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Fluoreszierender Hochleistungsschmierstoff Prozessüberwachung von Minimalmengenschmierung

Redakteur: Anne Richter

Unilube forscht an einer innovativen Prozessüberwachung für den Bereich der Minimalmengenschmierung (MMS). SMM sprach mit CEO Jonas Hügli über Quasi-Trockenbearbeitung und fluoreszierenden Hochleistungsschmierstoff.

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Fluoreszierender Schmierstoff auf Wendeplatten.
Fluoreszierender Schmierstoff auf Wendeplatten.
(Bild: Unilube)

Bei der klassischen Minimalmengenschmierung und im Speziellen bei der Quasi-Trockenbearbeitung ist der Schmierfilm aufgrund der geringen Auftragsmenge per Auge fast nicht sichtbar. Die korrekte Aufbringung des Films auf das Werkzeug ist jedoch eine wichtige Stellschraube dafür, dass das volle Leistungspotenzial ausgeschöpft werden kann und die Prozesskosten mit der Quasi-Trockenbearbeitung reduziert werden. Unilube möchte dem Anwender hier eine zuverlässige Möglichkeit der Kostenoptimierung an die Hand geben und erforscht deshalb zusammen mit Rhysearch ein bildgebendes Verfahren zur quantitativen Auswertung der Schmierstoffmenge und -verteilung in der Bearbeitungszone.

Der aktuelle Stand der Technik erlaubt derzeit nur die Überwachung des Minimalschmiersystems. So kann zwar dessen Funktion beobachtet werden, nicht aber der Mikroschmierfilm. Ein Mikroschmierfilm wirkt jedoch genau dort, wo die Zerspanung stattfindet – nämlich zwischen Werkstück und Werkzeugschneide. Daher sind exakte Kenntnisse darüber, was an dieser Stelle real passiert, von zentraler Bedeutung für die Kosten- und Prozessoptimierung in der Fertigung.

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Fachwissen für die Fertigungsindustrie

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Das Prinzip der fluoreszierenden Schmierstoffe

Das Grundkonzept der Fluoreszenz ist das Anregen eines Stoffes durch eine bestimmte Wellenlänge von Licht. Dadurch reagiert der angeregte Stoff spontan mit der Emission von Licht mit einer anderen Wellenlänge. Die angestrebte Prozessüberwachung soll daher über Kameras und für den Bediener nicht wahrnehmbare Lichtquellen erfolgen. In dem vorliegenden Projekt werden sowohl natürlich fluoreszierende Öle wie auch die Beimischung von fluoreszierenden Markern in Schmierstoffen getestet. Das Gleiche gilt auch für die verschiedenen Kamerasysteme respektive Filter und Lichtquellen. Ziel ist es, dass der Bediener trotz laufender Prozessüberwachung ungestört in einer gewohnten Umgebung arbeiten kann. Die Testreihe startete mit Versuchen unter dem Mikroskop. Dabei wurden mehrere mit Fluoreszenzmarker versetzte Hochleistungsschmierstoffe mit einer genau vorgegebenen Schichtdicke durch Licht mit einer bestimmten Wellenlänge angeregt. Dies war notwendig, um die Lichtemission des Schmierstoffes messen zu können. Das Gleiche wurde auch mit natürlich fluoreszierendem Öl durchgeführt. Das unerwartete Ergebnis: Die quantitative Bestimmung, d. h. die Messung der Schichtdicke des Mikroschmierfilms zu einem bestimmten Zeitpunkt, gestaltete sich schwieriger als gedacht.

Einfacher war es herauszufinden, ab wann die Oberfläche langsam beginnt abzutrocknen. Daraus ergab sich die interessante Frage, welcher Weg in der Praxis wohl geeigneter für die Prozessüberwachung ist. Ist es die aufwendigere Schichtdickenmessung mit hinzugefügtem Fluoreszenzmarker oder aber das einfacher realisierbare Überwachen des Trockenlaufs eines Fräsers mit natürlich fluoreszierenden Ölen?

Prozessüberwachung, um ans Optimum zu gelangen

Das insgesamt positive Fazit: Natürliches Umgebungslicht beeinflusst zwar das Ergebnis, macht aber die Prozessüberwachung in der Produktion nicht unmöglich. Oder anders ausgedrückt: Das Abdunkeln einer Werkzeugmaschine ermöglicht eine feinere Prozessüberwachung, ist aber nicht zwingend erforderlich. So kann zum Beispiel eine LED-Lampe in einer Fräsmaschine für die gewohnte Beleuchtung sorgen, jedoch werden während der aktiven Fertigung andere Teilbereiche des LED-Lichtspektrums zur Anregung der Fluoreszenz genutzt. Prozessüberwachung und Regelkreis sind auf einer Werkzeugmaschine realisierbar, die die Fluoreszenz eines Schmierstoffes mit der Steuerung der Minimalmengenschmierung für eine bessere Zerspanung nutzt. Gerade da, wo zwar die Späne und Werkstückoberfläche trocken sind, jedoch die Werkzeugschneide beim Materialaustritt im Idealfall noch gerade nicht, befindet sich das optimale Prozessfenster der Quasi-Trockenbearbeitung. Die Praxis zeigt allerdings, dass sich Anwender aus übertriebener Vorsicht schwertun, überhaupt in die Nähe dieses Optimums zu gehen. Deshalb könnte eine Prozessüberwachung durchaus eine grosse Hilfestellung sein.

Der Nutzen einer solchen Prozessüberwachung zeigt sich vor allem bei der Fertigung von Grossserien. Gerade in der Automobilindustrie, wo Prozess- und Kostenoptimierung ein sehr wichtiger Bestandteil der Fertigung sind, wurde das Sparpotenzial von Minimalmengenschmierung längst erkannt. Die Automobilindustrie hat hier bereits klar eine Vorreiterrolle inne. Durch den Einsatz einer innovativen Prozessüberwachung und die weitere, noch stärkere Nutzung der Quasi-Trockenbearbeitung in der Branche erhoffen wir uns, dass sich die äusserst ökologischen und ökonomischen Minimalschmiersysteme auch in einem breiteren Umfeld der Metallindustrie durchsetzen werden.

Interview mit Jonas Hügli, Gründer, Inhaber und Geschäftsführer von Unilube

SMM: Herr Hügli, warum braucht es eine Prozessüberwachung für MMS-Anwendungen?

Jonas Hügli: Wir wollen ein Profitool für Forschende und die Grossserienproduktion zur Verfügung stellen, um den MMS-Prozess besser und in allen Details zu verstehen. Gerade in der Automobilindustrie geht es um jeden Cent, und da ist eine Kostenoptimierung zentral. Unsere Minimalschmiersysteme mit fluoreszierendem Hochleistungsschmierstoff und der Überwachung bieten hier neue Ansätze für die Fertigung. Aber die tieferliegenden Gründe des Warums liegen schlussendlich beim fehlenden Fachwissen.

Wie kann man das genau verstehen?

J. Hügli: Wenn ich sehe, wie heute Minimalmengenschmierung auch nach Jahrzehnten der Erfahrung zum Teil falsch verwendet wird und was an Fachwissen effektiv vorhanden ist, muss ich leider feststellen, dass wir immer noch ganz am Anfang stehen.

Woran liegt das?

J. Hügli: Das Ganze beginnt natürlich mit der Ausbildung. Ich hatte das Glück, während meiner Lehre sowohl die Quasi-Trockenbearbeitung als auch die Bearbeitung mit Kühlschmierstoff (KSS) kennenzulernen. Als Lehrling wusste ich zwar auch nicht, was ich da tue, aber zumindest war mir klar, welchen Prozess ich bevorzugte – Sprichwort Maschinenreinigung (lacht). Was ich damals auch noch nicht wusste, ist, dass die Quasi-Trockenbearbeitung ein Spezialgebiet der Minimalmengenschmierung ist und dass man die beiden Dinge nicht vergleichen kann.

Wie unterscheidet sich denn die Quasi-Trockenbearbeitung von der Minimalmengenschmierung?

J. Hügli: Ich sage immer: «Ein Hauch, und es läuft wie geschmiert.» Wesentlicher Unterschied ist der dahinter liegende physikalische Effekt, welcher genutzt wird. Bei der Minimalmengenschmierung wird versucht, Schmierstoff zu sparen, aber im Endeffekt ist es das gleiche physikalische Prinzip wie beim Ölschwall, nur mit etwas weniger Öl. Bei der Quasi-Trockenbearbeitung hingegen wird der Kühleffekt vom Phasenübergang des Schmierstoffs von flüssig zu gasförmig genutzt. Damit haben wir eine effektive Kühlung und die nötige Schmierung bei extremer Reduktion des Schmierstoffverbrauchs.

Unilube ist spezialisiert auf Minimalschmiersysteme und Hochleistungsschmierstoffe. Warum jetzt der Schritt zu Prozessüberwachung und Regelkreis?

J. Hügli: Wir sehen uns als Komplettanbieter und halten daher das dafür notwendige Fachwissen vorrätig. Dabei lernen wir immer auch enorm viel von unseren Endkunden. Unser Fachwissen umfasst als zentrales Element natürlich das Minimalschmiersystem, aber auch Werkzeug, Schmierstoff, Werkzeughalter, Schnittdaten, Spindel, Drehdurchführung, Frässtrategie etc. sind relevant. Daher ist die Prozessüberwachung nur ein logischer Schritt. Ob wir auch Anbieter dafür werden wollen, ist dabei noch offen.

Ist dieses umfangreiche Fachwissen für ein Kleinstunternehmen überhaupt handelbar? Der Spagat zwischen Mechanik und Chemie erscheint mir doch sehr gross.

J. Hügli: Es ist klar, man lernt nie aus und weiss nie alles im Detail. Aber besteht Herzblut und Neugier an einer Sache, so vertieft man automatisch und spielend sein Fachwissen auf diesem Gebiet. Und bei uns stehen nun mal Hochleistungsschmierstoff und Minimalschmiersystem in direkter Wechselwirkung. Wir haben fantastische Mitarbeiter, deren Beruf auch Berufung ist. Zudem haben wir ein externes Netzwerk mit Spezialisten aufgebaut, welche auf ihrem Gebiet Koryphäen sind und welche die gleiche Leidenschaft einer nachhaltigen grünen Industrie antreibt.

Wir sind sicherlich Hinterwäldler in puncto Marketing, aber auf dem Gebiet der Quasi-Trockenbearbeitung müssen wir uns nicht verstecken; sind wir dort doch ganz klar Technologieführer.

Man merkt im Gespräch, Sie sprühen vor Energie und Begeisterung. Wie gehen Sie als Kleinstunternehmen an so ein Innovationsprojekt ran?

J. Hügli: Wir haben mit der Innosuisse in der Schweiz eine sehr gute Institution, welche Hochschulen auf Initiative von Unternehmen direkt fördern kann. Im Gegensatz zu anderen Ländern ist es bei uns sehr verpönt, Unternehmen direkt zu fördern. Aber es gilt, diese vorhandenen Instrumente intelligent zu nutzen. Gerade die verrückten und komplett unerforschten Gebiete sollte man an die Hochschulen tragen. In dieser Phase haben Geheimhaltung oder Scheitern keine grosse Tragweite für ein Unternehmen.

Wie schützt denn die Firma Unilube ihre Innovationen?

J. Hügli: Die Durchsetzbarkeit eines Patents ist für ein KMU ein sehr kostspieliger und langwieriger Prozess – für uns schlicht zu ineffizient und nicht zielführend. Daher gehen wir den Weg der Defensivpublikation und stören uns nicht an Nachahmern. Wir reiten lieber auf der Welle der Grossen mit, als dass wir von einer grossen Welle zermalmt werden. Ein schöner Nebeneffekt dabei ist zum Beispiel, dass die Grossen die Marketingkosten für uns übernehmen. Was wir zumindest tun, ist, dass wir unseren Stand der Technik hinterlegen. Diese Inhalte gehen dann weit über die öffentlichen Publikationen oder was sonst so in einer Patentschrift steht hinaus. Damit können wir uns etwas absichern, aber eine Garantie für einen 100-Prozent-Schutz gibt es nie.

Wann bringt Unilube diese innovative Prozessüberwachung auf den Markt?

J. Hügli: Diese Innovation ist technologisch völliges Neuland. Wir hatten viele Erkenntnisse und zum Teil überraschende Erfolge. Wir verlassen nun den Bereich der Forschung im Labor und gehen zu der Entwicklung auf der Werkzeugmaschine über. Die kommerzielle Anwendung und speziell, wann die Prozessüberwachung von fluoreszierendem Hochleistungsschmierstoff realisiert wird, hängt aber in erster Linie vom Interesse der Kunden ab. -ari- SMM

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