugsweise der Automobilindustrie, nutzen die Trockenbearbeitung bereits und werden sie in Zukunft in noch größerem Maße anwenden. In kleineren und mittlerer Unternehmen ist die Trocken- bearbeitung bisher nur sehr wenig anzutreffen. Das Technologienetz Trockenbearbeitung soll hier in der Zukunft eine entscheidende Hilfe leisten. Gefördert durch das BMBF haben sich vier Institute sowie die Fachverbände VDW und VDMA zusammengeschlossen. Das Netzwerk bietet allen Unternehmen theoretische und praktische Unterstützung bei der Einführung der Trockenbearbeitung [2]. Literatur [1] N.N.: Mineralöldaten der BRD Bundesamt für Wirtschaft, Eschborn 2000 [2] N.N.: Seminarunterlagen zum Seminar Trockenbearbeitung des Technologienetzes Trockenbearbeitung. Schmalkalden 2000 [3] N.N.: Hauterkrankungsrisiko bei Metallberufen. Tribologie+Schmierungstechnik, 42 (1995) 1, S. 48 [4] Verordnung über gefährliche Stoffe (Gefahrstoffverordnung - GefStoffV) vom (BGBl. I, S. 1470), in der Fassung vom 25. September Carl Heymanns Verlag, Köln, 1991 [5] Technische Regeln für Gefahrstoffe: TRGS 611 Verwendungsbeschränkung für wassermischbare bzw. wassergemischte Kühlschmierstoffe, bei deren Einsatz N-Nitrosamine auftreten können. April TRGS 900 Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz. Ausgabe April 1995/ Fassung März Carl Heymanns Verlag, Köln [6] Technische Regeln für Gefahrstoffe: TRGS 552 Nitrosamine. März Carl Heymanns Verl. Köln [7] N.N. ZH 1/248 Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz beim Umgang mit Kühlschmierstoffen. Hrsg. Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften. C. H. Verl. Köln, 1994 [8] Klocke, F.; Lung, D.; Eisenblätter, G.: Mindermengenkühlschmierung - Eine Alternative zur Nassbearbeitung. In: Auf dem Weg zur Trockenbearbeitung, VDI Berichte 1240, VDI Verlag Düsseldorf, 1996, S [9] Kammermeier, D.: Charakterisierung von binären und ternären Hartstoffschichten an Hand von Simulations- und Zerspanungsuntersuchungen. VDI-Fortschritt-Bericht Nr Reihe 2. VDI-Verlag Düsseldorf 1992 [10]Böswetter, G.; Reich, S.; Westphal, H.: Verschleißfester mit Texturierung. Werkstatt und Betrieb 134 (2001) 4, S [11] Klocke, F.; Eisenblätter, G.; Zinkann, V.: Verzicht auf Kühlschmierstoff aufgrund angepaßter Prozesse. Werkstattstechnik 88 (1998) 9/10, S [12]Trockenbearbeitung senkt Fertigungskosten. Maschinenmarkt (2001) Nr. 36, S [13]Böswetter, G.; Reich, S.; Westphal, H.: Texturen erschließen Leistungspotentiale bei Hartstoffschichten. VDI-Z Integrierte Produktion, Special Werkzeuge II / 2001, S Dr.-Ing. S. Reich, Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung e.v. Schmalkalden Prof. Dr.-Ing. habil. G. Böswetter, Fachhochschule Schmalkalden Information Das nächste Seminar im Rahmen des Technologienetzes Trockenbearbeitung findet am 10. April 2002 in der GFE Schmalkalden statt. Informationen über: Tel.: