Wie Ihre Späne wieder zu kostbaren Rohstoffen werden

Sie führen im wahrsten Sinne des Wortes ein Schattendasein: Späne, die in großen Mengen bei der Zerspanung anfallen. Bei Strukturteilen für Luft- und Raumfahrt können das schon mal 90 Prozent und mehr des gesamten Materialvolumens sein. Sie müssen nicht nur schnell und effektiv aus dem Bearbeitungsraum geschafft werden, sondern sollten auch sinnvoll weiterverarbeitet werden.

Damit Sie wissen, was es alles zu beachten gibt, hat PRODUKTION bei Experten und Expertinnen nachgefragt. In diesem Artikel erfahren Sie,

• was sich hinter dem Spänemanagement eigentlich verbirgt,
• was die aktuellen Anforderungen sind,
• warum die Späneabfertigung Teil der Automatisierung sein sollte,
• wie Späne intelligent werden
• und wie das Spänemanagement Ressource, Umwelt und die Kasse schont.

Außerdem finden Sie am Ende ein Beispiel, wie erfolgreiches Spänemanagement aussehen kann.

Was verbirgt sich hinter dem Spänemangement?

Eine Definition des Spänemanagements erscheint zunächst sinnvoll: Wo fängt es an, wo hört es auf, welche Schritte sind nötig?

Es „umfasst vielfältige Bereiche von der Entstehung des Spans im Fertigungsprozess bis hin zu nachgelagerten Fragestellungen der Logistik und Weiterverarbeitung von Spänen“, umreißt Professor Berend Denkena, Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, das Thema.

Es fängt damit an, im Zerspanungsprozess selbst eine günstige Spanform zu erzeugen und für eine gute Abfuhr der Späne zu sorgen. Ein Aspekt, der angesichts immer leistungsfähigerer Maschinen und schwierigerer Werkstoffe gar nicht wichtig genug eingeschätzt werden kann.

Weiter geht das Spänemanagement mit konventionellen Späneförderanlagen, an die sich immer häufiger eine Spänezerkleinerung und -kompaktierung sowie Späneaufbereitung und -wiederverwertung anschließt.

Laut Denkena liege vor allem in den beiden letzten Schritten ein großes Potenzial zur Optimierung der Fertigung: „Gerade vor dem Hintergrund der Themen Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz gerät die nachgelagerte Verwertung des zerspanten Rohstoffs immer mehr in den Fokus.“

Dabei hilft die fortschreitende Digitalisierung, denn mit zunehmender „Verfügbarkeit von Produktionsdaten wird dieses Potenzial für die Unternehmen zunehmend nutzbar“.

Das sind die aktuellen Anforderungen an das Spänemanagement

Werkzeugmaschinen werden leistungsfähiger, Werkstoffe anspruchsvoller. Das bleibt nicht ohne Auswirkungen auf das Spänemanagement, wie Anna-Lena Ohnemus, Vertriebsleitern bei Lanner Anlagenbau, erläutert: „Aufgrund geänderter beziehungsweise für das Endprodukt angepasster Werkstoffe und Bearbeitungsprozesse, kommt es teilweise zu anderen Spangeometrien und ‑eigenschaften“.

Lanner reagiere darauf mit nachrüstbaren verschleißfesten Komponenten auch für bestehende, teils mehrere Jahrzehnte alten Anlagen. „Bei neuen Projekten greifen wir direkt auf verschleißfeste Komponenten zurück, was die Folgekosten durch Verschleißteilbeschaffung erheblich verringert.“

Auf einen weiteren Aspekt macht Ralph Muhm, Vertriebsleiter Europa bei Mayfran International aufmerksam: die effektive Rückgewinnung von Kühlschmierstoffen (KSS) und Ölen: „Unterschiedliche Betriebsverhältnisse erfordern eine Anpassung der Spänezentrifugendrehzahl. Dies erreichen wir durch frequenzgeregelte Antriebe und einen automatisierten Prozess für eine hohe Verfügbarkeit.“

Der von Spänezentrifugen abgetrennte KSS kann anschließend dem Fertigungsprozess wieder zugeführt werden. Das spare nicht nur erheblich Kosten für KSS. Gleichzeitig lassen sich mit möglichst trockenen Spänen höhere Verkaufserlöse erzielen – einmal abgesehen vom Erfüllen der immer strengeren gesetzlichen Auflagen für die Entsorgung der Späne.

Anspruchsvoller wird auch das Brikettieren. So passt Spezialist Ruf Maschinenbau mittlerweile die Brikettierung an die Konsistenz der Späne und die geforderte Festigkeit beziehungsweise Dichte der Briketts an.

Wie das geht, beschreibt Geschäftsführer Roland Ruf: „Beispielsweise durch den Einsatz von Schreddern vor der Brikettierung, durch Anpassung der Maschinentechnik bei Spänen mit besonders geringem Schüttgewicht oder durch Auswahl besonders leistungsfähiger Anlagen bei besonderen Werkstoffen.“

Vorteile der Späneabfertigung als Teil der Automatisierung

„Durch automatisierte Zuführung, Zerkleinerung und Brikettierung kann der Autonomiegrad einer Gesamtanlage erheblich erhöht werden“, weiß Andreas Anbauer, CTO bei ATM Recyclingsystems. Der Handlingsaufwand reduziert sich gegenüber dem herkömmlichen Spänemanagement. Berücksichtige man die geringen Transport- und Platzkosten im Zusammenhang mit dem Brikett-Späne-Management und den wesentlich höheren Verwertungspreisen der Briketts, „amortisiert sich eine solche Anlage sehr schnell, unabhängig von der Menge des Späneaufkommens“.

Ein weiterer Vorteil: Das Brikettieren reduziert das Brandrisiko einer ganzen Reihe von Spanarten, beispielsweise von Magnesium- oder Titanspänen. Der Grund ist, dass diese Spanarten an der Luft oxidieren und unbrikettiert eine deutlich höhere spezifische und damit reaktive Oberfläche aufweisen, die zu einer Selbstentzündung führen kann.

Das Brikettieren bildet für Roland Ruf geradezu eine Voraussetzung für die Automatisierung, da anfallende Späne direkt an der Anfallstelle übernommen, sofort verdichtet und erst dann in den Sammelbehälter abgeworfen werden. Ruf: „Hierdurch sind mannlose Schichten wie auch komplett mannlose Wochenenden möglich, weil die Spänebehälter nicht überlaufen können; der komplette Prozess ist automatisiert und bedarf keiner Überwachung.“

Die Automatisierung lässt sich noch weiter treiben, indem die Briketts in Big-Bags abgeworfen werden. Das helfe, die anschließende externe Logistik weiter zu optimieren.

Wie Späne smart werden

Denkena hält das Spänemanagement für „einen enormen Innovationsfaktor, der einen erheblichen Mehrwert für die Entwicklung der smarten Fabrik leisten kann“. Konkret sieht er, ähnlich wie die Hersteller, in der Logistik erhebliches Potenzial. Bereits Gegenstand der Forschung und in naher Zukunft zu erwarten seien die Überwachung und adaptive Ansteuerung der Maschinen, eine Analyse der erzeugten Späne zum Bestimmen der Beschaffenheit sowie eine automatisierte Abfertigung in zentralen oder dezentralen Depots.

So lasse sich die genaue Art der Späne beispielsweise mithilfe der laserinduzierten Plasmaspektroskopie erkennen. Eine weitere Möglichkeit sei die optische Morphologie-Erkennung mittels Kamera. „Die vor- und nachgreifende Optimierung im Spänemanagement für den Fertigungsprozess wird durch Kommunikation der verschiedenen Akteure in der Prozesskette in die zuvor erarbeiteten Systeme integriert werden.“

Die Hersteller scheinen jedenfalls gut vorbereitet. So ließen sich laut Aussage von Anna-Lena Ohnemus die Späneaufbereitungsanlage von Lanner bereits heute in die Strukturen einer smarten Factory einbinden.

Schon seit Jahren bietet Lanner eine Anknüpfung ihrer vollautomatischen Späneaufbereitungsanlagen an Fahrerlose Transportsysteme (FTS) an, „somit haben wir den Weg in die Industrie 4.0 längst eingeschlagen“, ist Ohnemus überzeugt. Hilfreich sei, dass Schaltschrankbau und Programmierung bei Lanner im Hause erfolgt. Das erleichtere neue Automatisierungsaufgaben und ermögliche schnelle Lösungen.

Ralph Muhm von Mayfran verweist auf die bereits automatisierte Überwachung von Kühlschmierstoffen: „Unser modular aufgebautes Refillmatic System befüllt die Bearbeitungsmaschinen automatisch mit KSS und misst dessen Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Leitfähigkeit.“ Das verbessere die KSS-Stabilität und Leistungsfähigkeit und damit die Prozesssicherheit.

Vorteile: Wie Spänemanagement Ressourcen, Umwelt und die Kasse schont

Vorbei die Zeiten, in denen sich mit KSS behaftete Späneberge in einem nicht überdachten Hinterhof oder öliger Schleifschlamm auf einem Lastwagen ansammelten. Nicht nur in Europa werden die staatlichen Vorgaben verschärft und nimmt das allgemeine Empfinden für Umwelt- und Ressourcenschutz deutlich zu.

Anna-Lena Ohnemus ist überzeugt: „Es führt kein Weg an einem effizienten Spänemanagement vorbei, um diese Anforderungen zu erfüllen und um die Ressourcen für die zukünftige Generation zu erhalten. Ein Spänemanagement sollte deshalb heutzutage bei jedem Bearbeitungsbetrieb fest implementiert und bei zukünftigen Planungen vorgesehen sein.“

„Das Metallspäneaufkommen ist aufgrund des beträchtlichen Industrialisierungs- und Spezialisierungsgrades der verarbeitenden Industrie sehr hoch, der Anteil des stahlwerksfähigen Rohstoffs Späne liegt in Mitteleuropa durchschnittlich bei mehr als zehn Prozent der zugekauften Eisen- und Stahlschrottmengen“, beschreibt Andreas Anbauer von ATM die Bedeutung.

Brikettieren bietet auch technische Vorteile, wie Schmelzversuche mit Aluminiumspänen zeigten. So fielen die Abbrandverluste bei Briketts um mehr als die Hälfte geringer aus als bei losen Spänen. Anbauer: „Damit ergibt sich ein erheblicher Vorteil bei der Verwertung von Briketts in der Metallherstellung und auch ein besserer Preis beim Verkauf von Briketts gegenüber unbehandelten Spänen.“

Nicht nur die Umwelt gewinnt, auch das Unternehmen, wie man bei Mayfran errechnet hat. Als typisches Beispiel dient ein Späneanfall von gut einer halben Tonne Stahl pro Stunde im Dreischichtbetrieb mit einer Restfeuchte von etwa sieben Gewichtsprozent Emulsion. Abzüglich der Restemulsion nach dem Zentrifugieren ergeben sich etwa 50 Gramm Emulsion pro Kilogramm Späne.

Im konkreten Fall waren das mehr als 650 Kilogramm rückgewonnenes Öl am Tag oder fast 14.000 Liter pro Jahr. Bei einem Literpreis von etwa drei Euro habe sich die entsprechende Investition schnell gelohnt. Hinzu kommt: trockenere Späne lassen sich teurer verkaufen.

Auch bei Ruf hat man nachgerechnet: So ließen sich aus 50 bis 100 Tonnen Schlamm, abhängig von der Schlammbeschaffenheit, typischerweise 10.000 bis 50.000 Liter KSS und Öle herausholen, bei Spänen liegt der Anteil darunter. Darüber hinaus reduzierten sich durch das Brikettieren auch die notwendigen Staplerfahrten materialabhängig um den Faktor Drei bis Zehn. Entsprechend sinken die notwendigen Lkw-Fahrten zum Abtransport.

Sogar im dafür ausgelegten Schmelzwerk bringt die sorgfältige Behandlung Vorteile, „weil das Einschmelzen dann mit weniger Energie- und Handlingsaufwand sowie höherer Metallausbringung einhergeht“, erklärt Roland Ruf.

Beispiel: So kann erfolgreiches Spänemanagement aussehen

In der folgenden Grafik sehen Sie die Darstellung eines modernen Spänemanagements von Leiblein für ein Werk mit großem Anteil wertvoller Werkstoffe wie Titan, Chrom- und Edelstahl inklusive der Aufbereitung von KSS und Waschwässern:

Diese Schritte erfolgen in der oben gezeigten Anlage:

1. Container Anlieferung
2. Automatische Container-Handling-Station
3. Sortenreine Brecherstationen
4. Teilweise mit Zentrifuge und Waage für die teuren Werkstoffe
5. Förderung und Handling der Wertstoffe in unterschiedliche Container
6. Vollautomatische Reinigungsanlage der benutzten Container, um Sortenreinheit sicherzustellen
7. Vorreinigen der Container mit aufbereiteten KSS und Waschwasser im Kreislauf
8. Endreinigung mit aufbereiteten KSS und Waschwasser aus einem Verdampfer
9. Reinigen des überschüssigen Wasser mit einer Umkehrosmoseanlage, Einleitung in den Kanal