MMS (Minimalmengenschmierung) und Trockenbearbeitung: Wann wird ohne Kühlschmierstoff gearbeitet?

Der Kühlschmierstoff ist in der Zerspanung ein meist unhinterfragt hingenommener Einsatzstoff. Werden jedoch die Kosten für Beschaffung, Pflege, Entsorgung und Werkstückreinigung zusammengerechnet, ergibt sich eine Position, die um ein Mehrfaches größer ist als die Werkzeugkosten. Dieser Beitrag behandelt die Minimalmengenschmierung, die den Flüssigkeitseinsatz auf die Größenordnung von Millilitern senkt, die vollständig flüssigkeitsfreie Trockenbearbeitung und deren Grenzen.

1. Was ist MMS und in welcher Größenordnung liegt der Verbrauch?

Bei der MMS (Minimalmengenschmierung, englisch minimum quantity lubrication, MQL) wird eine sehr geringe Ölmenge in Druckluft zerstäubt und unmittelbar in die Schnittzone gesprüht. Im deutschen Schrifttum ist die Bezeichnung Minimalmengenschmierung üblich, in der Branche wird das Verfahren auch als „Fast-Trockenbearbeitung“ (near-dry machining) geführt. Die chemische und anlagentechnische Seite des Verfahrens ist in der Richtlinie VDI 3397 Blatt 1 gemeinsam mit den übrigen Bearbeitungsmedien klassifiziert.

Entscheidend ist Folgendes: MMS ist kein Kühl-, sondern ein Schmierverfahren. Die aufgebrachte Flüssigkeitsmenge besitzt nicht die Masse, um Wärme abzutransportieren; ihre Funktion besteht darin, Reibung und Anhaftung zu verringern. Die Abfuhr der Wärme aus der Schnittzone bleibt dem Span überlassen.

Die Definition der MMS ist bislang nicht normativ festgelegt. Die DGUV Information 209-025 gibt die in der Praxis eingeführte Definition wie folgt an: ein Ölverbrauch, der im Mittel 50 ml je Bearbeitungsstunde und Werkzeug nicht überschreitet. In derselben Schrift wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass bei Werkzeugen mit einem Durchmesser über 40 mm kurzzeitig über 150 ml/h erreicht werden können. Anwendungen mit geringem Durchfluss von bis zu 2 Litern pro Stunde gelten dagegen nicht als MMS, sondern als Reduziertmengenschmierung (reduced quantity lubrication); da die Flüssigkeit dabei im Kreislauf geführt wird, liegt kein reines Verlustschmiersystem vor.

In derselben Schrift wird auch die „Trockenbearbeitung“ nicht über das vollständige Fehlen von Flüssigkeit definiert, sondern über den am Span anhaftenden Flüssigkeitsanteil: Liegt die am Span verbliebene Flüssigkeit unter 2 %, gilt der Prozess als trocken. Nach dieser Definition fällt auch die MMS unter den Oberbegriff der Trockenbearbeitung.

2. Zuführung: externe Düse und Zuführung durch das Werkzeug

Externe Zuführung (Düse)

Das Aerosol wird über eine oder mehrere außen an der Arbeitsspindel angebrachte Düsen in die Schnittzone gerichtet. Die Installation ist kostengünstig, lässt sich an vorhandenen Werkzeugmaschinen nachrüsten und setzt keine Kühlbohrung im Werkzeug voraus. Demgegenüber ist die Düse bei jedem Werkzeugwechsel neu auszurichten; bei tiefen Taschen, langen Werkzeugen und mehrachsigen Bewegungen ist das Erreichen der Schnittstelle durch das Aerosol nicht zuverlässig.

Interne Zuführung (durch das Werkzeug, through-tool)

Das Aerosol wird über Arbeitsspindel und Werkzeugaufnahme in die Innenkanäle des Werkzeugs geleitet und tritt unmittelbar neben der Schneide aus. Bei Arbeiten, deren Zugänglichkeit eine Düse nicht herstellen kann, insbesondere beim Bohren über 3×D und beim Fräsen tiefer Nuten, ist dies die einzig umsetzbare Lösung. Das Werkzeug muss innere Kühlkanäle besitzen, Aufnahme und Zugstange müssen durchgängig sein. Bei Zweikanalsystemen werden zusätzlich eine HSK-Aufnahme mit innenliegendem Mediumrohr und eine dazu passende Düsenanordnung vorausgesetzt; die Dichtheit auf der Aufnahmeseite ist für die Systemauswahl bestimmend.

Ein- und Zweikanalsysteme

Der folgende Vergleich stützt sich auf die Systemtabellen der DGUV Information 209-025.

In Einkanalsystemen wirkt das Aerosolvolumen in der Leitung wie ein Puffer; nach einem Werkzeugwechsel gelangt die neue Dosierung verzögert in die Schnittzone. In Zweikanalsystemen entfällt diese Verzögerung, da Öl und Luft getrennt bis zur Spindel geführt werden, und für jedes Werkzeug lässt sich eine eigene Dosierung festlegen. Demgegenüber wird beim Zweikanalsystem die Versorgung mehrerer Spindeln aus einem Gerät erschwert, und die Pumpen-Ventil-Baugruppe geht als Verschleißteil in den Wartungsplan ein.

3. Luftdruck und Partikelgröße des Aerosols

MMS-Geräte arbeiten mit Druckluft; die DGUV Information 209-025 hält für Ein- wie für Zweikanalsysteme einen Luftdruck über 4 bar für erforderlich. Der Druck bestimmt zwei Größen zugleich: die Geschwindigkeit, mit der das Aerosol die Schnittzone erreicht, und die Tröpfchengröße. Mit steigendem Druck wird die Zerstäubung feiner, der mittlere Tröpfchendurchmesser sinkt und die Benetzung wird gleichmäßiger.

Ein kleines Tröpfchen ist nicht in jedem Fall von Vorteil. Ein sehr feines Aerosol kann abgetragen werden, bevor es die Schnittzone erreicht, sich im Raum verteilen und in den alveolengängigen Größenbereich gelangen. Die Partikelfraktionen sind in ISO 7708:1995 nach dem aerodynamischen Durchmesser definiert: Der 50-%-Trennschnitt liegt für die alveolengängige (respirable) Fraktion bei 4 µm, für die thorakale Fraktion bei 10 µm und für die einatembare (inhalable) Fraktion bei 100 µm. Deshalb ist entscheidend, auf welche Fraktion sich ein Grenzwert bezieht.

Druck, Flüssigkeitsdurchfluss und Düsendurchmesser werden gemeinsam eingestellt; die Kabine wird geschlossen gehalten und die Absauganlage mit der Maschinensteuerung verriegelt. In derselben Schrift wird gefordert, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Absaugrohr nicht unter 20 m/s absinkt; bei geringerer Geschwindigkeit bilden sich Ablagerungen im Rohr. Für die ausführliche gesundheitliche Bewertung kann der Beitrag Kühlschmierstoffe: Arbeitsschutz und Sicherheit herangezogen werden.

4. MMS-Medien: Esteröle, Fettalkohole und ungeeignete Produkte

Das bei der MMS eingesetzte Medium besitzt eine andere Chemie als die Emulsion im Überflutungssystem. Da die Flüssigkeit nicht zurückgeführt wird, sind die auf Werkstück und Span verbleibende Filmmenge, das Verdampfungsverhalten und das toxikologische Profil bestimmend. In der industriellen Anwendung treten zwei Gruppen hervor:

• Synthetische Esteröle. Sie besitzen trotz niedriger Viskosität einen hohen Siede- und Flammpunkt; deshalb ist die in den Arbeitsraum abgegebene Dampfmenge gegenüber Mineralölen deutlich geringer. Sie werden dort bevorzugt, wo die Schmierwirkung bestimmend ist, wo also abrasiver Verschleiß zu verhindern ist: beim Gewindebohren, Bohren, Reiben und Drehen. Ihre biologische Abbaubarkeit ist hoch, ihre Wassergefährdungsklasse niedrig.
• Fettalkohole (fatty alcohol). Gegenüber Esterölen gleicher Viskosität sind sowohl Flammpunkt als auch Schmierwirkung geringer, dafür verdampfen sie schneller und hinterlassen auf dem Werkstück praktisch eine trockene Oberfläche. Sie werden dort eingesetzt, wo nicht die Schmierung, sondern die Trennwirkung im Vordergrund steht, wo also die Bildung von Aufbauschneiden (BUE) zu verhindern ist: bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen.

Beide Gruppen weisen eine hohe biologische Abbaubarkeit auf und gelten als schwach wassergefährdend (Wassergefährdungsklasse 1). Für die Auswahl eines emissionsarmen MMS-Öls nennt die DGUV Information 209-025 drei Richtwerte: Viskosität bei 40 °C über 10 mm²/s, Flammpunkt im offenen Tiegel über 150 °C und Verdampfungsverlust nach Noack bei 250 °C unter 65 %. Ergänzend zählen Geruch und Versprühbarkeit zu den Bewertungskriterien.

Ungeeignete Produkte

Dieselbe Schrift führt gesondert die Produkte auf, die bei der MMS nicht eingesetzt werden sollten. Die Liste widerspricht unmittelbar der Annahme, ein Öl auf pflanzlicher Basis sei unter allen Umständen die sicherere Wahl:

Bei der Auswahl werden die Einstufung der Inhaltsstoffe im Sicherheitsdatenblatt und der Registrierungsstatus nach KKDİK (türkisches Pendant zu REACH) geprüft. Da in wasserfreien Produkten kein Bakterienwachstum stattfindet, entfallen auch der Biozidgehalt und das damit verbundene Sensibilisierungsrisiko. Damit entfällt die größte Last auf der Seite der Kühlschmierstoff-Pflege unmittelbar entfällt.

5. Wo wirkt MMS und wo reicht sie nicht aus?

Die Abgrenzung erfolgt über eine einzige Frage: Geht die Wärme mit dem Span ab oder staut sie sich in Werkstück und Werkzeug? Wird der größte Teil der Wärme mit dem Span abgeführt, genügt MMS; staut sie sich, ist Kühlleistung erforderlich.

Beim Fräsen tiefer Nuten und Taschen liegt die Ursache des Problems nicht in der Schmierung, sondern darin, dass der Span die Nut nicht verlässt. In diesem Fall sind vor einem Wechsel zur MMS Strategien zu bewerten, die Spanlast und Nutfüllung verringern, etwa das trochoidale Fräsen. In diesen Rahmen gehört auch, dass der Fräsleitfaden von Sandvik Coromant für die Spanabfuhr in tiefen Taschen Minimalmengenschmiersysteme aus Druckluft und Öl mit geringem Durchfluss nennt. Für die Gruppe ISO S empfiehlt derselbe Leitfaden, warmfeste Legierungen bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten mit Kühlschmierstoff zu bearbeiten; begründet wird dies sowohl mit der Schmierung als auch mit der Kühlung des Werkstücks. Für diese Gruppe gelten die Bedingungen aus dem Beitrag Fräsen von Titan und warmfesten Legierungen (ISO S).

6. Trockenbearbeitung und Thermoschock bei gehärtetem Stahl

Das Fräsen ist ein unterbrochener Prozess. Die Schneide tritt bei jeder Umdrehung in die Schnittzone ein, erwärmt sich und kühlt anschließend an der Luft ab. Dieser Zyklus erzeugt in der Schneide eine zyklische Wärmespannung. Wird ein Kühlschmierstoff aufgebracht, vergrößert sich der Unterschied zwischen heiß und kalt, und entlang der Schneide entstehen quer zur Schneidkante verlaufende Thermorisse (Kammrisse, comb cracks). Mit fortschreitenden Rissen bricht die Kante in Partikeln aus und die Standzeit endet früher als erwartet.

Deshalb ist in den Herstellerleitfäden die Trockenbearbeitung der Standardansatz für das Fräsen. Der Fräsleitfaden von Sandvik Coromant legt zugrunde, dass Schruppfräsoperationen stets trocken auszuführen sind, und bindet den Kühlschmierstoff an wenige Ausnahmen: bei Schlichtoperationen an Edelstahl und Aluminium, um ein Aufschmieren von Metall auf die Oberflächenstruktur zu verhindern, bei warmfesten Legierungen mit niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, bei Gusseisen zur Staubbindung und bei dünnwandigen Werkstücken, um geometrischen Verzug zu vermeiden. In demselben Leitfaden wird darauf hingewiesen, dass der Kühlschmierstoff, falls er eingesetzt wird, reichlich aufzubringen ist. Auf die ISO-Gruppen bezogen stellen sich diese Ausnahmen wie folgt dar:

Bei gehärtetem Stahl (über 45 HRC) ist die Wärme kein Problem, sondern Teil des Prozesses: Die hohe Temperatur in der Schnittzone senkt die örtliche Fließgrenze des Werkstoffs und erleichtert die Spanbildung. Kühlung stört diesen Mechanismus, erhöht die Schnittkraft und löst Thermorisse aus. Einzelheiten enthält der Beitrag Fräsen von gehärtetem Stahl und Werkzeugstahl. Voraussetzung für die Trockenbearbeitung sind eine warmfeste Beschichtung und eine geeignete Hartmetallsorte; mit einem unbeschichteten oder kobaltreichen Werkzeug führt Trockenbearbeitung nicht zum Ziel.

7. Kryogene Kühlung: flüssiger Stickstoff und Kohlendioxid

Bei der kryogenen Kühlung wird der Schnittzone flüssiger Stickstoff (LN₂, −196 °C) oder flüssiges Kohlendioxid (CO₂, sublimiert bei Atmosphärendruck bei −78,5 °C) zugeführt. Das Medium geht, nachdem es seine Aufgabe erfüllt hat, in den gasförmigen Zustand über und verlässt die Umgebung; auf Werkstück und Span bleibt kein Rückstand.

• Flüssiger Stickstoff. Er kühlt tiefer und für Legierungen der Gruppe ISO S ist ein deutlicher Anstieg der Standzeit berichtet worden. Wegen des großen Temperaturunterschieds kann Filmsieden auftreten; dabei entsteht eine isolierende Gasschicht, die den Wärmeübergangskoeffizienten senkt. Erforderlich sind isolierte Leitungen und eine Drehdurchführung.
• Flüssiges Kohlendioxid. Beim Austritt aus der Düse entspannt es sich zu einem Feststoff-Gas-Gemisch („Schnee“). Da die Versorgung aus Standardflaschen erfolgen kann, ist die Infrastruktur einfacher, die Kühlleistung liegt jedoch unter der von Stickstoff.

Beide Medien schmieren nicht. Deshalb werden in der Anwendung häufig ein kryogenes Medium und ein Ölaerosol mit geringem Durchfluss gemeinsam zugeführt. Da die Gase in geschlossenen Räumen den Sauerstoff verdrängen und dadurch Erstickungsgefahr entsteht, sind die Belüftung der Maschinenkabine und eine Raumluftüberwachung zwingende Ergänzungen.

8. Kosten, Entsorgung und Recyclingwert der Späne

Der Anteil des Kühlschmierstoffs an den Kosten wird in den meisten Betrieben kleiner angenommen, als er ist. In der in den CIRP Annals veröffentlichten Arbeit von Klocke und Eisenblätter wird angegeben, dass die durch den Einsatz von Kühlschmierstoff entstehenden, werkstückbezogenen Fertigungskosten bei 7–17 % liegen, während der Anteil der Zerspanungswerkzeuge nur 2–4 % beträgt. Dieses Verhältnis zeigt, dass eine Verbesserung auf der Seite des Kühlschmierstoffs einen um ein Mehrfaches größeren Hebel erzeugt als eine Verbesserung auf der Werkzeugseite.

Beim Übergang zu MMS und Trockenbearbeitung entfallen folgende Positionen:

In der Türkei wird gebrauchter Kühlschmierstoff als gefährlicher Abfall bewirtschaftet. In der Abfallliste im Anhang der Atık Yönetimi Yönetmeliği (türkische Abfallverordnung) sind halogenfreie Bearbeitungsemulsionen und -lösungen unter dem Schlüssel 12 01 09* mit Sternchen als gefährlich eingestuft. Altöle auf Mineralölbasis fallen darüber hinaus unter die Atık Yağların Yönetimi Yönetmeliği (türkische Altölverordnung, Resmî Gazete Nr. 30985 vom 21.12.2019). In beiden Fällen entstehen mit der Übergabe an einen zugelassenen Entsorger auch Aufzeichnungs- und Meldepflichten. Dass diese Last auf der Emulsionsseite beim Übergang zur MMS entfällt, ist der konkreteste Gewinn des Verfahrens mit unmittelbarem monetärem Gegenwert.

Der Wert trocken bleibender Späne

Ein nasser Span trägt einen erheblichen Teil seiner Masse als Flüssigkeit mit sich. Daraus ergeben sich drei Folgen: Die mitgeführte Flüssigkeit ist eingekauft, aber ungenutzt verloren; Schrotthändler kaufen Späne mit hohem Restflüssigkeitsanteil nur mit Preisabschlag oder lehnen sie ab; vor dem Einschmelzen erfordert die Trocknung der Späne einen zusätzlichen Arbeitsgang.

Auf Spänen, die mit MMS bearbeitet wurden, verbleibt nur ein sehr dünner Ölfilm, bei kryogener Bearbeitung überhaupt kein Rückstand. Die Späne lassen sich unmittelbar brikettieren und in einer höheren Schrottklasse verwerten. Bei Werkstoffen mit hohem Schrottwert wie Aluminium erreicht dieser Unterschied eine Größenordnung, die die Amortisationszeit der MMS-Investition allein verkürzen kann; das beim Aluminiumfräsen typisch hohe Spanvolumen verstärkt diesen Effekt.

9. Entscheidungsübersicht

Die Verfahrensauswahl lässt sich nicht auf ein einziges Kriterium reduzieren; Werkstoffgruppe, Operationsart und Werkstückgeometrie werden gemeinsam bewertet. Eine grobe Reihenfolge lässt sich so aufstellen: Geht die Wärme mit dem Span ab, trocken oder MMS; staut sich die Wärme an der Schneide, Kühlschmierstoff; staut sich die Wärme und wird zugleich kein Kühlschmierstoff toleriert, kryogen. Soll der Einsatz von Emulsionen fortgeführt werden, können die Klassifizierung im Beitrag Kühlschmierstoff-Arten und Auswahl und die Kategorie Chemie gemeinsam herangezogen werden.

Quellen

• Klocke, F.; Eisenblätter, G. — Dry Cutting, CIRP Annals, 46(2), 1997, 519–526. DOI
• VDI 3397 Blatt 1:2020-03 — Processing media (PM) for forming and machining — Metal working fluids, forming fluids, minimum quantity fluids, multifunctional oils. VDI
• DGUV Information 209-025 — Minimum quantity lubrication for machining operations, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung. DGUV Publikationen
• NIOSH — Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids, DHHS (NIOSH) Publication No. 98-102, 1998. CDC Stacks
• OSHA — Metalworking Fluids: Safety and Health Best Practices Manual. OSHA
• ISO 7708:1995 — Air quality — Particle size fraction definitions for health-related sampling.
• Sandvik Coromant — Dry milling or with cutting fluid. Sandvik Coromant
• Atık Yönetimi Yönetmeliği (türkische Abfallverordnung; Abfallliste, 12 01 09) und Atık Yağların Yönetimi Yönetmeliği (türkische Altölverordnung), Resmî Gazete Nr. 30985 vom 21.12.2019. mevzuat.gov.tr