Kryogene Zerspanung für mehr Produktivität Kryogen kühlen mit CO2: Konzept zum sicheren Einsatz

Redakteur: Anne Richter

Kryogene Kühlung mit CO2 ist der Schlüssel zu mehr Produktivität bei der Bearbeitung etwa von Titan- und Nickellegierungen, Duplexstählen und anderen hochwarmfesten Werkstoffen. Möglich wird dies durch prozesssichere Kühlschmiersysteme wie beispielsweise die Aeorosol Trockenschmierung ATS Cryolub von Rother Technologie.

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Foto 1: Bei ATS steht die Temperaturvermeidung statt deren Reduzierung im Mittelpunkt.
Foto 1: Bei ATS steht die Temperaturvermeidung statt deren Reduzierung im Mittelpunkt.
(Bild: Rother Technologie)

Insbesondere beim Zerspanen anspruchsvoller Werkstoffe bringt der Einsatz von CO2 viele Vorteile: So lassen sich unter anderem CO2-Kühlung und MMS in einer Anlage kombinieren, und alle erforderlichen technischen Komponenten sind industriell verfügbar und einsatzfähig. Auch lassen sich Bauteilmaterialien kühlen, die zu Oberflächenreaktionen mit konventionellen Kühlschmierstoffen neigen, KSS müssen nicht mehr gelagert und entsorgt werden, die Bauteile sind nach dem Zerspanen sauber und trocken, und die Späne sind zu 100 Prozent recyclebar. Darüber hinaus ist CO2 ein Abfallprodukt aus der Industrie. Dadurch werden keine Neuemissionen bei dieser Art der Weiterverwendung generiert. Reiner Rother, Geschäftsführer von Rother Technologie: «Gegenüber anderen KSS-Konzepten, wie etwa der Trockenbearbeitung, stehen in vielen Applikationen die längere Standzeit der Werkzeuge sowie die erhöhte Produktivität im Fokus, sobald sie kryogen, etwa mit ATS Cryolub, gekühlt werden.» Weiterhin wird gegenüber der Trockenbearbeitung die Werkzeugtemperatur drastisch gesenkt.

Hitze verhindern statt bekämpfen

Hinter ATS verbirgt sich ein feines Öl-Luftgemisch, ein Aerosol mit Schmierpartikeln im Mikrobereich. Es wird über die Spindel dem Bearbeitungsprozess zugeführt – etwa durch die Innenkühlkanäle des Werkzeugs. Maximale Schmierung und optimale Reibwerte sind bei sehr geringem Öl-Verbrauch (ca. 3-25 ml/h) nahezu im Trockenbereich direkt am Schnitt gewährleistet. Zur Prozesskühlung bei Bearbeitung von hochwarmfesten Legierungen sowie Titan etc. wird bei ATS Cryolub CO2 als Kühlgas zugesetzt. Es kühlt die Kontaktzone je nach Bedarf auf bis zu -78°C ab. Die Kühlleistung lässt sich, ebenso wie die

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Aerosolsättigung, bedarfsgerecht bauteil- und materialspezifisch einstellen.

Das System ATS bzw. ATS Cryolub besteht aus dem entsprechenden Steuerungsgerät Aerosol-Master und wird ergänzt durch das optimal abgestimmte ATS-Öl Aerosol Master Lubricant c. Alle Komponenten des Systems lassen sich ohne Risiko und ohne nennenswerte Unterbrechung der Produktion – meist innerhalb weniger Stunden – prozesssicher an bestehende Bearbeitungsmaschinen andocken und so, anwendungsspezifisch optimiert, in den jeweiligen Workflow integrieren. Darüber hinaus können Maschinenhersteller mittels der speziellen OEM-Version ihre Anlagen auch direkt mit dem Steuerungsgerät ausrüsten und das ATS-System kundenindividuell vorkonfiguriert an die Industriekunden ausliefern.

Reiner Rother: «Trotzdem standen Zerspaner dem Einsatz von CO2 skeptisch gegenüber, da ein umfassendes Sicherheitskonzept für das Betreiben von Werkzeugmaschinen speziell mit dem sauerstoffverdrängenden Gas als Kühlmittel in einer Fertigungsstätte bisher fehlte.»

Ein Industrie-Arbeitskreis sorgte daher für Abhilfe: Namhafte Hersteller von Werkzeugmaschinen, Kühlschmiertechnologie, Sicherheits- und Maschinenkomponenten, Zerspanungswerkzeugen sowie einem Lieferanten für technische Gase erarbeiteten in Zusammenarbeit mit dem Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FTZ) unter Projektleiter Prof. Dr. sc. techn. Michael Schneeweiss eine entsprechende Handlungsanweisung /1/. Mit ihr ist der sichere Einsatz von neuen Bearbeitungsmaschinen mit kryogener CO2-Kühlung wie auch das Umrüsten bestehender Anlagen auf die Zerspanung mit dem Kühlgas problemlos sowie kostenoptimiert möglich.

Handlungsempfehlung zum sicheren Betreiben einer Werkzeugmaschine mit CO2-Kühlung

Ziel der notwendigen Sicherungsmassnahmen ist es, das unkontrollierte Ausströmen von CO2 – etwa durch Leckagen – zu detektieren, das prozessbedingte Vorhandensein (z.B. im Maschinenarbeitsraum, Bedienpult, Zugang zu Werkzeugwechsler) zu überwachen sowie bei Überschreitung der gesetzlich vorgeschriebenen Arbeitsplatzgrenzwerte die Mitarbeiter zu schützen. Prof. Schneeweiss: «Durch das Festlegen umzusetzender Schutzmassnahmen in Form von Sicherheits- und Überwachungstechnik wie etwa Sensorik, Warn-, Signal- und Absaugtechnik, kann das Gesamtkonzept unabhängig von der CO2-Anlagentechnik, der konkreten Werkzeugmaschine oder der Fertigungsstätte abgeleitet und dessen Ausarbeitung fokussiert werden. Dies umfasst sowohl die Betrachtung einer Einzelmaschinenlösung als auch einen Maschinengruppen- oder Linienbetrieb mit CO2-Kühltechnik.»

Das Gesamtkonzept, die erforderlichen Pläne, Dokumente und Checklisten sowie alle durchzuführenden Aktivitäten sind Bestandteil der Handlungsempfehlung und des Anlagenbandes. Die gesamte Dokumentation ist dabei schematisch unterteilt in Verantwortlichkeiten, die zum einen Maschinen- und Anlagenhersteller und zum anderen den Endanwender betreffen. Der Verantwortliche wird chronologisch ausgehend von einer Risikobeurteilung (Hersteller) bzw. Gefährdungsbeurteilung (Anwender) durch das Dokument geführt. Die Arbeitsblätter des Anlagenbandes sind allgemeingültig und berücksichtigen spezielle Anforderungen hinsichtlich des CO2-Einsatzes und können zur betrieblichen Dokumentation übernommen werden /2/.

Die erkannten CO2-spezifischen Gefährdungen und erforderlichen Schutzmassnahmen stellen die Grundlage für das entwickelte Gesamtkonzept dar, das dann in jeder Fertigungsstätte umgesetzt und bei Bedarf auch betriebsspezifisch erweitert werden kann. Professor Schneeweiss: «Durch die enge Zusammenarbeit von Industrie und Forschungseinrichtung im Rahmen des Arbeitskreises ’Zerspanen mit CO2’ ist nicht nur ein allgemeingültiges Gesamtkonzept für das sichere Betreiben von Werkzeugmaschinen mit CO2-Kühlung entstanden, sondern auch eine um die erforderliche Sicherheitstechnik ausgerüstete CO2-sichere Prototypanlage bei uns am Institut. Insbesondere die beteiligten Werkzeug- und Werkzeugmaschinenhersteller haben jetzt Informationen zur Hand, um ihren Kunden Sicherheitsbedenken beim Einsatz dieser innovativen Technologie zu nehmen. Sowohl die Umrüstung der Maschine auf CO2-Technik als auch die Integration sowie Inbetriebnahme der entsprechenden Sicherheitstechnik kann jeweils problemlos in nur wenigen Stunden erfolgen.» SMM

Quellen:

  • /1/ Schneeweiss, M.; Kopper, M.; Zinke, A.; Weitzel, Th.: «Handlungsempfehlungen zum sicheren Betreiben einer Werkzeugmaschine mit CO2-Kühlung»; Dokumentation (unveröffentlicht), Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau, 2016
  • /2/ Schneeweiss, M.; Kopper, M.; Weitzel, Th.: «Zerspanen mit CO2 – Industriearbeitskreis entwickelt Sicherheitskonzept», (S. 4 aus der gekürzten Fassung der unter /1/ genannten Dokumentation).

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