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Energieforschung für die industrielle Fertigung
Energieeffizient schleifen: Kühlschmierstoffe gezielt in die Kontaktzone bringen
Höhere Schnittgeschwindigkeiten können Schleifprozesse deutlich effizienter machen. Doch bei Keramik, Hartmetall und anderen schwer zerspanbaren Werkstoffen entscheidet die Kühlung über Qualität, Ausschuss und Energieverbrauch. Die OdyZeuS-Forschungsprojekte entwickeln dafür neue Konzepte: von additiv gefertigten Düsen bis zur Kühlschmierstoffzufuhr durch die Schleifscheibe.
Schleifen zählt in der Fertigung zu den energieintensiven Bearbeitungsverfahren. Besonders bei harten und spröden Werkstoffen wie Keramik, Siliziumkarbid oder Hartmetall entsteht in der Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück viel Wärme. Wird sie nicht schnell genug abgeführt, drohen Risse, Verzug oder Ausschuss. Genau hier setzen die Forschungsprojekte OdyZeuS-A und OdyZeuS-I an: Kühlschmierstoffe (KSS) sollen präziser dorthin gelangen, wo sie im Prozess gebraucht werden.
Im Forschungsprojekt LiWeKo hatten Forschende gezeigt, wie groß der Effizienzhebel beim Schleifen sein kann: In einem untersuchten Pilotprozess sank der Energieeinsatz pro Bauteil um rund 60 Prozent, zugleich verkürzte sich die Bearbeitungszeit deutlich. Doch höhere Geschwindigkeiten verschieben den Engpass. Je dynamischer der Schleifprozess abläuft, desto wichtiger ist eine verlässliche, verlustarme und prozessnahe Kühlung.
Genau hier knüpfen die OdyZeuS-Forschungsprojekte an. Sie untersuchen, wie Kühlschmierstoffe gezielter in die Schleifzone gelangen und Schleifprozesse dadurch produktiver, energieeffizienter und ressourcenschonender werden können – ohne Einbußen bei Bauteilqualität und Prozesssicherheit.
„Beim Hochgeschwindigkeitsschleifen reicht es nicht aus, einfach mehr Kühlschmierstoff einzusetzen. Entscheidend ist, dass er stabil und gezielt in die Kontaktzone gelangt. Genau dort entsteht die Wärme, die über Bauteilqualität, Ausschuss und Energieeffizienz entscheidet.“Joachim Kozlowski, Geschäftsführer von KPF-Verschleißschutz
Warum die Kühlung beim Schleifen so wichtig ist
Beim Schleifen tragen viele kleine Schneidkanten Material von der Oberfläche eines Werkstücks ab. Dadurch entstehen Reibung und Wärme. Kühlschmierstoffe kühlen die Kontaktzone, verringern die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, transportieren Späne ab und reinigen den Prozessraum.
In der industriellen Praxis wird der Kühlschmierstoff häufig im Überflutungsmodus zugeführt. Große Mengen werden auf Schleifscheibe und Werkstück geleitet, um thermische Schäden sicher zu vermeiden. Das Verfahren ist robust, aber nicht immer effizient: Pumpen, Volumenströme, Düsen und Aufbereitungssysteme benötigen Energie. Gleichzeitig erreicht ein Teil des Kühlschmierstoffs die eigentliche Kontaktzone nur unzureichend.
Kühlschmierstoff gezielter einsetzen
OdyZeuS-A setzt bei der Kühlschmierstoffzufuhr von außen an. Statt große Mengen KSS im Überflutungsmodus einzusetzen, entwickeln die Forschenden Düsen, die den Kühlschmierstoff präziser in die Schleifzone bringen. Entscheidend ist dabei nicht allein die Menge, sondern vor allem, wie stabil und verlustarm der Strahl die Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück erreicht.
Erste Versuche zeigen, dass eine optimierte Zufuhr die Prozesskräfte senken und die Energieeffizienz verbessern kann. In einzelnen Versuchsreihen ließ sich die spezifische Prozessenergie beim Planschleifen deutlich reduzieren. Noch sind diese Ergebnisse kein Seriennachweis, sie machen aber deutlich, welches Potenzial in der Kombination aus höherer Schnittgeschwindigkeit, angepasster Zustellung und gezielter Kühlung steckt.
Optimierte KSS-Zufuhr im Schleifprozess: Kohärente Kühlschmierstoff-Strahlen verbessern die Kühlung und schaffen die Grundlage für geringere Prozessenergien und höhere Produktivität.
Mehr Strahlgeschwindigkeit bei konstantem KSS-Volumenstrom: Angepasste Düsenaustritte bündeln den Kühlschmierstoff und führen ihn gezielter zur Schleifkontaktzone.
Kühlschmierstoffzufuhr von innen für energieeffiziente Schleifprozesse
OdyZeuS-I verfolgt einen stärker integrierten Ansatz: Der Kühlschmierstoff soll durch Spindel, Flansch und Schleifscheibe direkt an die Bearbeitungsstelle geführt werden. Das ist besonders für harte und spröde Werkstoffe relevant, etwa Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid. Solche Materialien spielen unter anderem in der Halbleiterindustrie eine wichtige Rolle, reagieren aber empfindlich auf thermische Belastungen.
Die Forschungsprojekte nehmen dabei den gesamten Prozess in den Blick: von Düsengeometrien und Schleifscheiben über Kühlschmierstoff-Rezepturen und Wuchttechnik bis hin zu Filtration und Schleifschlamm. Herausgefilterte Partikel könnten künftig für Folgeprozesse wie Läppen oder Polieren wiederverwendet werden. So wird aus einem Nebenprodukt des Schleifens ein möglicher Ansatzpunkt für mehr Ressourceneffizienz in der industriellen Fertigung.
Relevant sind die Ansätze für Branchen, in denen schwer zerspanbare Werkstoffe präzise bearbeitet werden: Halbleiterfertigung, technische Keramik, Hartmetallbearbeitung, Werkzeugbau und Präzisionsfertigung. Die Projekte zeigen damit, wie Energieforschung konkrete industrielle Prozesse effizienter machen und den Transfer in die Anwendung vorbereiten kann.
„Wir betrachten nicht nur eine einzelne Düse oder Schleifscheibe, sondern den gesamten Prozess. Für die industrielle Anwendung müssen Maschine, Werkzeug, Kühlschmierstoff, Sensorik und Aufbereitung zusammenspielen. Erst dann wird aus einem effizienten Versuchsprozess eine robuste Fertigungslösung.“Joachim Kozlowski, Geschäftsführer von KPF-Verschleißschutz
Energieeffiziente Schleifprozesse für die industrielle Anwendung
Noch befinden sich OdyZeuS-A und OdyZeuS-I in der Entwicklungs- und Validierungsphase. Die bisherigen Arbeiten zeigen aber bereits, worauf es für die industrielle Anwendung ankommt: Effizienz entsteht nicht durch eine einzelne Stellschraube, sondern durch das Zusammenspiel von Maschine, Werkzeug, Kühlschmierstoff, Sensorik, Filtration und Prozessführung.
Gerade an den Prozessgrenzen wird das sichtbar. Fragile Wafer können bei hohen Zustellungen brechen, Spannvorrichtungen müssen lokale Belastungen vermeiden, und reduzierte Kühlschmierstoff-Mengen stellen neue Anforderungen an Schaumbildung, Entlüftung und Partikeltransport. Solche Fragen entscheiden darüber, ob aus einem effizienten Versuchsprozess eine robuste Anwendung in der Fertigung werden kann.
Der Blick in die Kontaktzone macht deutlich, wie Energieforschung in industrielle Prozesse hineinwirkt: Wenn Kühlung, Materialabtrag und Prozessführung besser zusammenspielen, sinkt der Energieeinsatz dort, wo Bauteile tatsächlich entstehen. (az)
