Aufarbeitung

Einsatz von Bioschmierstoffen

Bei spanenden Verfahren dienen Schmierstoffe primär zur Kühlung, indem sie die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück minimieren. Darüber hinaus helfen sie, das abgetragene Material vom Werkstück abzuführen, während sie dieses gleichzeitig gegen Korrosion schützen. Jedoch ist der Einsatz konventioneller Schmierstoffe auf Basis fossiler Kohlenwasserstoffe mit Umwelt- und humantoxikologischen Risiken verbunden, da diese bspw. zu Haut- und Atemwegserkrankungen führen können. Außerdem besteht bei unsachgemäßer Lagerung und Verwendung dieser konventionellen Schmierstoffe Brandgefahr. Ebenso stellt die unsachgemäße Entsorgung dieser Substanzen ein Umweltrisiko, insbesondere für Wasserorganismen, dar. Als Alternative zu besagten konventionellen Schmierstoffen bieten sich daher biologisch abbaubare Schmierstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe an.* Bayerisches Landesamt für Umwelt (2023): Metallhandwerk, Augsburg, Online-Branchenleitfäden – Umwelttipps für Ihren Betrieb (abgerufen am: 01.08.2023), S. 22 f.

Automatisierte Bohrsysteme

Mithilfe von Assistenzrobotersystemen lassen sich einfache Bohrungen automatisiert durchführen. Insbesondere für Handwerksbetriebe, die in kleinen Stückzahlen produzieren, sind Assistenzroboter eine interessante Option, um Fachkräfte bei repetitiven Arbeitsschritten zu entlasten und die Qualität der Bohrungen zu optimieren. VR-Brillen bieten zudem die Möglichkeit, den Roboter ohne ausgeprägte Programmierkenntnisse mittels Gestik zu steuern.* Nördinger, S. (2020): Im Überblick: Bohren, Fräsen und Polieren mit dem Roboter (online) (abgerufen am: 02.08.2023). Lässt sich die Bohrung aufgrund komplexer Fertigungsschritte nur semiautomatisiert durchführen, kann der Einsatz von Machine Learning eine automatisierte Prozessüberwachung bereitstellen. Diese zusätzliche In-line-Kontrolle verringert nicht nur den Aufwand der manuellen Nachkontrolle, sondern führt auch zu einer zusätzlichen Kosteneinsparung für den Fertigungsbetrieb.* Hintze, W.; Mehnen, J.; Köttner, L. und Romanenko, D. (2021): Halbautomatisches Bohren wird jetzt mit KI überwachbar (online) (abgerufen am: 02.08.2023).

Einsatz von Bioschmierstoffen

Bioschmierstoffe bieten eine nachhaltige Alternative zu konventionellen auf Basis fossiler Rohstoffe hergestellten Schmierstoffen. Bioschmierstoffe bestehen zu > 25 % aus nachwachsenden Rohstoffen und sind zu > 60 % biologisch abbaubar. Im Gegensatz zu konventionellen Schmierstoffen sind Bioschmierstoffe zudem toxikologisch unbedenklich, da sie keine Gefahr für die Umwelt darstellen.* Schebek, L.; Abele, E.; Campitelli, A.; Becker, B. und Joshi, M. (2019): Praxisleitfaden: Ressourceneffizienz in der Produktion – Zerspanungsprozesse. 2. Auflage, Wiesbaden (abgerufen am: 01.08.2023), S. 16.

Adaptives Fräsen

Das adaptive Fräsen bzw. High-Speed Machining (HSM) führt im Vergleich zur Werkstückfertigung mit herkömmlichen Fräsmethoden zu einer Verkürzung der Bearbeitungszeit von ca. 40 – 70 %, sodass eine höhere Produktionskapazität erreicht wird. Beim adaptiven Fräsen sorgt eine moderne Steuerungstechnik in Kombination mit Algorithmen für optimale Schnittbedingungen, sodass ein effizienterer Materialabtrag bei gleichzeitig höheren Vorschubraten stattfindet. Außerdem wird durch den ebenfalls gleichmäßigeren Materialabtrag und die verringerte Vibration eine höhere Oberflächenqualität erzeugt, sodass sich infolge des reduzierten Nachbearbeitungsaufwands kosteneffizienter fertigen lässt. Durch die Anpassung der Schnittbedingungen können aber auch fertigungstechnisch anspruchsvolle Materialien wie Titan oder gehärteter Stahl in hoher Präzision bearbeitet werden. Des Weiteren verfügt das adaptive Fräsen im Vergleich zu konventionellen Fräsmethoden über eine höhere Werkzeuglebensdauer, da der mechanische Verschleiß durch die gleichmäßigere Verteilung der Schnittkräfte minimiert wird.* CADTEC (Schweiz) GmbH: Die Vorteile von Adaptivem Fräsen: Eine Technologie, die die Zerspanungsindustrie revolutioniert (online) (abgerufen am: 01.08.2023). * Jain, A. und Bajpai, V. (2020): Introduction to High Speed Machining (HSM) (online). In: Gupta, K. und Davim, P., Hg. High Speed Machining, Academic Press, S. 1 - 25. ISBN 9780128150207 (abgerufen am: 01.08.2023), S. 9.

CNC-Fräsen

Das CNC-Fräsen (Computerized Numerical Control) ermöglicht die Fertigung geometrisch komplexer Metall-, Holz- oder Kunststoffteile in hoher Präzision. Hierfür wird die Kontur des Werkstücks zunächst in ein CAD-Programm aufgenommen und anschließend mit einem CAM-System, inklusive aller relevanten Fertigungsparameter wie Drehzahl, Vorschub oder Schnitttiefe, in eine CNC-Software übertragen. Die sechs Achsen (3 Haupt-, 3 Hilfsachsen) moderner CNC-Fräsen ermöglichen die optimale Ausrichtung des Werkzeugkopfes, was eine hohe Maß- und Formgenauigkeit der Fertigung erlaubt. Darüber hinaus lässt sich mit dem gleichen Geräteaufbau eine Vielzahl verschiedener Bauteile herstellen, was einen flexiblen Fertigungsbetrieb gewährleistet. Neben der hohen Präzision, welche die der manuellen Fertigung übersteigt, zeichnet sich CNC-Fräsen durch einen äußerst effizienten Betrieb bei gleichzeitig geringem Materialverschnitt aus. Durch den hohen Automatisierungsgrad von CNC-Fräsen lassen sich zudem Personalkosten einsparen.* Techpilot – DynamicMarkets GmbH: CNC-Fräsen (online) (abgerufen am: 30.07.2023).  

Laser-Honen

Das Laser-Honen zählt zu den Verfahren der Feinbearbeitung. Als Kombination aus Laserstrukturieren und Honen dient es primär dazu, die Werkstückoberfläche hinsichtlich ihrer Reibungseigenschaften durch das Aufbringen ressourcensparender Mikrostrukturen zu optimieren. Bisher findet Laser-Honen vorwiegend in der Automobilindustrie bei der Bearbeitung von Motorkomponenten Anwendung. So hilft das Aufbringen von Mikrostrukturen auf Zylinderlaufbahnoberflächen, den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu verringern und Reibungsverluste zu minimieren. Im Vergleich zu anderen laserbasierten Verfahren zur Oberflächenbearbeitung führt das Laser-Honen nicht nur zu einer Zeitersparnis, es lässt sich auch wirtschaftlicher umsetzen.* Dieonlinemagazine.de (2007): Mit Honen die Umwelt schonen – Senkung des Ölverbrauchs bietet großes Potenzial (online) – EMO Hannover 2007 zeigt konkurrierende Verfahren (abgerufen am: 31.07.2023).

Spiralgleithonen

Das Spiralgleithonen ist ein noch junges Verfahren, welches in direkter Konkurrenz zum Laser-Honen steht. Wie beim Laser-Honen dient das Spiralgleithonen primär dazu, Mikrostrukturen in die Oberfläche von Werkstücken aufzubringen, um Reibung sowie Verschleißerscheinungen zu minimieren. Im Vergleich zu den Laserstrukturen des Laser-Honens wird beim Spiralgleithonen nicht nur ein steilerer Honwinkel erzeugt, es entfallen ebenso die für das Laser-Honen typischen strukturellen Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenrandzone. Gegenüber dem Laser-Honen liefert das Spiralgleithonen so qualitativ vergleichbare Ergebnisse bei ca. 15 % geringeren Prozesskosten und einem um 25 % geringeren Investitionsvolumen für Neuanlagen.* Dieonlinemagazine.de (2007): Mit Honen die Umwelt schonen – Senkung des Ölverbrauchs bietet großes Potenzial (online) – EMO Hannover 2007 zeigt konkurrierende Verfahren (abgerufen am: 31.07.2023).

Einsatz von Bioschmierstoffen

Der Einsatz von biobasierten Schmierstoffen* Willrett, M. (2022): Schleifprozesse bieten noch reichlich Potenzial, die Umweltwirkung zu verbessern (online) (abgerufen am: 31.07.2023). stellt eine nachhaltigere Alternative zu konventionellen Schmierstoffen auf Basis fossiler Rohstoffe wie Mineralöl dar. Biobasierte Schmierstoffe bestehen größtenteils aus nachwachsenden Rohstoffen, was sie insgesamt umweltverträglicher und weniger gesundheitsschädlich macht als die bisher eingesetzten konventionellen Schmierstoffe.

Energie- und ressourcenschonendes Schleifen

Das Schleifen zählt innerhalb der Werkstückaufarbeitung zu den energieintensivsten Prozessschritten. Bereits die Auslegung der Schleifmaschine bietet daher ausreichend Potenzial zur Energie- und Ressourceneinsparung. So sollte generell eine möglichst lange Standzeit der Schleifmaschine bzw. eine hohe Recyclingfähigkeit des Geräts am Ende seiner Nutzungsphase angestrebt werden. Ein Maschinenbett aus Mineralguss ist bspw. langlebiger als ein herkömmliches Maschinenbett aus Stahl, da es über eine optimale Schwingungsdämpfung verfügt. Im Rahmen der Energieeffizienz kann der Einsatz sparsamer Synchron-Motoren dazu beitragen, den Energiebedarf des Schleifprozesses zu verringern. Darüber hinaus kann über Energie-Rückspeisemodule die Energie der Schleifspindeln und NC-Achsen in Teilen zurückgewonnen werden. Im Rahmen des Schleifprozesses lässt sich bezüglich der Einstellung von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub eine weitere Optimierung erzielen. Ebenso können Schleifscheiben ressourceneffizienter genutzt werden, indem weniger die Verkürzung der Bearbeitungszeit als vielmehr eine hohe Standzeit im Fokus steht. Auch lassen sich Schleifscheiben mehrmals wiederverwenden, indem lediglich der Diamant-Belag des Trägerkörpers erneuert wird. Des Weiteren hilft ein auf den Maschinentyp abgestimmter Öl- und Additiveinsatz, die Standzeit der Öle zu verlängern. Gleichzeitig wird so ein gleichmäßigerer Schleifprozess erzielt, welcher sich nicht nur positiv auf die Oberflächengüte, sondern auch auf den Werkzeugverschleiß und Stromverbrauch auswirkt.* Dieonlinemagazine.de (2022): Ernergie- und ressourcenschonend schleifen (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Wälzfräsen/Weichdrehen statt Schleifen

Das Schleifen zählt innerhalb der Werkstückaufarbeitung zu den energieintensivsten Prozessschritten.* Dieonlinemagazine.de (2022): Ernergie- und ressourcenschonend schleifen (online) (abgerufen am: 31.07.2023). Daher ist grundsätzlich zu prüfen, ob das gleiche Ergebnis auch mit einem weniger energieintensiven Fertigungsverfahren wie Wälzfräsen oder Weichdrehen umsetzbar ist.* Willrett, M. (2022): Schleifprozesse bieten noch reichlich Potenzial, die Umweltwirkung zu verbessern (online) (abgerufen am: 31.07.2023). Das Wälzfräsen ermöglicht die Fertigung von ebenen, aber auch räumlichen Konturen, indem ein profilierter Fräser eine gleichzeitige Wälz- und Vorschubbewegung ausführt.* Techpilot – DynamicMarkets GmbH (2022a): Fräsen verstehen, Fräsereien finden (online) (abgerufen am: 05.10.2023). Beim Weichdrehen ist die Schnittbewegung hingegen geschlossen und zumeist kreisförmig, wobei das Werkstück die rotatorische Hauptbewegung ausführt und das Werkzeug in Schubrichtung bewegt wird. Das Weichdrehen eignet sich daher insbesondere für die Zerspanung von weichen Werkstoffen (< 47 HRC). Hierbei wird zwischen dem sogenannten Schruppen (hohe Zerspanleistung, hoher Materialabtrag) und dem sogenannten Schlichten (hohe Oberflächengüte, hohe Maß- und Formgenauigkeit) unterschieden.* Kaltenböck, P. (2013): Charakteristiken und Laufeigenschaften von Wälzlagern unter besonderer Berücksichtigung des Herstellprozesses anhand eines Hartdrehversuches. Diplomarbeit, Mittweida (abgerufen am: 05.10.2023), S. 65 f.

Retrofitting von Schleifmaschinen zur Ressourceneinsparung

Das Retrofitting bereits vorhandener Schleifmaschinen hilft, Standzeiten zu verlängern, und spart gegenüber einem Neukauf nicht nur Kosten, sondern ebenso wertvolle Ressourcen ein. So kann der Einbau von Sensoren im Rahmen eines digitalen Retrofittings helfen, Prozess- und Maschinendaten zu sammeln, welche anschließend zur Effizienz- und Qualitätssteigerung des Schleifprozesses eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann der Einbau eines optimierten Kühlschmierstoff-(KSS-)Zufuhrsystems dazu beitragen, den KSS-Verbrauch um bis zu 60 % zu reduzieren, indem das System einen gezielten Düsenauftrag bei optimalem Betriebsdruck zum benötigten Zeitpunkt sicherstellt. Auf diese Weise lässt sich nicht nur Energie einsparen, sondern auch der durch Schleifbrand bedingte Ausschuss verringern. Dies steigert die Produktionskapazität und schont gleichzeitig Ressourcen. Durch das Retrofitting bleibt der Produktionsablauf unverändert, sodass keine Notwendigkeit für eine Umschulung des Personals besteht. Gleichzeitig kann die Nachrüstung im laufenden Betrieb erfolgen, sodass keine nennenswerten Produktionsausfälle eintreten. Gleichzeitig stellt das Retrofitting gegenüber einem Maschinenneukauf eine kostengünstige Option dar, aktuelle gesetzliche Vorgaben einzuhalten.* Grindaix GmbH (2023): Ressourcensparende KSS-Zufuhr beim Schleifen? (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Unverkupferter Schweißdraht

Der Einsatz von unverkupfertem Schweißdraht schont wertvolle Ressourcen und reduziert durch die weniger aufwändige Produktion zusätzlich den ökologischen Fußabdruck des Schweißprozesses. Gleichzeitig wirkt sich der geringere Nachbearbeitungsaufwand positiv auf die Produktivität aus, sodass im Rahmen der Fertigung Zeit und Kosten eingespart werden. 

Laserschweißen

Die Fügetechnik des Laserschweißens kann sowohl auf metallischen Werkstoffen als auch auf thermoplastischen Kunststoffen und Keramik-Werkstücken angewendet werden. Hierfür wird unter Schutzgas die Energie eines Hochleistungslaserstrahls auf die Oberfläche des zu fügenden Bauteils gerichtet, sodass das Material punktuell aufschmilzt. Zusatzwerkstoffe wie bei herkömmlichen Schweißmethoden sind hier in der Regel unnötig. Das Laserschweißen ermöglicht sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten bei gleichzeitig geringem thermischen Verzug. Die hierbei erzielten Schweißnähte zeichnen sich durch eine hohe Präzision und geringe Breite aus. Laserschweißen ermöglicht daher eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig hohem Automatisierungsgrad.* Techpilot – DynamicMarkets GmbH (2022b): Laserschweißen (online) (abgerufen am: 05.10.2023). Beim Laserschweißen von Hochleistungselektronik führt der Einsatz eines Lasers von grüner Wellenlänge bspw. zu weniger Ausschuss als bei vergleichbaren Laserschweißverfahren. Insbesondere beim Schweißen von kupferhaltigen Komponenten wird eine verbesserte Absorption der Laserstrahlung erreicht, sodass sich der Schweißprozess nicht nur in geringerer Zeit, sondern auch mit geringerer Laserleistung bewerkstelligen lässt.* Konradin-Verlag Robert Kohlhammer GmbH (2023): Wie der Laser für mehr Nachhaltigkeit sorgt (online) (abgerufen am: 01.08.2023).

Ganzheitlicher Ansatz zum nachhaltigen Schweißen

Für eine möglichst nachhaltige Gestaltung des Schweißprozesses muss dieser in Gänze betrachtet werden. So kann die Erfassung sämtlicher Einflussfaktoren von der Konstruktion bis zur Fertigung dazu beitragen, den Schweißprozess in Bezug auf den Energie- und Ressourcenbedarf zu optimieren. Beispielsweise lässt sich durch die Wahl eines innovativen Schweißprozesses die aufgewandte Energie optimal in die Schweißnaht einbringen. Neben der Energieeinsparung wird durch den auf den Anwendungsfall ausgelegten Schweißprozess zudem eine hochwertigere Schweißnaht erzeugt, sodass sich der Aufwand für die Schweißnahtvorbereitung und ‑nachbearbeitung reduziert. Auf diese Weise lässt sich nicht nur Zeit, sondern auch Energie und Material einsparen. Neben der Wahl des Schweißprozesses spielt die Peripherie eine Rolle. So kann der Gasverbrauch des Schweißprozesses über eine zentrale Gasversorgung mit elektronisch geregelten Gasventilen im Vergleich zum konventionellen Gasflascheneinsatz reduziert werden. Des Weiteren lässt sich der Schweißprozess für Arbeitskräfte durch ergonomisch geformte Brenner, langlebigere Verschleißteile wie Gas- und Stromdüsen oder auch die Umstellung der Drahtelektrode auf Fassanbindung anwenderfreundlicher gestalten. Dies führt nicht nur zu einer Material- und Zeitersparnis, sondern erhöht ebenfalls die Arbeitssicherheit.* Quitter, D. (2019): Nachhaltige Komplettlösungen für das Lichtbogenschweißen (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Multi-Material-Schweißen (Leichtbau)

Das Multi-Material-Schweißen stellt im Rahmen des Leichtbaus eine Montagetechnik für thermoplastische Verbindungselemente dar. Es nutzt Ultraschallenergie, um das stift- bzw. hülsenförmige Verbindungselement mittels Reibung in unterschiedlichen Substraten dauerhaft zu verankern. Der Montageprozess kann hierbei sowohl manuell als auch automatisiert durchgeführt werden. Die geringe Anzahl der für die Montage erforderlichen Komponenten macht das Multi-Material-Schweißen zu einem schnellen, aber auch materialeffizienten Verfahren. Des Weiteren zeichnet sich die erzeugte Verbindung durch ihre hohe Robustheit aus, der Montageprozess ist zudem abfallfrei und erfordert keine spezielle Vorbehandlung.* Bossard Holding AG (2021): Worum handelt es sich bei der MultiMaterial-Welding Technologie (MM-W)? (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Fügen durch Knickbauchen

Das Knickbauchen ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem ein metallischer Hohlkörper unlösbar mit einem Blech verbunden wird. Hierfür wird der Hohlkörper zunächst durch die Durchgangsbohrung eines Blechs geführt und anschließend geweitet. Im Vergleich zu thermischen Fügeverfahren erlaubt das Knickbauchen das Fügen unterschiedlicher Werkstoffe, da aufgrund des fehlenden Wärmeeintrags weder die Materialeigenschaften verändert werden noch Verzug erzeugt wird. Insbesondere beim Fügen hochfester Stähle in hoher Stückzahl kann das Knickbauchen gegenüber gängigen Schmelzschweißverfahren überzeugen, da weder mit Festigkeitsverlusten noch mit Rissanfälligkeit zu rechnen ist. Auch beim Fügen beschichteter Werkstoffe ist Knickbauchen von Vorteil, da der bei thermischen Fügeverfahren erforderliche zeit- und kostenintensive Vor- und Nachbereitungsaufwand entfällt. Zudem lassen sich mit Knickbauchen höhere Taktzeiten bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf erreichen. Das Knickbauchen ist daher in der Lage, den Schweißprozess vor allem in Leichtbauanwendungen, aber auch beim Fügen unterschiedlicher Materialien zu ersetzen. Als möglicher Anwendungsbereich für das Knickbauchen kommen die metallverarbeitende Industrie, hier insbesondere die Automobilindustrie, aber ebenso der Metallbau, die Heizungs- und Lüftungstechnik, die Beschläge- und Möbelindustrie, die Haushaltswarenindustrie sowie der Maschinenbau in Frage.* Nördinger, S. (2015): Knickbauchen – die unterschätzte (Füge)technik (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Laser-MSG-Hybridschweißen

Die Fügetechnik des Laser-MSG-Hybridschweißens stellt eine Kombination aus Lichtbogen-Schweißen (hier Metallschutzgas-Schweißen (MSG)) und Laser-Schweißen dar. Die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Arten des Energieeintrags sorgt für einen äußerst stabilen Schweißprozess, welcher durch eine hohe Abschmelzleistung und einen hohen thermischen Wirkungsgrad charakterisiert ist. Mithilfe des Laser-MSG-Hybridschweißens lassen sich daher hohe Schweißgeschwindigkeiten bei nahezu fehlerfreien Schweißnähten erzielen, was den späteren Nachbearbeitungsaufwand signifikant reduziert. Durch die Kombination beider Schweißtechniken kann aber auch die Wärmeführung bei gleichzeitig hoher Spaltüberbrückbarkeit gezielt beeinflusst werden. Das Laser-MSG-Hybridschweißen ist daher sowohl für das Schweißen von Dünnblech (> 3 mm) in Serienfertigung als auch für hohe Materialstärken (< 10 mm) geeignet.* Fronius International GmbH (2017): Laser-Hybrid-Schweißen – hohe Geschwindigkeit, erstklassige Qualität (online) (abgerufen am: 06.10.2023). Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren ist das Laser-MSG-Hybridschweißen wegen seines geringen Bedarfs an Zusatzwerkstoffen nicht nur ressourcenschonender, bei dieser Schweißtechnologie führt das günstige Verhältnis von Leistungsaufnahme und Schweißzeit ebenfalls zu einer Verringerung des Stromverbrauchs.* Kaliudis, A. (2023): Schweißverfahren im Ökocheck (online) (abgerufen am: 31.07.2023).

Unverkupferter Schweißdraht

Der Einsatz von unverkupfertem Schweißdraht schont wertvolle Ressourcen und reduziert durch die weniger aufwändige Produktion zusätzlich den ökologischen Fußabdruck des Schweißprozesses. Gleichzeitig wirkt sich der geringere Nachbearbeitungsaufwand positiv auf die Produktivität aus, sodass im Rahmen der Fertigung Zeit und Kosten eingespart werden. Des Weiteren wird während des Schweißprozesses unter Einsatz von unverkupfertem Schweißdraht weniger gesundheitsschädlicher Rauch freigesetzt, sodass die Gesundheitsbelastung der Fachkräfte am Arbeitsplatz grundsätzlich sinkt.* Dirnbacher-Krug, S. (2023): Nachhaltig schweißen (online) (abgerufen am: 31.07.2023).