Kryogene Kühlung als Wunderwaffe?

Hendrik Abrahams, Wissenschaftler am Institut für Spanende Fertigung (ISF) an der Technischen Universität Dortmund. Wir haben im Versuch nachgewiesen, dass sich bei der Bearbeitung von Titanlegierungen durch den Einsatz kryogener Kühlung der Werkzeugverschleiß auch im Vergleich zur Hochdruckkühlung noch deutlich verringern lässt.

Herr Abrahams, eine Vielzahl von neuen Werkstoffen ist im Kommen. Wann und wie kam hier die kryogene Technik, also das Kühlen mit technischen Gasen, ins Spiel?

Kryogene Kühlung ist an sich nichts wirklich Neues, denn es gab schon in den 1950er Jahren in den USA erste Kühlversuche mit CO². Ende der 1990er Jahre gab es ein größeres Forschungsprojekt der Columbia University mit zwölf Industrieunternehmen zur Stickstoffkühlung.

Das ISF startete 2003 zunächst mit hochlegierten Stählen und befasste sich in den vergangenen Jahren intensiv mit der kryogenen Kühlung beim Zerspanen von Sonderwerkstoffen wie Titan- und Nickelbasislegierungen. Für kryogenes Kühlen spricht speziell bei den Titanlegierungen, dass wir vom Schneidstoff her sehr eingeschränkt sind. Es lassen sich hier bei den Werkzeugen nur Hartmetalle verwenden, weil Schneiden aus Keramik und CBN bereits nach kurzer Eingriffszeit verschleißen. Um die Produktivität bei der Bearbeitung von Titan mit Hartmetall-Werkzeugen zu steigern, ist ein angepasstes Kühlkonzept erforderlich. Hier hat sich beispielsweise die Hochdruckkühlschmierung bewährt.

Das Dortmunder ISF hat im Versuch nachgewiesen, dass sich bei Titanlegierungen der Verschleiß im Vergleich zur konventionellen und Hochdruck-Kühlung durch Arbeiten mit CO²-Schnee deutlich verringern lässt. Grafik: ISF

Was spricht außerdem für neue Kühlkonzepte?

Es lässt sich mit ihnen wahlweise die Standzeit der Werkzeuge oder die Schnittgeschwindigkeit und somit die Produktivität des Prozesses erhöhen. Das ist sicherlich ein sehr motivierender Faktor – beispielsweise in der stark wachsenden Luftfahrtindustrie – die wegen des wachsenden CFK-Anteils zunehmend auch Titan einsetzen muss.

Optionale Nachrüstung: Die kryogene Kühlung mit Kohlendioxid lässt sich laut ISF relativ einfach nachrüsten und bietet sich für Maschinenbauer an, die damit erste Erfahrungen sammeln wollen. Foto: Starrag Group

Welche Kühlkonzepte nahmen Sie mit welchen Ergebnissen unter die Lupe?

Das ISF führte Versuche mit der Überflutungs-, Hochdruck-, CO²-Schneestrahlkühlung sowie Kombinationen von kryogener Technik und Minimalmengenschmierung durch. Bei Inconel 718, einer Nickelbasislegierung für den Hochtemperaturbereich, zeigte sich, dass bei einer reinen CO²-Kühlung die fehlende Schmierung zu einem starken Verschleiß führt. Eine Kombination mit Minimalmengenschmierung (MMS) – eine quasi trockene Bearbeitung – verringert den Freiflächen- und Kerbverschleiß. Der Erfolg steht und fällt jedoch mit der Art der Zuführung, dem Druck der Minimalmengenzufuhr sowie der richtigen Auswahl des kältebeständigen MMS-Öls. Hier gibt es bei der Auslegung noch Handlungsbedarf.

Sie konzentrieren sich bei kryogener Kühlung nur auf CO² – was ist mit Stickstoff?

Es hängt von der Art der Werkzeugkühlung ab. Die innere Werkzeugkühlung, die technisch wegen des Einbringens von Kühlmittelbohrungen sehr aufwändig ist, lässt sich nur mit Stickstoff realisieren, da Stickstoff während der gesamten Zuführung mit einer Temperatur von fast -200° C vorliegt. Bei einer externen Zufuhr des Kühlmediums über Düsen sind sowohl Stickstoff als auch CO² geeignet. Das austretende CO² hat zwar mit -82° C eine weniger tiefe Temperatur als Stickstoff, allerdings ist die spezifische Wärmekapazität höher, da das CO² bis zum Düsenaustritt in flüssiger Form vorliegt.

Was spricht dafür, dass kryogene Kühlung nicht wie andere, frühere technische Entwicklungen ein echter Trend und kein Hype ist?

Zum einen hat die Luftfahrtindustrie einen deutlichen Bedarf an effizienteren Prozessen und zum anderen haben wir aus Forschungssicht die wesentlichen Vorteile der kryogenen Technik als Möglichkeit zur Steigerung der Produktivität nachgewiesen. Das Interesse ist da: Das beweist unter anderem die Premium Aerotec GmbH, ein führender Zulieferer der Branche, der bereits Maschinen mit kryogener Kühlung gekauft hat und die Technologie erprobt.

Wie sieht es mit den Kosten aus?

Die Wirtschaftlichkeit der kryogenen Kühlung hängt von dem CO²-Verbrauch ab. Damit die Kosten für den Kohlendioxidverbrauch sinken, haben wir bereits Untersuchungen zur Senkung des Verbrauchs durchgeführt. Hierbei haben wir nachgewiesen, dass sich mit einem deutlich reduzierten CO²-Massenstrom – exakt von 2,7 auf 0,6 kg/min – mit genauso guten Resultaten zerspanen lässt. Bei weiterer Optimierung und Reduzierung des CO²-Verbrauchs ist bei deutlicher Erhöhung der Produktivität davon auszugehen, dass sich das kryogene Kühlen rechnet.

Brauchen wir für das kryogene Schneestrahl-Kühlen neue Werkzeuge?

Neue nicht, aber modifizierte Werkzeuge. Es lassen sich die Werkzeuge für die Hochdruckkühlung nehmen, deren Düsen an den CO²-Schneestrahl mit Blick auf Abstand, Form, Durchmesser und eventuell auf die Position angepasst werden.

Das heißt, hier steht etwas an, was die Werkzeughersteller schon seit längerem fordern: Eine intensive Zusammenarbeit von Werkzeug- und Werkzeugmaschinenhersteller?

Optimal wäre jetzt in der Anfangsphase ein großes Verbundprojekt mit dem Maschinenbauer, mehreren Werkzeugherstellern, einem Produzent von Düsen und einem Forschungsinstitut wie dem ISF. Es gibt hier auch die Möglichkeit, sich an staatlich geförderten Projekten zu beteiligen.

Erwarten Sie beispielsweise von der METAV 2014 neue Ansätze als Inspiration für sich als Wissenschaftler?

Ich halte mich dort wieder die ganze Woche auf, um neueste Entwicklungen bei Maschinen und Werkzeugen aufzuspüren. Es ist eine gute Möglichkeit, einen optimalen Überblick über Neuheiten zu erhalten.

Das ISF hat die grundlegende Eignung des CO²-Schneestrahlkühlens nachgewiesen – geht es nun um die Details der Auslegung der wichtigen Prozessparameter?

Einige wichtige Kennzahlen wie mögliche Standzeiterhöhungen haben wir bereits ermittelt, nun steht die Weiterentwicklung des Konzeptes zur Serienreife an. Da müssen alle beteiligten Disziplinen eng zusammen arbeiten.

Müssen die Werkzeugmaschinen angepasst werden?

Es ist eine gasdichte und druckfeste Zufuhr des CO²-Schneestrahls durch den Revolver und beim Fräsen durch die Spindel nötig. Allerdings muss sich der Konstrukteur im Gegensatz zur Stickstoff-Kühlung mit seinen extrem niedrigen Temperaturen von rund -200° C bei der Auslegung der Maschinen keine Gedanken über Thermokompensationen machen.

Bei der CO²-Kühlung ist es – alles in allem – recht einfach: Benötigt werden ein Tank in der Maschine und druckfeste Leitungen. Diese Art der kryogenen Kühlung lässt sich somit auch relativ einfach nachrüsten: Es bietet sich also auch an für Maschinenbauer, die damit erste Erfahrungen sammeln wollen. Bei Stickstoff ist die gesamte Ausführung komplizierter.

Was sehen Sie als ein Highlight Ihrer Arbeit an?

Wir haben im Versuch nachgewiesen, dass sich bei den Titanlegierungen der Werkzeugverschleiß auch im Vergleich zur Hochdruckkühlung noch deutlich verringern lässt. Zudem führen die effektive Kühlung der Wirkstelle und die Verdrängung des Sauerstoffes zu einer verminderten Randzonenbeeinflussung.