Vom Winde verwehte Metallabfälle

Nicht nur wo gehobelt wird, fallen Späne. In immer mehr spanenden Werkzeugmaschinen saugen Vorrichtungen die Reste der Bearbeitung mit der Luft ab. Damit sie sich nirgends ansammeln, wird das Strömungsverhalten real und in Simulationen untersucht.

Flocken von Hausstaub und Haufen herbstlicher Blätter bilden sich am liebsten dort, wo relative Windstille herrscht – also unter dem Bett und in Gebäudewinkeln. Das physikalisch gleiche Phänomen tritt in vielen Werkzeugmaschinen auf: Beim Fräsen, Drehen und Bohren entstehen Späne, die vom Bauteil abgeführt werden müssen. Dies ist kein sonderliches Problem, solange Kühlschmiermittel sie fortspülen. Die flüssigen Hilfsstoffe kosten jedoch Geld – beim Einkauf wie bei der Entsorgung. Zudem muss das gefertigte Bauteil abschließend in einem weiteren Verfahrensschritt gereinigt werden. Daher zeichnet sich in der Metall verarbeitenden Industrie ein deutlicher Trend zur Trockenbearbeitung ab. Auch mit Luft lassen sich die Späne entfernen: Eine Art Staubsauger saugt sie nahe am Werkzeug mitsamt der Prozesswärme ein. Arbeitet das Werkzeug an schwer zugänglichen Stellen, ist dies oft nicht möglich, und die Späne fallen daneben. Strömt Luft durch die ganze Maschine, ist das „Hausstaubproblem“ wieder da: Die Späne lagern sich in Fugen und anderen Totzonen ab.

Wie sich das Problem in den Griff kriegen lässt, beschäftigt Petra Wieland vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. „Mit unserem Versuchsstand untersuchen wir systematisch das Flugverhalten spiralförmiger Metallspäne und anderer Körper im Luftstrom. Die auch mithilfe von Filmaufnahmen gewonnenen Parameter füttern wir in fluiddynamische Simulationen.“ Die käufliche Software „Ansys / Flotran“ ermittelt mit Gleichungen der Strömungslehre numerisch die sich ausbildende Luftströmung im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine oder in Absaugvorrichtungen. Ein selbstentwickeltes Programmmodul verarbeitet die Daten weiter. In kleinen Orts- und Zeitschritten analysiert es das Verhalten einzelner Späne im zuvor simulierten Strömungsfeld. Die im Versuchsstand ermittelten strömungstechnischen Parameter der Teilchen fließen ebenfalls ein. Weitere Details zu den Simulationen können Interessenten auf der Hannover Messe erfahren: am Fraunhofer-Stand in Halle 16 bei Günter Laux.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird die Geometrie und damit der Strömungsverlauf in verschiedenen Maschinen oder in deren Absaugvorrichtungen optimiert. Den Nutzen daraus ziehen mehrere Hersteller von Werkzeugmaschinen, die sich der Maschinenbau-Initiative Next Economy angeschlossen haben. MAINE betreibt marktorientierte Vorlaufforschung für die Automobilfertigung; das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit begleitet die Initiative.

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Petra Wieland, Tel. 0371 / 5397-116, Fax -156, petra.wieland@iwu.fraunhofer.de