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Fachmagazinbericht
Automatisierte Überwachung, Regeneration und Dokumentation von Kühlschmierstoffen
Markus Vogel, Geschäftsführer bei der pro move GmbH
Christian Felix Walter, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe AWA, Hochschule Darmstadt
Prof. Sven Rogalski, Leiter der Forschungsgruppe AWA, Hochschule Darmstadt
Einleitung Kühlschmierstoffe (KSS) sind essenzieller Bestandteil der spanabhebenden Fertigungskette und stellen einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor dar. So arbeiten deutschlandweit circa 200.000 Unternehmen mit Wasser-Öl basierenden Kühlschmierstoffen, zu-meist sog. kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) [1]. Für das Jahr 2014 wurde ange-nommen, dass allein in Deutschland 791.000 t wassermischbarer Kühlschmierstoff verbraucht wurden, deren Entsorgung selbstverständlich umweltbelastend, aber auch kostenintensiv ist, da die Tren-nung des Wasser-Öl-Gemisches eine große technische und energieintensive Herausforderung dar-stellt. So belaufen sich die KSS-Entsorgungskosten auf über 100 €/t [2], was besonders für KMU nicht vernachlässigbare Kosten verur-sacht. Darüber hinaus stellen Kühl-schmierstoffe ein nicht zu unterschätzendes Gesundheitsrisiko dar. Es sind bekanntermaßen die hierin enthaltenen Additive, wie Fungizide, Bakterizide und Emulgatoren, die oft als Allergene wirken und bei Haut- oder Lungenkontakt zum Teil schwere Beschwerden auslösen können [3]. Daher unterliegen sie auch einer gesetzlich vorgeschriebenen Prüf- und Dokumentationspflicht. Die Regelmäßigkeit der Qualitätsüberwachung ist hierbei von der Berufsgenossenschaft für den Gesundheitsschutz einmal wö-chentlich vorgeschrieben [4]. Auch dies bedeutet für Unternehmen wiederum Zusatzaufwendungen für das Bereitstellen von Fachpersonal, um den rechtsicheren Dokumentationspflichten zu entsprechen, die sehr häufig noch manuell und papierbasiert insbesondere bei KMU geprägt sind.
Vor diesem Hintergrund wurde im Dezember 2020 von der Firma pro move GmbH und der Gesellschaft zur Förderung des Technischen Nachwuchs e.V. (GFTN), einem An-Institut der Hochschule Darmstadt, ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt namens au-toKSS gestartet. Dieses Projekt wird mit Fördermitteln des BMWi im Rahmen der Zentralen Innovationsoffensive Mittelstand (ZIM) bezuschusst und hat eine Laufzeit von 21 Monaten. Ziel ist es, die gesetzlich vorgeschriebenen Anforde-rungen an die KSS-Prüfung digital und automatisiert durchzuführen sowie durch eine KI-gestützte Be-stimmung notwendiger KSS-Rege-nerationsmittelmengen in Verbindung mit einer UV-Rühreinheit die Verwendbarkeit von Kühlschmierstoffen in Werkzeugmaschinen deutlich zu verlängern.
Zu diesem Zweck entwickeln die beiden Projektpartner mit Unter-stützung der Zeller+Gmelin GmbH & Co. KG ein skalierbares und nachrüstbares Hardware-Software-System für Wasser-Öl-basierende Kühlschmierstoffe. Die wesentlichen Systemkomponenten der angestrebten Lösung sind: ein Analysemodul zur füllstandsbezogenen Erfassung und Auswertung KSS-spezifischer Eigenschaften, eine UV-Rühreinheit zur UV-unterstützten Entkeimung und Homogenisierung in Werkzeugmaschinen, eine Misch-/ Dosierstation zur zielgenauen, maschinenbezogenen Abfüllung von KSS-Regenerations-mitteln, eine KI-Regelbasis zur KI-gestützten Bestimmung notwendiger KSS-Regenerationsmittelmengen und ein KSS-Monitor zur web-basierten, maschinengenauen Abrage und Alarmierung relevanter KSS-Zustandswerte.
Nachstehend sollen erste Ergebnisse zur Entwicklung der beiden Systemmodule Misch-/Dosiereinheit und UV-Rühreinheit näher vorgestellt werden.
Erkenntnisse zur Misch- und Dosierstation
Angelehnt an das Bild 1 dient die zentrale Misch-/Dosierstation zur zielgenauen maschinenbezogenen Abfüllung von KSS-Regenerations-mitteln für alle mit der KI-Regelba-sis in Verbindung stehenden Analysemodule. Die Station besitzt somit auch eine datentechnische Verbindung zu allen eingebundenen Werkzeugmaschinen eines Unternehmens. Die Dosiermengen des KSS-Konzentrat mit Wasser und mehreren Additiven werden hierbei über das KI-Regelwerk auf Grund-lage prädiktiver Algorithmen maschinenspezifisch berechnet und dann in der Station durchmischt, um sie dann vollständig emulgiert abzugeben. Damit die autoKSS-Systemlösung möglichst viele Kundengruppen anspricht, vom KMU bis hin zum Industrieunternehmen, sind Regelbasis und Dosiereinheit skalierbar, zur Einbindung einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen. Weiterhin wird zur Kommunikation zwischen allen autoKSS-spezifischen Modulen intern und zu Fremdsystemen auf den Industriestandard UPC-UA gesetzt. Dies erlaubt bedarfsgerechte Kunden-lösungen und reduziert zudem Anschaffungs- und Wartungskosten.
Zur Umsetzung der Misch-/Dosier-station wurden mehrere Konzepte erarbeitet und nach den Kriterien Dosiergenauigkeit, Totraumfreiheit, Fördermenge und Kosten bewertet. Eine ausführliche Evaluation dieser Konzepte führte dazu, dass das in Bild 2 dargestellte Schema, mit zwei Verdrängerpumpen, vier Ventilen für die Dosierflüssigkeiten und zwei Durchflussmessern, weiterverfolgt wurde. Ein besonderes Augenmerk bei der Konzeptumsetzung liegt gegenwärtig bei der richtigen Wahl der zu verwendenden Materialien für die Mischstation, die in Kontakt mit chemisch sehr aggressiven Medi-en stehen. Eine im Projekt durch-geführte Verträglichkeitsprüfung er-gab, dass bspw. Buntmetalle und Aluminium bei Kontakt mit KSS korrodieren oder die Zinkschicht von verzinktem Stahl sich lösen kann. Von daher wird auf die Verwen-dung von resistenten Polymeren wie Polyamid und Polyethylen mit FKM-Dichtungen gesetzt. Zur Sicherstellung notwendiger Feindo-sierungen ergab eine projektinterne Bewertung von Durchflusssensoren, dass sich die von der Firma Vortex besonders gut eignen. Sie ließen sich per Stromschnittstelle einfach und störunanfällig auslesen. Die Steuerung der Mischstation wird mit einem WAGO Control-ler vom Typ PFC200 realisiert, der kostengünstig und robust ist, eine OPC-UA-Kommunikation erlaubt und sich zudem einfach programmieren lässt.
Ein erster Forschungsprototyp zum Misch-/Dosiermodul wurde bereits in Betrieb genommen. Dieser kann neben Wasser vier weitere Additive dosieren. Aus mehreren Vergleichs-messungen werden hierbei Korrekturfaktoren für die jeweiligen Flüssigkeiten ermittelt und anschließend eine Messreihe durchgeführt. Um die technischen Grenzen der Anlage aufzuzeigen, wurden hoch-viskose Medien gefördert. Im Rahmen erster Tests stellte sich he-raus, dass die Förderleistung der Membranpumpe bei Ölen um bis zu 54 % hinter der Herstellerangabe zurückbleibt. Die Ansprechschwelle der Vortex-Durchflusssensoren steigt bei Ölen zudem stark an, weshalb eine Viskositäts-Kompensa-tion softwaretechnisch umgesetzt werden musste. Somit ließ sich eine anforderungsgerechte Dosier-genauigkeit erreichen. Mit diesem Prototyp konnten also wertvolle Erfahrungen gesammelt werden, die Eingang in die derzeit laufenden F&E-Arbeiten zur vollautonomen KSS-Regenerierungsanlage gefunden haben.
Erste Projekterkenntnisse zur UV-Rühreinheit
Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal des autoKSS-Systems bildet die sogenannte UV-Rühreinheit. Die Aufgabe dieses Moduls besteht darin, die Emulsion in den KSS-Tanks von Werkzeugmaschinen durch Homogenisierung, Sauerstoffeintrag und Desinfektion mit UV-C Strahlung aufzubereiten und dadurch länger verwendbar zu halten. Hierzu wurde ein erster Prototyp gebaut, bei dem in eine sei-tens der Promove GmbH konzipierten Oloid-Rühreinheit eine spezielle UV-C Strahlungsquelle inte-griert wurde, welche durch ihre Bewegung die Emulsion der desinfizierend wirkenden UV-Strahlung aussetzt. Diese UV-Rühreinheit soll über einen speziellen Adapter universell auf alle möglichen KSS-Tankbauformen von Werkzeugmaschinen nachrüstbar sein.
Das momentane Vertriebskonzept sieht dabei den Verkauf der UV-Rühreinheit als einzelne Kompo-nente sowie als Bestandteil im Gesamtsystem „autoKSS“ vor. Nach der erfolgten Konstruktion des Rührkonzepts sowie der ebenso erfolgreichen Fertigung erfolgen momentan eine Reihe intensiver Feld-tests, um die Wirkung der UV-C Bestrahlung, hinsichtlich verlängerter Nutzungsdauern eingesetzter KSS sowie die Amortisation dieses Moduls, bewerten zu können. Erste Ergebnisse der Untersuchungen zeigen bereits, dass hiermit eine weitere Maßnahme geschaffen wurde, die Standzeiten von Emulsionen auf ein Maximum zu verlängern. Das exponentielle Wachstum von Bakterien wurde in bisher allen Feld-tests nachweislich aufgehalten und teilweise sogar gestoppt. In weiteren Versuchen soll nun erforscht werden, ob die Minimierung vorhandener Bakterien und Pilze durch ein Verändern diverser Parameter ebenso möglich ist.
Zusammenfassung
Mit dem Projekt autoKSS erforscht und entwickelt ein Team aus Praxis und Forschung ein System zur automatisierten Prüfung, Überwachung, Dokumentation und Regeneration von Wasser-/Öl basierenden Kühl-schmierstoffen in Werkzeugmaschinen. Die damit verfolgten Primärziele sind eine skalierbare und kostengünstige Systemlösung, die das Fluidmanagement von zerspanenden Werkzeugmaschinen übernimmt. Mit einer innovativen Senso-rik für die wichtigsten Messgrößen, wie Konzentration, pH- und Nitrit-wert sowie Keimbelastung, sollen sich automatisch feindosierte Regenerationslösungen erstellen las-sen, durch die in Verbindung mit einer speziellen UV-Rühreinheit die Nutzungsdauern von Kühlschmier-stoffen deutlich verlängert werden. Zusätzlich wird hierdurch die Überwachung und gesetzlich verpflichtende Dokumentation der KSS-Parameter rechtsverbindlich sichergestellt. Nach einer 10-monatigen Projektlaufzeit konnten bislang beeindruckende Ergebnisse erzielt werden, von denen sich das Projektteam ein neuartiges Produkt verspricht, das den Markt der Kühl-schmierstoffe um ein für Produktionsunternehmen wertvolles und kostenvermeidendes System bereichert, was zudem einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz leistet.
Quellenangaben:
[1] VDMA 2016: Frische Luft am Arbeitsplatz, Kühlschmierstoffe ein Leitfaden für die Praxis, VDMA, Frankfurt a. Main
[2] VDI 2017: Ökologische und öko-nomische Bewertung des Ressourcenaufwands - Wassermischbare Kühlschmierstoffe. Studie des VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, Berlin
[3] Becker, D. 2004, K.: Hautirritationen durch Endotoxine in KühlSchmierstoffen, https://www.dguv.de/ifa/praxishilfen/kuehlschmierstoffe/gefaehr-dungsbeurteilung/dermale-ge-faehrdungen/index.jsp, Abruf 14.11.2020
[4] DGUV 2011: Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V., Berlin
(Originalartikel Fräsen und Bohren 6/2021 - www.fraesen24.com)
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