Schaufelbearbeitungsmaschine mit kryogene Kühlung von Starrag.

Der Werkzeugmaschinenhersteller Starrag bietet für seine Schaufelbearbeitungsmaschinen die kryogene Kühlung als Option ab Werk. - Bild: Starrag Group

Das Verfahren versprach insbesondere bei schwer zu zerspanenden Materialien wie beispielsweise Titan oder Inconel deutlich höhere Standzeiten oder schnellere Bearbeitungsprozesse. Angesichts des Siegeszugs dieser Materialien müsste das Verfahren doch mittlerweile viele Anwender haben?

Nein, weit gefehlt: „Mir sind keine Anwender bekannt, die das Verfahren in der Serienproduktion einsetzen. Wir sind immer noch auf der Suche nach einem Technologiepionier, der mit uns und den Systempartner den Einsatz in der Serie erproben möchte“, sagt Thomas Schaarschmidt, Technologieverantwortlicher beim Präzisionswerkzeughersteller Walter AG.

Warum hat das Verfahren den Durchbruch nicht geschafft? Eine Erklärung liefert Dr. Jens Osmer vom Machining Innovations Network: "Ich glaube, dass bei vielen potenziellen Anwendern Skepsis vorherrscht. Das betrifft insbesondere die eingesetzten Medien wie flüssiges Kohlendioxid oder flüssigen Stickstoff."

Die seien von der Handhabung ganz anders als herkömmliche Kühlschmierstoffe. Weil diese Prozesse seit vielen Jahren laufen, sei die Bereitschaft nicht sehr ausgeprägt, an der Überflutungskühlung etwas zu ändern. Und das, obwohl dieses Verfahren Nachteile hat, wie beispielsweise stark verschmutzte Bauteile, die anschließend gereinigt werden müssen. "Das entfällt bei der kryogenen Kühlung, weil das Medium in der Regel vollständig verdampft", weiß Osmer.

Dr.-Ing. Benjamin Döbbeler, Oberingenieur am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen, vergleicht das Szenario mit dem Durchbruch der Trockenbearbeitung. Auch hier waren die Potenziale lange bekannt und trotzdem dauerte es viele Jahre, bis das Verfahren im großen Stil in der Praxis eingesetzt wurde. "Die Umsetzung und die Bestimmung der entsprechenden Schnittparameter dauert einfach seine Zeit", glaubt Döbbeler. So dachte man bei der Trockenbearbeitung zunächst, man müsse die Schnittgeschwindigkeit reduzieren, um die Belastung der Maschine zu verringern. Später ist man dann dazu übergegangen, mit neuen Schneidstoffen die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen, um die Wärmeeinwirkung möglichst kurz zu halten.

Vereistes Werkzeug bei der kryogenen Kühlung.
Ein kritischer Faktor bei der kryogenen Kühlung sind vereiste Werkzeuge, die aufgrund eines Thermoschocks brechen können. - Bild: Hommel

"Einen ähnlichen Effekt sehen wir derzeit bei der kryogenen Kühlung und es gilt auch hier, dass das Verhältnis von Kühlung zur Prozessleistung passen muss", so Döbbeler. Noch sei es häufig der Fall, dass zu viel Kühlung zugeführt werde. Das Werkzeug vereist dann und dadurch wächst neben der verschlechterten Wirtschaftlichkeit durch hohe Zufuhrmengen die Gefahr thermischer Schocks. Das Werkzeug bricht dann vorzeitig. Wird dagegen zu wenig Kühlung zugeführt, verschleißt das Werkzeug vorzeitig. "Die hohe Kunst besteht darin, die Kühlung in das richtige Prozessfenster zu schieben", erklärt Döbbeler.

Mit CO2 kühlen

Ein Hemmschuh beim Durchbruch der kryogenen Kühlung ist laut Osmer auch die relativ aufwendige Umrüstung der Maschine: "Bei flüssigem Stickstoff muss das komplette Leitungssystem vom Tank bis hin zum Werkzeug sehr aufwendig isoliert werden. Bei CO2 ist es etwas einfacher, weil das Gas auch bei Zimmertemperatur flüssig ist."

Deswegen tendiert Osmer zu einer Lösung mit CO2. Allerdings bestünden bei CO2 gesundheitliche Bedenken und es seien teilweise zusätzliche Absaugungen oder Sicherheitsmaßnahmen für den Maschinenbediener erforderlich.

Auch Döbbeler setzt auf CO2: "Früher dachte man, dass die Potenziale beim Stickstoff wegen seiner nominell tiefer erreichbaren Temperatur höher sind. Mittlerweile sehe ich es so, dass CO2 bei ähnlicher Kühlwirkung interessanter und höchstwahscheinlich wirtschaftlicher ist." Die Umrüstung sei nicht so aufwendig und zudem sei CO2 auch bei Zimmertemperatur unter geeignetem Druck flüssig. Dabei habe man bei der Drehbearbeitung von Titan schon einige vielversprechende Erfahrungen gesammelt.

Führender Maschinenhersteller bei der kryogenen Kühlung ist die Schweizer Starrag Group. "Die kryogene Kühlung ist auf allen unseren Schaufelbearbeitungszentren der LX-Baureihe möglich. Diese Maschinen sind mit vertretbarem Aufwand nachrüstbar", berichtet Entwicklungsleiter Dr. Markus Ess. Neben kleinen Anpassungen müsse dazu nur ein entsprechendes System installiert werden.

Zweikanalsystem mit kryogener Kühlung von Starrag.
Zweikanalsysteme sind das Mittel der Wahl. Ein Kanal dient dem Kühlmedium, der andere der MMS-Schmierung. - Bild: Starrag Group

"Natürlich muss auch die entsprechende Sicherheitstechnik an der Maschine nachgerüstet werden", berichtet Ess. Die Potenziale sieht er vor allem in einer verbesserten Profitabilität des Kunden. Je nach Wunsch könne entweder die Produktivität stark erhöht werden oder die Standzeit der Werkzeuge verlängert werden.

Zu den Skeptikern gehört Prof. Dirk Biermann von der Technischen Universität Dortmund: "Die kryogene Kühlung macht nur bei Werkstoffen Sinn, bei denen die konventionelle Kühlung an ihre Grenzen stößt und es zum Beispiel zu Schwierigkeiten hinsichtlich Werkzeugverschleiß, Span- oder Gratbildung kommt. Für Standardbearbeitungen ist sie nicht sinnvoll und es wird daher auch keinen Durchbruch im großen Stil geben."