Wie wir das Problem mit dem Schäumen der Bearbeitungsflüssigkeit lösten und die Werkzeuglebensdauer um 30 % erhöhten: Ein Praxisbeispiel aus der Produktion

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In der metallverarbeitenden Industrie begegnen wir häufig Problemen, die auf den ersten Blick wie Kleinigkeiten erscheinen, aber letztlich die Effizienz der Produktion deutlich beeinträchtigen können. Eines davon ist übermäßiges Schäumen der Bearbeitungsflüssigkeiten. Der Schaum verschlechtert nicht nur die Sicht auf den Arbeitsbereich, sondern begrenzt vor allem die Kühlung und Schmierung der Werkzeuge, was zu deren schnellerem Verschleiß und einer schlechteren Qualität der bearbeiteten Oberfläche führt. In diesem Artikel betrachten wir einen konkreten Fall, in dem wir einem Kunden halfen, die Ursache des Schäumens zu identifizieren, und eine Lösung vorschlugen, die zu einer Verlängerung der Werkzeuglebensdauer um ein Drittel und einer Reduzierung des Flüssigkeitsverbrauchs führte.

Problem mit übermäßigem Schäumen: Wie uns der tägliche Betrieb ausbremste

In der Metallverarbeitung ist die Stabilität von Bearbeitungsflüssigkeiten entscheidend für die Effizienz und Qualität der Produktion. In unserem Fall trat jedoch an einer der CNC-Linien ein übermäßiges Schäumen der Kühlmittel-Emulsion auf, das den gesamten Prozess beeinträchtigte. Der Schaum bildete sich bereits nach einigen Betriebsstunden, verschlechterte die Sicht auf die Bearbeitungsstelle und verringerte die Kühlwirkung. Die Bediener mussten die Flüssigkeit häufiger nachfüllen und die Filter reinigen, was zu ungeplanten Stillstandszeiten und einem erhöhten Materialverbrauch führte.

Die Analyse zeigte, dass die Ursache eine Kombination mehrerer Faktoren war: hohe Wasserhärte im Betrieb, ungeeignete Dosierung des Konzentrats und Kontamination der Flüssigkeiten durch Schmiermittelrückstände aus vorherigen Arbeitsgängen. Der Schaum verschlechterte zudem den Späneabtransport, was zu deren Ansammlung im Arbeitsbereich und erhöhtem Werkzeugverschleiß führte. Die Lebensdauer von Fräsern und Bohrern sank um etwa 20–25 %, was sich auch auf die Oberflächenqualität der Werkstücke auswirkte. Es war klar, dass sich die Situation ohne Eingriff weiter verschlechtern würde.

Diagnose und Auswahl der richtigen Lösung: Von Laboruntersuchungen zur Praxis

Der erste Schritt bestand in einer detaillierten Laboruntersuchung der Proben der Bearbeitungsflüssigkeit. Mit Standardprüfmethoden haben wir den pH-Wert, die Emulsionskonzentration, den Mineralstoffgehalt und das Vorhandensein von Fremdstoffen gemessen. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Wasserhärte (vor allem der hohe Gehalt an Calcium und Magnesium) die Emulsion destabilisiert und die Schaumbildung fördert. Gleichzeitig stellten wir fest, dass das verwendete Konzentrat Tenside mit geringer Beständigkeit gegen hartes Wasser enthielt, was das Problem weiter verschärfte.

Auf Basis der Analyse haben wir eine Kombination aus drei Maßnahmen gewählt: die Wasseraufbereitung mit Enthärtungsmitteln, den Austausch des Konzentrats gegen eine Variante mit modifizierten Tensiden und die Optimierung der Dosierung. Das neue Konzentrat wurde so ausgewählt, dass es Tenside mit höherer Toleranz gegenüber hartem Wasser enthält und gleichzeitig eine bessere Fähigkeit zur Dispergierung von Verunreinigungen aufweist. Ein wichtiger Schritt war auch die Einführung einer regelmäßigen Überwachung der Wasser- und Emulsionsqualität, um ähnlichen Problemen in Zukunft vorzubeugen.

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Umsetzung der Änderungen: Wie wir Schritt für Schritt vorgegangen sind

Die Einführung des neuen Systems begann mit einer gründlichen Reinigung der gesamten Bearbeitungslinie, einschließlich Tanks, Rohrleitungen und Filter. Die alte Flüssigkeit wurde gemäß den REACH-Vorschriften ordnungsgemäß entsorgt und durch eine frische Mischung mit aufbereitetem Wasser ersetzt. Das neue Konzentrat dosierten wir nach dem genauen Verhältnis, das wir unter Laborbedingungen überprüft hatten. Den Betrieb starteten wir schrittweise, um die Reaktion des Systems auf die Veränderungen überwachen zu können.

Während der ersten zwei Wochen kontrollierten wir täglich den Schaumpegel, den pH-Wert und die Emulsionskonzentration. Die Bediener wurden geschult, um jegliche Abweichungen wie Farbveränderungen der Flüssigkeit oder Geruchsentwicklung zu melden. Nach einem Monat Betrieb führten wir eine umfassende Bewertung durch: Der Schaum bildete sich minimal, die Kühlwirkung verbesserte sich und der Verbrauch der Flüssigkeit sank um 15 %. Das deutlichste Ergebnis war jedoch die Verringerung des Werkzeugverschleißes, was sich in einer Verlängerung der Lebensdauer um 30 % zeigte.

Ergebnisse und langfristige Vorteile: Was wir erreicht haben und wie man dem vorbeugt

Die eingeführten Maßnahmen brachten nicht nur eine sofortige Verbesserung, sondern auch langfristige Einsparungen. Die Verringerung des Werkzeug- und Kühlschmierstoffverbrauchs führte zu einer Senkung der Betriebskosten um etwa 20 %. Die Oberflächenqualität der Werkstücke verbesserte sich, was den Bedarf an zusätzlicher Nachbearbeitung reduzierte. Dank der stabileren Emulsion verringerte sich auch die Häufigkeit der Maschinenwartung, wodurch Kapazitäten für weitere Produktionsaufgaben frei wurden.

Die Erfahrung aus diesem Fall zeigt, wie wichtig es ist, die Qualität von Bearbeitungsflüssigkeiten regelmäßig zu überwachen und ihre Zusammensetzung an die spezifischen Betriebsbedingungen anzupassen. Wir empfehlen, ein System regelmäßiger Kontrollen einzuführen, einschließlich der Prüfung der Wasserhärte, des pH-Werts und der Emulsionskonzentration. Bei der Auswahl des Konzentrats ist es entscheidend, nicht nur die technischen Parameter, sondern auch die Kompatibilität mit den lokalen Bedingungen zu berücksichtigen. Investitionen in hochwertige Rohstoffe und präventive Wartung zahlen sich immer aus – wie unser Fall zeigt, können selbst scheinbar kleine Veränderungen erhebliche Einsparungen bringen und die Zuverlässigkeit der Produktion erhöhen.

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Chemische Ursachen der Schaumbildung und ihr Einfluss auf Bearbeitungsprozesse

Übermäßiges Schäumen von Bearbeitungsflüssigkeiten hat oft seine Ursachen in der chemischen Zusammensetzung der Emulsion selbst. Tenside, die für die Benetzbarkeit und Emulgierung der Ölphase sorgen, können bei falscher Dosierung oder Kombination mit anderen Additiven stabilen Schaum verursachen. Dieser behindert dann die effektive Kühlung und Schmierung des Werkzeugs, was zu einem schnelleren Verschleiß führt. Ein weiterer Faktor ist das Vorhandensein von Kontaminanten wie Rückständen von Reinigungsmitteln, Metallspänen oder Mikroorganismen, die die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verändern und die Bildung von Blasen fördern.

In unserem Fall stellten wir fest, dass das Hauptproblem in der Inkompatibilität zwischen dem Grundöl und den verwendeten Additiven lag. Einige Arten von Polyolen und Estern, die die Schmiereigenschaften verbessern, können bei den hohen Temperaturen, die während der Bearbeitung entstehen, Gase freisetzen, die den Schaum stabilisieren. Laboranalysen zeigten, dass die Emulsion eine zu hohe Konzentration an anionischen Tensiden enthielt, die zwar die Benetzbarkeit verbessern, aber gleichzeitig das Schaumrisiko erhöhen. Die Lösung bestand darin, auf eine ausgewogenere Mischung aus nichtionischen und anionischen Tensiden mit geringerer Schaumbildung umzusteigen.

Optimierung der Konzentration und Wartung der Bearbeitungsflüssigkeit

Die richtige Konzentration der Bearbeitungsflüssigkeit ist nicht nur für die Leistung der Werkzeuge, sondern auch für die Minimierung des Schäumens entscheidend. Eine zu hohe Konzentration erhöht die Viskosität und fördert die Bildung von stabilem Schaum, während eine zu niedrige Konzentration zu unzureichender Schmierung und Kühlung führt. In unserem Betrieb stellten wir fest, dass der optimale Bereich für den gegebenen Bearbeitungstyp zwischen 5 und 7 % Emulsion im Wasser liegt. Regelmäßige Messungen mit einem Refraktometer und das Nachfüllen des Konzentrats nach Bedarf sicherten eine gleichbleibende Leistung ohne übermäßiges Schäumen.

Die Wartung von Bearbeitungsflüssigkeiten umfasst auch die Kontrolle des pH-Werts und der Wasserhärte. Wasser mit hohem Mineralstoffgehalt (hartes Wasser) kann die Ausfällung von Tensiden und die Bildung von Ablagerungen verursachen, die die Stabilität der Emulsion beeinträchtigen. Zu weiches Wasser hingegen erhöht das Risiko von Schaumbildung. In unserem Fall haben wir ein System zur Wasserentmineralisierung und regelmäßige pH-Tests eingeführt, die wir im Bereich von 8,5 bis 9,5 halten. Ein wichtiger Schritt war auch die Einführung der Filtration von Metallspänen und die regelmäßige Entfernung mikrobieller Verunreinigungen mithilfe von Bioziden, die gemäß der REACH-Verordnung zugelassen sind.

Auswahl von Additiven zur Schaumreduzierung und Verbesserung der Emulsionsstabilität

Das Problem der Schaumbildung lässt sich effektiv durch den Zusatz spezialisierter Additive lösen, die Blasen destabilisieren und die Wärmeableitung verbessern. In unserem Fall haben wir mehrere Arten von Entschäumern getestet, wobei Silikon- und Polyetherbasen die besten Ergebnisse erzielten. Diese Substanzen verringern die Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft, wodurch das Platzen der Blasen beschleunigt wird. Wichtig ist jedoch, die empfohlene Dosierung einzuhalten – eine zu hohe Konzentration des Entschäumers kann zur Trennung der Emulsion oder zur Verschlechterung der Schmiereigenschaften führen.

Neben Entschäumern haben wir auch Additive zur Verbesserung der Emulsionsstabilität eingeführt, wie Korrosionsinhibitoren und komplexbildende Substanzen. Diese verhindern die Ausfällung von Metallionen und halten die Emulsion auch bei hohen Temperaturen homogen. Das Ergebnis war nicht nur eine Reduzierung der Schaumbildung, sondern auch eine Verlängerung der Lebensdauer der Flüssigkeit um 40 %, was zu Kosteneinsparungen bei deren Austausch und Entsorgung führte. Bei der Auswahl der Additive ist es entscheidend, ihre Kompatibilität mit den anderen Komponenten der Emulsion zu überprüfen und die Anweisungen des Herstellers für die sichere Verwendung gemäß der CLP/GHS-Verordnung zu beachten.

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