2.1.4   Bearbeitung mit nichtwassermischbaren KSS (Öl)

2.1.4.1   Konventionelle Nassbearbeitung

Wie bei allen klassischen Bearbeitungen von Werkstoffen mit nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen (Öl), kommt es infolge des Bearbeitungsprozesses zur Vernebelung (KSS-Luft-Gemisch) im Maschineninnenraum.
Es besteht die Gefahr der Zündung des KSS-Luft-Gemisches im Arbeitsbereich durch heiße Oberflächen oder Funken. Dadurch kann es zu Durchzündungen kommen. Brände im Innenraum der Maschine (z. B. Brand des Öls oder der ölbenetzten Späne) und Flammenaustritte (z. B. aus Undichtigkeiten, Gehäusetüren, Beschickungs- und Entnahmeöffnungen) in die Maschinenumgebung sind die Folge.
Im weiteren Brandverlauf kann sich infolge der Entzündung der ölgetränkten Magnesiumspäne ein Brand im Maschineninnenraum und schlimmstenfalls ein sekundärer Leichtmetallbrand der Magnesiumspäne entwickeln.
Schutzmaßnahmen:
Durch die Auswahl emissionsarmer Kühlschmierstoffe kann die Aerosol- und Dampfbildung im Arbeitsbereich reduziert werden.
Emissionsarme Kühlschmierstoffe zeichnen sich durch folgende Merkmale aus (siehe DGUV Regel 109-003, DGUV Information 209-026, VDI 3802, Blatt 2-03/2012):
  • aufgebaut auf Basis verdampfungsarmer Mineralöle oder synthetischer Ester oder Sonderflüssigkeiten (z. B. Polyalphaolefine),
  • Zusatz von Antinebeladditiven
Grundsätzlich wird empfohlen, den KSS mit dem geringsten Verdampfungsverlust und dem höchsten Flammpunkt zu wählen. Ist für einen Bearbeitungsprozess eine Bandbreite der Viskosität (Viskositätsindex) vorgegeben, sollte der KSS mit der höchsten Viskosität ausgewählt werden (siehe auch DGUV Information 209-026).
Tabelle 1 Kenndaten von brennbaren, nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen (Quelle: DGUV Information 209-026)
TendenzVis­ko­si­täts­klasse nach DIN EN 51519 (ISO 3448:1992)Viskosität bei 40 °C nach DIN 51562Flamm­punkt nach DIN EN ISO 2592 (Ver­fah­ren mit offe­nem Tie­gel nach Cleve­land)Ver­damp­fungs­ver­lust bei 250 °C nach DIN 51581-1, 2 (Ver­fah­ren nach Noack)Be­ar­bei­tungs­ver­fah­ren bei­spiel­haft
ISO VG 54,14–5,06 mm2/s> 120 °C< 85 %Honen, Reiben
ISO VG 76,12–7,48 mm2/s> 145 °C< 80 %Schlei­fen,Tief­boh­ren
ISO VG 109–11 mm2/s> 155 °C< 60 %Drehen, Fräsen
ISO VG 1513,5–16,5 mm2/s> 190 °C< 25 %Bohren
ISO VG 2219,8–24,2 mm2/s> 200 °C< 15 %Gewinde­schneiden
ISO VG 3228,8–35,2 mm2/s> 210 °C< 13 %Gewinde­rollen
ISO VG 4641,4–50,6 mm2/s> 220 °C< 11 %Räumen
Abb. 8 Luftabsperrklappe, Löschdüse und Strömungssensor
 Luftabsperrklappe, Löschdüse und Strömungssensor
Eine ausreichende KSS-Menge an der Bearbeitungsstelle (Überflutungsschmierung) ist sicherzustellen (allgemeine Hinweise zur Auslegung von Kühlschmierstoffkreisläufen siehe VDI 3035), zum Beispiel durch Überwachung der Kühlschmierstoffzufuhr mit Druck- oder Strömungswächter.
Zur Entfernung des entstehenden Ölnebels im Innenraum der Maschine ist eine Absauganlage vorzusehen. Voraussetzung für den Maschinenstart ist eine laufende Absauganlage unter Einhaltung des vom Maschinenhersteller vorgegebenen Mindestvolumenstroms/Abluftstroms (Kontrolle z. B. mit Druck- oder Strömungswächter/Strömungssensor).
Bei Unterschreitung des erforderlichen Abluftstroms oder bei Störung erfolgt eine Anzeige durch eine automatische Warneinrichtung und die Maschine geht außer Betrieb.
Bei nicht ausreichender Festigkeit der Verhaubung/Einhausung ist eine Druckentlastungseinrichtung vorzugsweise im Deckenbereich der Werkzeugmaschine vorzusehen. Dadurch sollen im Fall einer Zündung die entstehenden Flammen und heißen Verbrennungsgase in gefahrlose Bereiche für das Betriebspersonal abgeleitet werden.
Ziel ist es, eine Druckentlastung aufgrund der Durchzündung von Ölaerosolen auf möglichst kurzem Weg zu gewährleisten. Dadurch soll eine Gefährdung des Maschinenbedienpersonals durch herausschlagende Flammen vermindert werden.
Ist das Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einem hohen Brandrisiko und mit der Gefahr von nachfolgenden Metallbränden verbunden, sind integrierte Brandmelde- und Löscheinrichtungen vorzusehen (siehe auch DIN EN ISO 19353).
Die Anforderungen an integrierte Brandmelde- und Löschanlagen sowie an die Art des Löschmittels sind ebenfalls ein entscheidender Bestandteil des Sicherheitskonzepts. Entsteht ein Brand in der Maschine, darf er sich keinesfalls auf die Magnesiumspäne übertragen, da sonst ein schwer beherrschbarer Metallbrand verursacht würde.
Daher werden erhöhte Anforderungen an eine sichere Detektion des Brands gestellt, beispielsweise durch eine Überwachung mit mehreren, miteinander kombinierten Brandsensoren (Flamm- und Wärmesensoren). Weiterhin soll die Brandlöschung schnell erfolgen, um eine Brandübertragung auf die Magnesiumspäne zu verhindern. Hierbei hat sich das Edelgas Argon als geeignetes Löschmittel bewährt.
Ist CO2 als Löschmittel für den Ölbrand vorgesehen, muss im Rahmen einer Einzelfallbetrachtung unbedingt sichergestellt werden, dass sich ein Brand in der Maschine keinesfalls auf die Magnesiumspäne übertragen kann.
Es muss sichergestellt sein, dass sich im Maschineninnenraum keine Ansammlungen von Magnesiumspänen bilden können, zum Beispiel durch ausreichende Spüleinrichtungen.
Zur Reduzierung der Brandgefahr sollte die Brandlast in der Werkzeugmaschine und in der Arbeitsumgebung möglichst gering gehalten werden. Späne sind aus dem Maschineninnenraum zu entfernen, z. B. durch Späneförderer und Schwallspülung. Spänebehälter müssen in regelmäßigen Abständen und bei Bedarf (am besten mindestens 1-mal pro Tag) entleert werden.
Abb. 9 Prinzipdarstellung Schutzkonzept für Ölbearbeitung (nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff), Bearbeitungszentrum für automatisches Be- und Entladen der Werkstücke
 Prinzipdarstellung Schutzkonzept für Ölbearbeitung (nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff), Bearbeitungszentrum für automatisches Be- und Entladen der Werkstücke
Abb. 10 Prinzipdarstellung Schutzkonzept für Ölbearbeitung (nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff), Bearbeitungszentrum für automatisches Be- und Entladen der Werkstücke; Draufsicht
 Prinzipdarstellung Schutzkonzept für Ölbearbeitung (nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff), Bearbeitungszentrum für automatisches Be- und Entladen der Werkstücke; Draufsicht
Abb. 11 Löschdüse und Wärmemelder/Temperatursensor im Maschineninnenraum
 Löschdüse und Wärmemelder/Temperatursensor im Maschineninnenraum
Der Arbeitsbereich muss von weiteren Zündquellen freigehalten und mit dem Verbotszeichen P003 (keine offene Flamme; Feuer, offene Zündquelle und Rauchen verboten – Quelle: ASR A1.3) gekennzeichnet werden (siehe Abschnitt 8 „Kennzeichnung“). Das Verbot von offenen Flammen, Feuer, offenen Zündquellen und Rauchen muss umgesetzt werden (Sicherheitskennzeichnung nach ASR A1.3).

2.1.4.2   Minimalmengenschmierung (MMS)

Die Minimalmengenschmierung (MMS) ist eine Verlustschmierung. Der Schmierstoff wird entweder über Düsen von außen auf das Werkzeug aufgesprüht (äußere Zuführung) oder durch die Innenkanäle des Werkzeugs zugeführt (innere Zuführung). In der industriellen Serienfertigung wird hauptsächlich die innere Zuführung angewendet.
Im Gegensatz zur konventionellen „Nassbearbeitung“ werden bei der Minimalmengenschmierung für den Bearbeitungsprozess durchschnittlich nicht mehr als 50 ml Schmierstoff je Prozessstunde und Werkzeug eingesetzt. In Ausnahmefällen können dem Prozess kurzzeitig durchaus mehr als 150 ml/h Schmierstoff zugeführt werden (siehe auch DGUV Information 209-024).
Durch Störungen (z. B. Fehlbewegungen, Werkzeugcrash, stumpfes Werkzeug) können Funken entstehen. Infolgedessen kann sich zunächst das Öl der ölbenetzten Späneablagerungen/Spänenester entzünden und einen Brand im Innenraum der Maschine und eventuell in der unmittelbaren Umgebung auslösen. Im weiteren Brandverlauf kann durch die Entzündung der Magnesiumspäne/-rückstände ein sekundärer Metallbrand entstehen.
Schutzmaßnahmen:
Für eine reibungslose und emissionsarme Metallbearbeitung mit Minimalmengenschmierung hat sich der Einsatz von Schmierstoffen mit möglichst gutem Schmiervermögen und hoher thermischer Stabilität bewährt.
In der industriellen Fertigung werden synthetische Esteröle und sogenannte Fettalkohole mit günstigem Verdampfungsverhalten und einem hohen Flammpunkt verwendet (siehe auch DGUV Information 209-024).
Folgende Richtwerte haben sich zur Auswahl eines emissionsarmen Schmierstoffs bewährt.
Tabelle 2 Richtwerte zur Auswahl eines emissionsarmen Schmierstoffs
(Quelle: IFA-Arbeitsmappe „Messung von Gefahrstoffen“, Sachgruppe 6)
Vis­ko­si­tät bei 40 °C nach DIN 51562 Teil 1Flamm­punkt offener Tiegel nach DIN EN ISO 2592Ver­dampfungs­ver­lust nach Noack bei 250 °C DIN 51581 Teil 1
> 10 mm2/s> 150 °C< 65 %
Um die Brandgefahr zu verringern, wird der Einsatz von Schmierstoffen mit einem Flammpunkt von mindestens 150 °C und einer hohen Viskosität (> 10 mm2/min bei 40 °C) empfohlen.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden die Auswirkungen von Zündereignissen bei der Minimalmengenschmierung auf die Brand- und Explosionsgefahr unter praxisnahen Bedingungen untersucht (siehe auch DGUV Information des FB Holz und Metall 088 „Minimalmengenschmierung – Risiko von Bränden und Explosionen“).
Bei Einhaltung der beiden folgenden Eckpunkte ist eine MMS Bearbeitung mit Schmierstoff-Mengen bis zu 1000 ml pro Prozessstunde und pro m3 Arbeitsraum/Maschineninnenraum (~ etwa 15 ml pro Minute pro m3 Arbeitsraum/Maschineninnenraum) ohne die Gefahr einer Zündung des Aerosol-Luft-Gemischs möglich.
1. Verwendung emissionsarmer MMS-Schmierstoffe
Für den Einsatz in Werkzeugmaschinen wird die Verwendung emissionsarmer MMS-Schmierstoffe mit den in Tabelle 2 genannten Eigenschaften gemäß DGUV Information 209-024 empfohlen.
Vom Einsatz von niedrigsiedenden Flüssigkeiten wie Ethanol ist dringend abzuraten.
2. Absaugung mit kontinuierlichem Volumenstrom und Überwachung
Der Absaugvolumenstrom sollte so hoch eingestellt sein, dass sowohl ein leichter Unterdruck als auch eine nach innen gerichtete Strömung im Maschineninnenraum herrschen, damit keine Emissionen aus der Einhausung austreten können.
In der Industrie hat sich ein Absaugvolumenstrom von 400–600 m3/h pro m3 Maschineninnenraum bewährt. Hinweise zur optimalen Einstellung enthalten die VDI 3802 Blatt 2 und die VDI 2262 Blatt 4.
Generell ist zur Entfernung des entstehenden Ölnebels im Innenraum der Maschine eine Absauganlage vorzusehen.
In der Werkzeugmaschine sollte eine Späneabfuhr, z. B. durch kontinuierlichen Austrag über Späneförderer, erfolgen.
Späneansammlungen können durch die spezielle Gestaltung des Arbeitsinnenraums (z. B. durch schräg und steil angebrachte Verkleidung, glatte Oberflächen (z. B. aus Edelstahl)) verringert werden.
Je nach Risikobeurteilung werden in der Praxis, z. B. bei Gefahr von größeren Späneansammlungen, im Maschineninnenraum eine Branddetektion sowie außerhalb der Maschine eine zusätzliche manuelle Brandmeldeeinrichtung (Handauslösung), installiert. Die Signalweiterleitung erfolgt in der Regel an die Werksfeuerwehr oder eine zentrale Leitstelle. Um den Zugang zum manuellen Löschen oder Entfernen des Brandherds zu ermöglichen, sind an Zugangstüren Türsicherheitsschalter, z. B. mit verplombter Notentriegelung, installiert.
Abb. 12 Türsicherheitsschalter/Positionsschalter mit Notentsperrung an Schutztür Magazinwartung
 Türsicherheitsschalter/Positionsschalter mit Notentsperrung an Schutztür Magazinwartung
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   Hinweis
Soll bei einem Brand manuell gelöscht werden, darf die Maschinentür nur von speziell unterwiesenem Personal oder von der Feuerwehr geöffnet werden. Ein Aufwirbeln durch den Einsatz des Löschmittels muss unbedingt verhindert werden (Gefahr der Staubexplosion).
Hilfen zur Unterweisung, siehe auch DGUV Information des FB Holz und Metall Nr. 043. „Brand an Werkzeugmaschinen – Was ist zu beachten?“
Darüber hinaus muss die regelmäßige Wartung und Reinigung der Anlage gewährleistet sein. Die Intervalle sind in einem Reinigungsplan festzulegen (z. B. Muster-Reinigungsplan, siehe Anhang 2 der DGUV Information 209-024).