Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann von der TU Dortmund
Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann geht davon aus, dass sich CO2 als Kühlmedium bei der kryogenen Bearbeitung durchsetzen wird. - Bild: TU Dortmund

Produktion: Herr Prof. Biermann, was eignet sich zur kryogenen Kühlung besser: CO2 oder Stickstoff?

Prof. Biermann: Die Realisierung der Zuführung ist mit CO2 einfacher, denn bei Stickstoff benötigt man immer isolierte Leitungen. CO2 hat dagegen den großen Vorteil, dass es unter entsprechenden Drücken auch bei Raumtemperatur flüssig ist. Der eigentliche Kühleffekt tritt bei CO2 erst ein, wenn es aus der Düse austritt und die Phasenänderung von flüssig nach fest eintritt.

Wir haben beispielsweise Untersuchungen für hochfeste Titanwerkstoffe durchgeführt und konnten dabei nachweisen, dass CO2 sehr gute Bearbeitungsergebnisse ermöglicht. Ein Vorteil ist auch, dass ein gewisser Anteil in Gas umgesetzt wird, was eine Schutzgaswirkung gewährleisten kann.

Dagegen entstehen bei der normalen Bearbeitung mit Emulsion von höherfesten Titanwerkstoffen ausgeprägte Oxydschichten, die sehr hart sind. Bei der anschließenden Schlichtbearbeitung kommt es dabei zu großen Problemen beim Werkzeugverschleiß. Das kann man bei der CO2-Kühlung deutlich reduzieren bis komplett vermeiden.

Produktion: Aber die Kühlwirkung ist bei Stickstoff aufgrund der besonders niedrigen Temperatur doch höher?

Prof. Biermann: Die Kühlwirkung kann man nicht so einfach an der Temperatur festmachen. Es muss auch die Wärmeaufnahme der Medien betrachtet werden und dabei liegt der Kühleffekt der beiden Gase gar nicht so weit auseinander.

Zudem muss bei der Bearbeitung von zähen und hochfesten Stoffen wie Titan oder Inconel der problematische Spanbruch beachtet werden. Bei der Kühlung mit CO2 treffen die Partikel mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Bearbeitungszone und gewährleisten so einen deutlich verbesserten Spanbruch.

Wir haben in unserem Labor gerade bei der Bearbeitung von hochfesten und zähen Titanwerkstoffen sehr gute Ergebnisse erzielt. Die Ergebnisse bei der Schlichtbearbeitung sind sogar vergleichbar zu denen bei einer Emulsionsbearbeitung mit Drücken von über 100 bar. Man kann den Spanbruch und auch die Gratbildung mit der Schneestrahlkühlung sehr gut in den Griff bekommen.

Produktion: Ist das Umrüsten auch bei CO2 nicht sehr aufwendig?

Prof. Biermann: Für unsere Untersuchungen im Laborbetrieb ist die Umrüstung auf die kryogene Kühlung mit CO2 nicht sonderlich aufwendig. Wenn ich aber an Produktionsbedingungen mit Werkzeugwechslern und anderen Komponenten denke, wird die serientaugliche Umrüstung bereits deutlich aufwendiger.

Es sind dann spezielle Lösungen erforderlich, wie beispielsweise ein speziell angepasster Werkzeugrevolver für eine Drehmaschine. Es ist schwierig, konventionelle Maschinen mit vertretbarem Aufwand umzurüsten. Für die allermeisten Bearbeitungen ist die Investition in eine spezielle Maschine notwendig.

Es gibt auch den weiteren Aspekt der Arbeitssicherheit. Das ist zwar beherrschbar, aber ich würde mir eine spezielle Gassensorik wünschen, um kritische Situationen zu beherrschen. Damit ließe sich eine kritische Konzentration von CO2 im Arbeitsraum erkennen.