Minimalmengenschmierung - MMS - Tutorial perfekt für dich!

Hi Zusammen, oft stellt sich die Frage was man zur Minimalmengen Schmierung verwenden soll. Was hast du bereits verwendet oder kennst du? War es geeignet? Worauf kommt es an? Machst du alles bisher richtig ? Ließ dir das durch und du wirst ein "Pro" in Sachen MMS! Ich versuche mich hier kurz und präzise zu halten, da es sehr viele Quellen und Stände darüber gibt: ...ist doch etwas kerniger geworden...viel Spaß beim Lesen und sich weiterbilden, es hat mich sehr viel Zeit gekostet alle diese Informationen zusammenzutragen. Einiges könnte auch wieder überholt sein und nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen. Deshalb kann ich dafür nicht haften. Das ist so ziemlich der ausführlichste und am besten recherchierteste Artikel auf diesem BLOG :-) 


Was ist MMS?

Es steckt schon im Namen, anstatt zu Fluten, wird nur mit Mindermengen gearbeitet. Typischerweise wenige ml pro Stunde (zwischen 1-50 ml pro Prozess Stunde, lt. BG/BGIA 2009 ; i.Vgl. dazu Nassbearbeitung 30-60 L/h). Auch Trockenbearbeitung genannt (weniger als 2-Massen-% Schmierstoff am Span). Es gab diverse geförderte Forschungsarbeiten dazu, da es die Umwelt schont und kostengünstig ist. Mehr siehe unter dem Abschlussbericht „Forschung für die Produktion von Morgen“. MMS ist mittlerweile genormt in DIN 8589-0 „Fertigungsverfahren Spanen – Teil 0: Allgemeines; Einordnung, Unterteilung, Begriffe“.


Ziel von MMS?

Bei Nassbearbeitung/Flutkühlung wird gekühlt, geschmiert und der Span abtransportiert. Bei MMS steht die Schmierung im Vordergrund. MMS wird heute oft bei geom. bestimmter Schneide verwendet. Noch nicht vorwiegend bei geom. unbestimmter Schneide wie z.B. Schleifen, da nicht wirtschaftlich realisierbar. Grau, -Graphitgussmaterialien lassen sich gut bearbeiten, sowie Bunt und NE-Metalle (z.B. Alu) auch Stahl bis Rm 800 MPa. 

Warum MMS?

Es wird die Schmierstoffmenge verringert. Die Folgen sind:

  1. Trockenere Späne
  2. Geringere KSS-Emission in die Atemluft (KSS= Kühlschmierstoff)
  3. Geringerer Kontakt mit der Haut
  4. i.Vgl. zur konventionellen Flutung können Hauptkostentreiber entfallen, wie:
    1. Reduzierung teurer KSS-Menge (Öl ist immer teuer, Additive sowieso)
    2. Geringerer Aufwand Überwachung und Pflege des KSS-Reservoirs/Bades (z.B. pH-Prüfungen, wenn das  Bad "kippt", d.h. schimmelt und stinkt, vor allem im Sommer, d.h. enthält keine Fungizide, keine Biozide)
    3. Keine Entsorgung verbrauchtes KSS
    4. Aufwandverringerung der Reinigung von Bad/Arbeitsraum/Teile.
    5. Längere Haltbarkeit/Standzeit von MMS in einer autarken/geschlossenen Flasche/Behälter, kein Verdampfen im Sommer, keine Kontamination, da geschlossen. 
Auch an Bohrmaschinenständern werden keine Ölflaschen mehr verwendet. Vorteil: Kein direkter Kontakt zu drehenden Teilen.

Zufuhrmöglichkeiten von MMS

Es gibt 3 typische Arten. 1- und 2- Kanalig von Innen durch das Werkzeug und dann noch die externe Zufuhr

  1. -Kanalig wird das Luft/Öl-Gemisch (Aerosol) im Behälter vor Eintritt in die Spindel erzeugt. 
  2. -Kanalig werden beide Medien getrennt durch die Spindel geführt und erst nach Austritt aus der Spindel kurz vor der dem Werkzeug in einer Mischkammer/Zerstäuberkammer zum Aerosol vermischt.
  3. Externe Zufuhr von außen auf das Werkzeug. Druckluft und Schmierstoff werden bis an die Wirkstelle getrennt transportiert (Fogbuster/Cold End)
Solche Systeme die auf dem Venturi-Prinzip (Zerstäubung mittels Druckluft) beruhen sind 1-Kanalig. Hierbei hat das Aerosol oft eine Tröpfchengröße von 0,5 µm bis 2 µm. Auf die weiteren Vor- und Nachteile von 1- und 2-Kanaligen System wird hier nicht weiter eingegangen. Wir konzentrieren uns auf die Hobby-übliche Anwendung, der externen Zufuhr von außen.


Bedingungen für einen guten MMS Einsatz / Checkliste

  • Sicherstellung ununterbrochene Zufuhr des Schmiermittels an die Wirkstelle
  • Dosierung und Zuführung müssen 100% sicher funktionieren
  • Einstellbare Parameter müssen möglich sein. Menge / Druck in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Materials
  • Ganz wichtig: Exakte und vibrationsunempfindliche Ausrichtmöglichkeit der Düse zur Wirkstelle
  • Überwachung der MMS-Funktion: Füllstand/Druckluftvorrat/Medientransport
  • Sprühbild der Düse. Zielgerichtete Benetzung, MMS erreicht die Wirkstelle
    • Hier gibt es oft Abschattungs-Effekte. MMS kommt nicht bis in die Tiefe. DATRON hat hier z.B. mehrere bewegungsabhängige Sprühdüsen angeordnet. 
  • Auf verwendbare Viskosität (bei 40°C) im MMS Systems achten
  • Komponenten/Dichtungen müssen für MMS ausgelegt sein. Entweder Wasser/Öl oder Alkohol/Öl. Manche Systeme sind bedingt beständig! Drucktanks bekommen Risse und Leitungen werden undicht.
Weitere Prozess-Anforderungen sind:
  • keine Aufbauschneiden durch zu geringe Schnittgeschwindigkeiten
  • kein Rattern!
  • kein Unterschreiten der angegebenen Mindestwerte für Vorschub und Zustellung
  • kein Überschreiten von Eingriffslänge der Schneidkante oder des max. Vorschubes
Gut funktionieren also hoher Vorschub, hohe Schnittgeschwindigkeit, kurze Verweilzeiten beim z.B. Bohren.

Schmierstoffe in der MMS

Hauptsächlich gibt es 2 Arten, welche sich primär in der Verdampfung und im Flammpunkt unterscheiden.

Synthetische Estheröle: 
  • Wenn weniger Kühlung, sondern effektivere Schmierwirkung von Werkzeug und Werkstück im Vordergrund steht 
  • Vermeidung von Abrasivem Verschleiß
  • Oft niedrigviskos (dünnflüssiger)
  • Hoher Siede- und Flammpunkt, dadurch weniger Emission/Verdampfung in den Arbeitsraum
  • Gut biologisch abbaubar
  • Geringe toxikologische Bedenklichkeit, Wässergefährdungsklasse (WGK 1)
    • Manchmal sogar (NWG), gar nicht wassergefährdend
  • Bsp: Gewindeschneiden, Bohren, Reiben, Drehen
Verdampfung: Langsam
Restmenge MMS am Werkstück: niedrig
Schmierwirkung: hoch
Flammpunkt: hoch
Wassergefährdungsklasse: nwg/1

Fettalkohole:
  • Weniger Schmierung, dafür effektivere Kühlung im Vordergrund
  • Vermeidung von Aufbauschneidenbildung bei z.B. Buntmetallen
  • Gut biologisch abbaubar
  • Ebenfalls geringe toxikologische Bedenklichkeit, Wässergefährdungsklasse (WGK 1) oder auch manchmal sogar (NWG), gar nicht wassergefährdend
Verdampfung: Schnell
Restmenge MMS am Werkstück: trocken
Schmierwirkung: niedrig
Flammpunkt: niedrig
Wassergefährdungsklasse: nwg/1

Vergleich:
Wird ein gleichviskoser Fettalkohol mit einem Synthetischen Esther verglichen, so hat der Fettalkohol einen niedrigeren Flammpunkt als der Esther und die Schmierwirkung ist geringer. 

Typische Zusammensetzungen von MMS für die Aluminiumbearbeitung

Die Alkoholverbindung weißt 1 bis 8 Hydroxylgruppen auf und 2 bis 27 Kohlenstoffatome und ist von 16-100 Gew.% enthalten. Der Rest aus einem Mineral oder synthetischem Öl. Verbessernde Schmiereigenschaften bringen noch Additive mit (aktuell oft 15 Gew% bis 30 Gew%). Diese MMS hinterlassen oft einen Schmiermittelrest auf dem Bauteil, ist das aufgrund nachfolgender Behandlung unterwünscht, wie z.B. Lackieren, Schweissen, usw., so muss das Bauteil oft erhitzt werden, der Schmiermittelrest verdampft oder nachträglich mit einem C14-C18 Alkohol gereinigt werden.

Hochleistungs-MMS, leicht reinigbar

Hauptanteil C16-24 Alkohol (Patentiert: C20-Alkohol, teuer!) mit geringem Anteil Emulgator (max.5% auf Gesamtgewicht bezogen). Damit das Schmiermittel mit Wasser emulgierbar wird beim Reinigen des Maschinenraumes mit einfachem Wasser. Der aliphatische, langkettige Guerbet Alkohol verfügt über einen niedrigen Pourpoint und einer geringen Verklebneigung. Naja evtl. erkennt ja jemand von welcher Mischung hier die Rede ist :-)


Nicht geeignet für MMS
  • Native Ester (Rapsöl, Rüböl, obwohl einige Patente, das explizit anführen)
    • Oxidieren schnell, es bilden sich Säuren, neigen zum Verharzen
    • Geringe Hydrolysestabilität
  • Wassergemischte KSS und deren Konzentrate, enthalten Biozide die Ihr einatmet
  • Schmierstoffe mit organischen chlor- oder zinkhaltigen Additiven
    • Hohe Temperaturen / Pyrolyse / es entstehen Reaktionsprodukte die eingeatmet werden können
  • Kennzeichnungspflichtige Schmierstoffe, ist selbsterklärend
  • Produkte auf Basis mineralischer Grundöle mit hohem Aromatgehalt
    • Alles was Aromate/freie Radikale enthält ist Karzinogen/Krebserregend

Spezialfrage: Eignet sich Ethanol?

Von Ethanol wird dringendst zu 100% abgeraten. Es ist niedrigsiedend. Es hat ein hohes Risiko für Brand, Explosion und Gesundheit! Ja es hat eine sehr hohe Kühlwirkung, aber nahezu keine Schmierwirkung.

Empfehlung von MMS

Ein gutes MMS muss unter anderem aufweisen können:
  1. Geringer Verdampfungsverlust
  2. hoher Flammpunkt
  3. hohe Viskosität (emissionsärmer)
  4. toxikologisch unbedenklich
  5. Wassergefährdungsklasse 1 oder nicht Wassergefährdend

Passende Werkzeuge / Wärmeentwicklung / Maschine

Die MMS ist keine Flutkühlung, sie ist nicht in der Lage hohe Wärmemengen abzutransportieren. Diese müssen bei MMS über den "heißen" Span schnell abgeführt werden. Richtige/hohe Schnittgeschwindigkeiten sind Voraussetzung. Moderne MMS-gerechte Werkzeuge (z.B. HPC Fräser - High Performance Cutter) sind oft mit polierter Schneide (Reibungsreduzierung) und thermisch isolierend Hartstoff beschichtet und haben spezielle Geometrie gegen Überhitzung.

Im Gegensatz zur Flutkühlung muss der Maschinenraum bei MMS schnell und vollständig von heißen/warmen Spänen befreit werden, damit durch den Wärmeeinfluss keine Maß- Form/Lagefehler am Werkstück entstehen können. Auch bei Hobby-Fräsern gilt: wird eine Platte hochgenau zerspant, so dürfen die warmen Späne nicht auf der Platte liegen bleiben!

Neuere "trockengerechte" Maschinen berücksichtigen bereits im Konzept die Trockenzerspanung, welche die Späneabfuhr für den Einsatz mit MMS sehr gut beherrschen. Von Trockenbearbeitung wird gesprochen, wenn weniger als 2-Massenprozent anhaftender Schmierstoff auf dem Span ist.  
Mehr dazu im vom Bund geförderten "Bericht zum Verbundprojekt Technologienetz Trockenbearbeitung" aus dem Jahr 2002. Wichtig zu verstehen ist die Paarung von zu zerspanendem Material und MMS und Werkzeug. Ein gutes Beispiel ist, manchmal funktioniert die Kombination mit einem zäherem HSS Fräser, i.Vgl. zum VHM Fräser und bei einer anderen Anwendung eben nicht, da sich Aufbauschneiden bilden, alles Einzelbetrachtungen. 

Seit 2003 fertigt Daimler in Großserie Hinterachsträger, trocken, mit Roboterbeschickung und 1400 Paaren /Tag bei einer Taktzeit von ~6 Minuten in 3 Aufspannungen und 27 Operationen (22 Werkzeuge/25 WZW) hier haben die einen Schmierstoffbedarf von etwa 1 ml/pro Bauteil.


Gesundheit / Emissionen

Bearbeitung mit MMS zählt als emissionsarm. Die entstehenden Dämpfe sind in einigen Messungen/Untersuchungen unter Einhaltung eines bereits veralteten und zurückgezogenen Grenzwertes der Arbeitsplatzkonzentration (MAK) von 10 mg/m³ KSS in Luft durchgeführt worden. 95% Der Messwerte waren deutlich unterhalb des Grenzwertes (4,85 mg/m³). Es konnte Nachgewiesen werden, dass Flutkühlung mehr Emissionen mehr Emissionen verursacht. Das wurde an einer Drehmaschine mit Flutkühlung und MMS getestet, bei einer Messung an einer Person, Bedienpult und im ... Abluftstrom. 
Es gilt folgende Faustregel je besser das System aufeinander abgestimmt ist, umso weniger Emissionen. 
Mehr dazu unter "Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung - DGVU - BGI/GZV-I-718 - Nov. 2010 Seite 59 ff."

Aus dem Informationsblatt lässt sich entnehmen, dass eine niedrige Viskosität (dünnflüssig) bei 40°C, zwischen 3-10 mm²/sec für die höchsten Emissionen sorgt. Die hochviskosen ab 20 mm²/sec zeigen deutlich geringere Emissionswerte. 
Damit das MMS schnell verdampft, werden oft niedrige Flammpunkte von <100°C eingesetzt. Niedrig Viskose Öle reagieren schnell bei geringer Belastung schon mit starker Rauch- und Nebelbildung. Daher wird empfohlen MMS mit Flammpunkt >150°C und höher Viskose zu verwenden. Bewährt sind MMS mit Flammpunkt von ~250°C. 
Mehr dazu unter: „Gefährdungsbeurteilung bei der Trockenbearbeitung metallischer Werkstoffe" und „Emissionsarme  Metallbearbeitung mit Minimalmengenschmierung“ unter www.bghm.de als Download. Es ist auch genormt siehe DIN EN ISO 2592 „Mineralölerzeugnisse – Bestimmung des Flamm- und Brennpunktes – Verfahren mit offenem Tiegel nach Cleveland“;

Es wird dennoch empfohlen, dass der verwendete Schmierstoff toxikologisch unbedenklich sein sollte. Achtet auf die Kennzeichnungen, auf die Wassergefährdungsklassen und die Einstufung. Am besten ist kein Warnschild drauf. 


Explosion und Brand

Normalerweise ist das Explosions- oder Brandrisiko hauptsächlich durch die Metallspäne und -Stäube verursacht. Bei Einsatz von Flammpunkt >150°C , einer Viskosität von >10 mm²/sec (Emissionsarm) und einer Menge von max. 100ml/h sei nicht mit einem explosionsfähigen Dampf/Luft Gemisch zu rechnen, auch nicht durch den Sprühvorgang. Unter Einhaltung dieser Bedingungen konnten auch 1000 ml pro Prozesstunde pro m³ Arbeitsraum, das sind ca. 15 ml/min pro m³ nicht gezündet werden. Siehe DGUV Information "Minimalmengenschmierung - Risiko von Bränden und Explosionen" -9/2017
Gefährlich sind Behälter mit Stäuben und Spänen (vor allem Alu und Magnesium), bei Aufwirbelung mit einer Partikelgröße >0,5mm. Deshalb den Spänebehälter abdecken mit einem Deckel, sowie absolutes Rauchverbot in dessen Nähe einhalten. 

Dickere Ablagerungen (Metallspäne/Öl) erhöhen das Brandrisiko, deshalb Reinigen, siehe unter Punkt "Reinigen".

Wichtig: Bei Aufwirbelung von trockenen feinen Metallstäuben besteht unter Umständen auch Explosionsgefahr. Zum Beispiel beim Absaugen mit dem Hausstaubsauger, welcher keinen antistatischen/geerdeten Schlauch hat, siehe auch unter TRGS 727 - Januar 2016 - 6.2. Schüttgüter bei Abwesenheit brennbarer Gase und Dämpfe und noch wichtiger siehe 6.2.2 - Punkt 2. Hier wird von Aufladung und isolierenden Schläuchen geschrieben.

Wer in seinem Keller oder auf dem Dachboden fräst sollte für "Arbeitsplatzlüftung" sorgen. Es gibt auch Geräte, welche die Luftreinheit überwachen. Ist der Hobbykeller klein, empfiehlt sich solch eine Anschaffung eher.

In Deutschland gilt CE, d.h. die Maschinenrichtlinie, d.h. der Hersteller der Anlage führt in der Betriebsanleitung den Punkt Brand- und Explosionsschutz auf. 
Für noch mehr Infos siehe auch: "Brand- und Explosionsschutz an Werkzeugmaschinen“ (BGI/GUV-I 719)"

Achtet bitte darauf dass eure Eigenbau-CNC komplett geerdet ist, egal welches Bauteil ihr anfasst und egal ob aus Holz/Kunststoff oder Beton, alle Metallteile und NE-Metalle müssen geerdet sein.


Absaugung 

Die entstehenden Emissionen sollten zur Einhaltung der Arbeitsplatzgrenzwerte abgesaugt werden. Weitere Vorteile sind:
  • Bei Absaugung Minimierung der Brand und Explosionsgefahr
  • Bei viel Einsatz: Reduzierung Reinigungsaufwand und Verbesserung Sauberkeit der Maschine
MMS-Absauganlagen müssen Aerosole/Metallstäube filtern können, neue Konzepte, oft wird an der Spindelstelle /-kasten abgesaugt. Im Maschineninneraum sollte ein minimaler Unterdruck herrschen, welcher beim Öffnen der Tür automatisch nachgeregelt wird, damit nichts "rauskommt". Volumenstromgeschwindigkeiten von mehr als 20 m/s sind anzustreben, damit die Schläuche sauber bleiben und sich nichts ansammelt. Achtung, zu hohe Absauggeschwindigkeiten verstopfen das Spänegitter an der Absaugstelle, hier gilt Prallblech oder Tropfenfänger (Blech, Sieb) installieren. 
Es sind auch Abluft-Absauganlagen möglich, diese müssen für die Reinhaltung der Luft Grenzwerte einhalten (TA-Luft). 


Reinigung

Feiner Staub, Späne, Öl lagert sich je nach KSS Zusammensetzungs-Basis als klebrige Schmutzschicht im Arbeitsraum ab. In der Industrie zeigen sich zyklische Reinigungsintervalle mit Reinigungsplänen als gebräuchlich. Nach Arbeitsende reicht der regelmäßige Einsatz mit einem Lappen oder Besen aus. Es dürfen nicht vergessen werden, Sensoren, Schraubstöcke, Spanner, Absaugöffnungen, Führungen wenn offenliegend. Auf Reinigung bei stärkeren Verschmutzungen, mit z.B. Niederdruckgeräten bei 3bar und Trockeneis- oder CO2-Pellets-Reinigung wird hier nicht weiter eingegangen. Für Hobbymaschinen ist eine Reinigung unter Druck abzuraten, da Staubaufwirbelung, feinste Späne und Stäube dringen in die Abdichtungen ein. 
Wen Metall-Oberflächenreinigung interessiert kann mehr erfahren unter: http://www2.cleantool.org/lang/dt/start_d.htm

Die Reinigung muss bzgl. Reinigungsart, -verfahren, -abständen in der Betriebsanleitung der Werkzeugmaschine aufgeführt sein. Ansonsten gibt es Muster Reinigungspläne im Anhang 2 von "Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung - DGVU - BGI/GZV-I-718 - Nov. 2010 Seite 75.

Vergesst die PSA (Persönliche Schutzausrüstung) dabei nicht und habt keinen direkten Kontakt mit den Reinigern. Diese sind oft aggressiv und schädigend. In manchen Laboren existieren Hautschutzpläne und es werden Hautcremes angeboten.



Reste 

Es hat sich gezeigt das nach dem Verdampfen beim MMS auf Fettalkoholbasis minimale Schmiermittelreste auf Werkzeug und Werkstück verbleiben. Diese können zwar vor Korrosion schützen, behindern aber nachfolgende Prozesse wir Schweißen, Kleben, Lackieren, Eloxieren, Hartcoatieren. Reinigung ist hier erforderlich.


Produktempfehlungen

KEINE :-) 


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