Optimierung der Staub- und Späneerfassung in
stationären Holzbearbeitungsmaschinen

Von der Gemeinsamen Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik 
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

zur Erlangung der Würde
eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation

von

Dipl.-Ing. Jörn Blecken

Eingereicht am: 2.04.2004

Danksagung

[in Downloaddatei enthalten]

Inhalt
Abbildungsverzeichnis ... 7
Tabellenverzeichnis  ... 12
Formelzeichen und Abkürzungen  ... 13

1 Einleitung und Problemstellung  ... 19

2 Stand der Erkenntnisse  ... 22
2.1 Staub- und Späneemissionen in der Holzbranche  ... 23
2.1.1 Definition von Staub und Spänen ... 24
2.1.2 Gesundheitsgefährdung durch Holzstaub  ... 26
2.1.3 Staubemissionen als Wirtschaftsfaktor  ... 27
2.1.4 Gesetzliche Vorschriften und Richtlinien  ... 29
2.1.5 Möglichkeiten zur Reduzierung der Holzstaubkonzentration  ... 30
2.2 Absaugeinrichtungen an stationären Holzbearbeitungsmaschinen  ... 31
2.3 Forschungsansätze  ... 37
2.4 Fazit zum Stand der Erkenntnisse  ... 42

3 Zielsetzung  ... 44

4 Grundlagen ... 46
4.1 Kenngrößen zur Erfassung von Holzstäuben und -spänen  ... 46
4.1.1 Schwebegeschwindigkeit  ... 50
4.1.2 Arbeitsgeschwindigkeit  ... 51
4.1.3 Erfassungsgrad  ... 52
4.2 Kenngrößen zur Förderung von Holzstäuben und -spänen ... 53
4.2.1 Kritische Fördergeschwindigkeit  ... 57
4.3 Numerische Optimierung von Absaugsystemen  ... 58

5 Erfassungstechnische Untersuchungen zur Staub- und Späneerfassung  ... 61
5.1 Siebanalyse der entstehenden Staub- und Spänepartikel  ... 63
5.2 Untersuchung charakteristischer Kenngrößen im Strömungskanal  ... 67
5.2.1 Aufbau des Strömungskanals  ... 67
5.2.2 Partikelförderung in unbeeinflusster Strömung ... 70
5.2.3 Aktive und passive Beeinflussung der Partikelförderung ... 78
5.3 Einfluss der Zerspanung auf Staub- und Spänepartikel 94
5.3.1 Einfluss der Werkzeugumströmung auf Staub und Späne  ... 95
5.3.2 Wirksamkeit ausgewählter Dichtprinzipien bei der Zerspanung  ... 98
5.3.3 Vermeidung der Doppelzerspanung ... 100
5.3.4 Untersuchung von Staub- und Spänestreufeldern  ... 104
5.3.5 Fazit der technologischen Untersuchungen  ... 107

6 Entwicklung optimierter Absaughauben ... 109
6.1 Anforderungen an optimierte Absaugeinrichtungen  ... 109
6.2 Vorgehensweise bei der Entwicklung  ... 110
6.3 Konzept 1: Absaughauben mit aktiver und passiver Abdichtung  ... 112
6.3.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 1  ... 113
6.3.2 Erprobung und Optimierungsansätze bei Konzept 1  ... 116
6.4 Konzept 2: Werkzeugangepasste Absaughaubenelemente ... 121
6.4.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 2  ... 121
6.4.2 Erprobung und Optimierungsansätze bei Konzept 2 ... 124
6.5 Konzept 3: Strömungs- und dichtungsoptimierte Universalhauben  ... 126
6.5.1 Entwicklung von Absaughauben nach Konzept 3  ... 159
6.5.2 Erprobung von Konzept 3 und Pilotanwendungen in der Industrie ... 165
6.5.3 Optimierungsansätze und Studie für die 5-achsige Bearbeitung  ... 140
6.6 Fazit der Prototypenentwicklung  ... 144

7 Zusammenfassung  ... 147

8 Literatur  ... 150

9 Anhang  ... 160
9.1 Messmittel  ... 160
9.2 Berechnung der notwendigen Leistung einer Absauganlage  ... 161
9.3 Theoretische Verzögerung des Spanfluges durch einen Luftfreistrahl  ... 166

1 Einleitung und Problemstellung

Die Bearbeitung von Holz ist wie bei keinem zweiten Werkstoff mit dem Einsatz zerspanender Fertigungsverfahren verbunden. Angefangen von der Gewinnung der Rohholzsorten durch Schlagen oder Sägen über das Entasten und Zerlegen des Baumstammes in kommissionierbare Rohteile bis hin zur Endbearbeitung durch Fräsen oder Schleifen muss Holz spanabhebend verarbeitet werden.

Mit dem Holzzerspanungsprozess geht zwangsläufig die Erzeugung von Abfallprodukten in Form von Stäuben und Spänen einher, die aus Gründen des Gesundheitsschutzes, der Brand- und Explosionsgefahr, des Maschinen- und Werkzeugverschleißes sowie der Werkstückqualität beseitigt werden müssen [WOL02, EIN02, SEE99, HOF01b]. Da Holz und Holzwerkstoffe aufgrund ihrer hydrophilen Werkstoffeigenschaft fast ausschließlich trocken bearbeitet werden müssen, können die entstehenden Staub- und Spänepartikel nicht, wie beispielsweise in der Metallzerspanung üblich, mit Hilfe flüssiger Kühlschmierstoffe gebunden und abtransportiert werden.

Als die vielseitigste und einfachste Möglichkeit zur Beseitigung von Holzstäuben- und -spänen aus dem Zerspanungsbereich der Maschinen hat sich letztlich die pneumatische Förderung durchgesetzt. Die Strömungsfördertechnik ermöglicht nicht nur eine berührungslose Erfassung der Partikel in einem kontinuierlichen Luftstrom, sondern auch den gezielten Transport des Fördergutes an entsprechende Filter- und Siloanlagen [BUH89, WEB74].

Während in den vergangenen Jahren die Absauganlagentechnik im Bereich der Ventilatoren und Steuerungen spürbare Fortschritte gemacht hat, änderte sich wenig an der Gestaltung der Staub- und Späneerfassungseinrichtungen insbesondere an stationären Holzbearbeitungsmaschinen. Die dort eingesetzten Absaughauben bestehen heute unverändert aus strömungsungünstigen, kastenförmigen Stahlblechkonstruktionen, die zum Werkstück nur unzureichend mit Bürsten- oder Elastomerlammellen abgedichtet werden. Die ineffiziente Auslegung von Erfassungseinrichtungen an den immer leistungsfähigeren Holzbearbeitungsmaschinen hat jedoch eine ganze Reihe technischer und wirtschaftlicher Probleme zur Folge.

Der in den letzten Jahren anhaltende Trend zu einer steigenden Kundenorientierung zwingt nach wie vor auch die Hersteller der Holz- und Möbelindustrie zur Flexibilisierung ihrer Prozesse. Bezogen auf die zerspanende Fertigung ergeben sich daraus kleine Losgrößen, hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und eine große Vielfalt der zum Einsatz kommenden Werkzeuge. Die hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten an den Bearbeitungsmaschinen sind schließlich die Ursache dafür, dass Staub- und Spänepartikel in großer Menge erzeugt und auf hohe Fluggeschwindigkeiten beschleunigt werden. Beides erschwert die pneumatische Erfassung der Staub- und Spänepartikel.

Eindringender Feinstaub ist in der Holz- und Möbelbranche nicht selten die Ursache für Ausfälle an elektrischen Anlagen. Die vom Werkzeug auf Schnittgeschwindigkeit beschleunigten Staub- und Spänepartikel führen zudem durch Kollision mit Maschinenteilen zu einem stark abrasiv wirkenden Sandstrahleffekt. In der Laminatbodenfertigung sorgen beispielsweise die korundhaltigen Flugspäne für einen hohen Verschleiß an Absaughauben und Kettenförderern für den Werkstücktransport, der einen Austausch der betroffenen Teile im Jahresrhythmus notwendig macht [HOF01a].

Die bisher erwähnten Probleme gelten prinzipiell für den gesamten Bereich der industriellen Holzzerspanung. Im Gegensatz zur Durchlauffertigung treten jedoch bei der stationären Holzbearbeitung auf Oberfräsen und Bearbeitungszentren noch einige Schwierigkeiten hinzu. Dies ist im wesentlichen auf die dort vorhandenen, ungünstigen absaugtechnischen Voraussetzungen, aber auch auf die ineffiziente Gestaltung der Absaughauben zurückzuführen.

Bei Stationärmaschinen wirkt sich die Vielzahl der heute eingesetzten Werkzeuge mit stark voneinander abweichenden Auswurfrichtungen der abgetrennten Partikel erschwerend auf eine effiziente Staub- und Späneerfassung aus. Quer oder entgegen der Absaugrichtung fliegende Partikel lassen sich jedoch allein durch die Absaugströmung schlecht erfassen, da sie deren wirksamen Einflussbereich zu schnell verlassen. Wenn außerdem die Leckage an den verwendeten Dichtungssystemen zu hoch ist, treten Staub und Späne aus dem Zerspanungsbereich aus und setzen sich auf dem Werkstück und der Maschine ab. Eine strömungsungünstige Bauweise der Absaughauben, die hohe Druckverluste und zu niedrige Strömungsgeschwindigkeiten mit sich bringt, verstärkt dieses Problem. Die Sicherheit der meist auf der Vakuumtechnik basierenden Werkstückspannung wird in der Stationärbearbeitung durch die Verunreinigung mit Holzstäuben beinträchtigt. Ein nicht ausreichender Festsitz der Werkstücke während der Zerspanung führt zum Ausschuss des Teils, zu höherem Werkzeugverschleiß oder Schneidenbruch und schlimmstenfalls zu Unfällen mit Personenschaden. Als Konsequenz wird heute üblicherweise nach jedem Werkstückwechsel eine Reinigung von Maschinenbett und Spannelementen vorgenommen, die nahezu ausnahmslos manuell und dazu meist unzulässigerweise mit Druckluft erfolgt. Neben der dadurch entstehenden Staubbelastung der Arbeitsumgebung kostet dieser Reinigungsvorgang Zeit und Geld durch höhere Nebenzeiten und den Einsatz von Druckluft.

Die Summe aller genannten Probleme führt letztlich zu einer sinkenden Verfügbarkeit der eingesetzten Produktionsmittel und damit zu steigenden Produktionskosten. Dieser Effekt tritt verstärkt in der stationären Holzbearbeitung auf, da hier die Folgen der zunehmenden Flexibilisierung mit größerer Produkt- und Werkzeugvielfalt am deutlichsten spürbar und die physikalischen Voraussetzungen für eine vollständige Staub- und Späneerfassung am schlechtesten sind. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Optimierung der Staub- und Späneerfassung an stationären CNC-Holzbearbeitungsmaschinen, wobei der Schwerpunkt auf Bearbeitungszentren liegen soll. Die Motivation dazu ist eine geplante Senkung der Produktionskosten durch den Entfall der manuellen Nachreinigung staubbelasteter Bereiche, die Reduzierung von Druck- und Leckageverlusten an den Absaughauben und die Verringerung des Ausschussanteils infolge staubbedingter Qualitätsmängel der Produkte.

2 Stand der Erkenntnisse

In der Holzbe- und -verarbeitung ist die Staub- und Späneerfassung aus den unterschiedlichsten Gründen unverzichtbar. Neben dem gesundheitstechnischen Hintergrund spielen insbesondere technologische, wirtschaftliche und qualitätstechnische Aspekte eine wesentliche Rolle. Die Motivation für den Einsatz effektiver Absaughauben liegt deshalb darin, den Menschen vor den schädlichen Wirkungen einatembarer Stäube zu bewahren, den Verschleiß an Werkzeugen und Messmitteln zu reduzieren, die Absaugkosten und den Aufwand der Werkstück- und Maschinenreinigung zu senken sowie die Brand- und Explosionsgefahr in den Holzbetrieben zu vermeiden (Bild 2.1).

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