Wirkung neuartiger KSS mit veränderten Inhaltsstoffen auf die Langzeitbeständigkeit von Polycarbonat als Sichtschutzfenster in der spanenden Bearbeitung (KSS-PC)

Einleitung

Seit dem der Werkstoff Polycarbonat (PC) in trennenden Schutzeinrichtungen (TSE) von Werkzeugmaschinen eingesetzt wird, ist eine Vielzahl an Untersuchungen hinsichtlich der Alterung von PC durchgeführt worden. Bekannt und auch in geltenden Richtlinien festgehalten ist, dass die Alterung von PC eine Reduzierung der Rückhaltefähigkeit Y bewirkt. Gesetzliche Vorgaben für die Herstellung von Kühlschmierstoffen (KSS) führen zu Modifikationen der Inhaltsstoffe. Es besteht der Verdacht, dass diese neuen Kompositionen der KSS möglicherweise zu einer beschleunigten Alterung von PC führen.

Wissenschaftler des Instituts für Werkzeug­maschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin untersuchen deshalb in Kooperation mit dem Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.v. (VDW), ob ein verstärkter Einfluss neuartiger KSS auf den Alterungsprozess von PC dargestellt werden kann. An gealtertem PC wird die Rückhaltefähigkeit Y im Aufprallversuch sowie die Bruch­dehnung εb im Zugversuch ermittelt. Außerdem werden Untersuchungen hinsichtlich der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung (ESC) mit verschiedenen Referenzfluiden durchgeführt. Die hier präsentierten Ergebnisse sollen zukünftig in ein Modell einfließen, mit dem die Alterung von PC bei der Simulation von Aufprallprüfungen berücksichtigt werden kann.

Trennende Schutzeinrichtungen

TSE in Werkzeugmaschinen verhindern die Zugänglichkeit von Gefahrenstellen und schützen im Betrieb vor herausfliegenden Spänen, Fragmenten von Werkstücken oder Werkzeugen sowie vor Kühlschmierstoff [1, 2]. Um eine Beobachtung des Bearbeitungsprozesses während der Zerspanung zu ermöglichen, sind Sichtscheiben ein Bestandteil der TSE [2]. PC eignet sich wegen des hohen spezifischen Durchdringungswiderstandes WD,spez aufgrund der Duktilität und der Transparenz besonders als Werkstoff für Sichtscheiben [3, 4]. Nach aktuellem Stand der Forschung bestehen Sichtscheiben von TSE im einfachen Fall aus ungeschütztem PC, in komplexeren Varianten aus einem Verbund mehrerer PC-Sichtscheiben [1]. PC unterliegt einem Alterungsprozess, der einen erheblichen Rückgang der Rückhaltefähigkeit Y bewirkt [1, 3, 5, 6]. Die Langzeitbeständigkeit von PC wird in geltenden Richtlinien zur Sicherheit von TSE berücksichtigt [5, 7, 8,]. So wird in der DIN EN ISO 16089 [5] festgeschrieben, dass PC-Sichtscheiben gegen Alterungseinflüsse zu schützen sind und auf deren begrenzte Lebensdauer tL in der Betriebsanleitung hinzuweisen ist. Ungeschützte PC-Sichtscheiben weisen einen sinkenden Aufprallwiderstand RA in Abhängigkeit der Lebensdauer tL auf, siehe Bild 1. Als Einflussfaktoren für die Abnahme des Aufprallwiderstandes RA bei zunehmendem Alterungsprozess können der Kontakt mit KSS, der Aufprall von Spänen, die Bestrahlung mit UV Licht, der Einfluss von der Temperatur ϑ sowie der Kontakt mit Reinigungsmitteln genannt werden [4].

Alterung von Polycarbonat

PC gehört zu den amorphen Thermoplasten, welche nicht vernetzte Kunststoffe sind, die aus physikalisch untereinander gebundenen Makromolekülketten bestehen [9]. Die Alterung von Thermoplasten wird durch Affolter [9] in

• die Alterung durch Autooxidation,
• die Alterung durch Chemikalien (bei gleichzeitiger Spannungsinduktion) sowie
• in die Alterung durch biogene Vorgänge

unterteilt. Die Alterung durch Autooxidation, der Reaktion zwischen einem Gas und einer festen Phase, ist in die thermooxidative und die photooxidative Alterung unterteilt. Die dadurch ausgelösten chemischen und physikalischen Werkstoffveränderungen sind nicht reversibel. Die Alterung durch Chemikalien wird in die Mechanismen Quellen, Diffusion und Hydrolyse unterteilt. Die biogene Alterung wird durch biochemische und biophysikalische Vorgänge hervorgerufen. Die Wirkung von KSS auf PC beschränkt sich hierbei vor allem auf die Alterung durch Chemikalien sowie durch Thermooxidation [10]. Dabei lagern sich bspw. bevorzugt Methylenchlorid und Chloroform an die Carbonatgruppe an oder die Rissbildung wird durch hohe Konzentrationen c von Neon, Argon sowie Sauerstoff gefördert [10].

Veränderte Kühlschmierstoffe

Seit 2007 werden verschärfte EU Richtlinien im Rahmen der europäischen REACH-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt eingeführt [11]. Aufgrund der REACH-Verordnung müssen Hersteller die Zusammensetzung von KSS verändern. Die modifizierte Zusammensetzung führt zu einem Angebot von möglicherweise kritischen KSS-Technologien auf dem Markt, bei denen die Vermutung besteht, dass diese einen negativen Einfluss auf die Langzeitbeständigkeit von PC-Sichtscheiben haben. Dabei besteht der Verdacht, dass unter anderem eine erhöhte Alkalität des Gemisches (pH > 9,0) sowie der Einsatz von Phenoxyethanol (PE) oder Dicyclohexylamin (DCHA) für einen negativen Einfluss verantwortlich sein können [12, 13]. Eine reduzierte Langzeitbeständigkeit von PC-Sichtscheiben aufgrund der Alterung durch Chemikalien oder Autooxidation stellt aktuell ein potentielles Sicherheitsrisiko bei nach geltenden Richtlinien ausgelegten Bearbeitungszentren dar. Hersteller von Werkzeugmaschinen können weder gültige Angaben bezüglich der Sicherheit im Bearbeitungszustand noch gültige Instandhaltungshinweise geben. Gleichzeitig bedeutet dies für den Anwender, dass keine Gewährleistung der erforderlichen Sicherheitsanforderungen besteht. Im Extremfall kann dies zu einem Versagen von PC-Sichtscheiben mit einem Personenschaden führen.

Untersuchungen an Polycarbonat

Aufgrund der zuvor beschriebenen Herausforderungen wird im nachfolgenden Abschnitt der Einfluss von unterschiedlichen Fluiden auf den Rückgang der Rückhaltefähigkeit Y von PC untersucht. Zusammen mit einer Expertenkommission des Vdw Forschungsinstitutes e.v.wurden zu Beginn des Vorhabens die folgenden Randbedingungen der Untersuchungen festgelegt. Eingesetzt werden zwei KSS-Kompositionen, die sich lediglich in einem Inhaltsstoff unterscheiden. Das KSS „VSI 034 DCHA“ enthält DCHA, das KSS „VSI 034 PE“ enthält PE.

Zur Ermittlung des Einflusses der Wasseranteile θW der KSS werden die Untersuchungen zusätzlich mit einem Fluid aus 10° dH Wasser durchgeführt. Um das Einwirken der Fluide auf PC zu simulieren, werden Alterungsversuche durchgeführt. Dabei sind ungeschützte PC-Sichtscheiben für die Aufprallversuche sowie PC-Proben für die Zugversuche mit Alterungsdauern tA von 0 Wochen ≤ tA ≤ 10 Wochen in einem Alterungsversuchsstand je einem der Fluide mit der Temperatur ϑFl = 45 °C ausgesetzt. Während des Alterungsprozesses werden diese mit der Intervalldauer tI = 10 min/h mit dem Fluid besprüht. Da die Langzeitbeständigkeit von PC-Sichtscheiben durch Aufprallprüfungen bestimmt werden kann [1], werden für die Ermittlung der Rückhaltefähigkeit Y Aufprallversuche durchgeführt. Durch Zugversuche sollen potentielle Veränderungen der Bruchdehnung εb von PC-Proben ermittelt werden. Zusätzlich werden Untersuchungen der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung (ESC) des PC im Biegestreifenverfahren nach DIN EN ISO 22088 1 [14] durchgeführt, siehe Bild 2.

Die Untersuchungen der ESC des PC im Biegestreifenverfahren dienen dem Vergleich der Wirkung unterschiedlicher KSS hinsichtlich ungeschütztem PC unter mechanischer Spannung. Für die Untersuchung im Biegestreifenverfahren wird eine PC-Probe unter Spannung einem Fluid ausgesetzt und nach festgelegten Kontaktzeiten tK einer Sichtprüfung unterzogen. Die Dauer tPb bis zum Probenbruch wird gemessen und die Probe anhand der Kriterien aus Tabelle 1 bewertet. Diese Untersuchung wird mit den folgenden 13 verschiedenen Fluiden durchgeführt:

• elf VSI-Referenzfluide aus Tabelle 2,
• mineralölbasiertes KSS ohne durch REACH veränderte Inhaltsstoffe („old fashion“) sowie
• standardisiertes 10° dH Wasser.

Biegestreifenverfahren

Die Ergebnisse des Biegestreifenverfahrens lassen vermuten, dass der Einfluss der Wasseranteile θW der KSS auf den Rückgang der Rückhaltefähigkeit Y von PC gering ausfällt. Auch nach der Einwirkdauer tEw = 120 min sind keine Beschädigungen auf der Oberfläche der PC-Probe zu erkennen. Bei allen esterbasierten KSS ist die Einwirkdauer tEw,A1 bis zum Eintreten der ersten Spannungsrisse (Versagenskriterium A 1) kürzer als tEw,A1 ≤ 5 min. Deutliche Spannungsrisse (Versagenskriterium A 2, siehe Bild 3) sind nach weniger als der Einwirkdauer tEw,A2 ≤ 15 min sichtbar. Eine ähnlich kurze Einwirkdauer tEw bis zum Erreichen der Versagenskriterien A 1 oder A 2 weisen auch die zwei mineralölbasierten KSS „VSI 034 PE“ sowie „old fashion“ auf. Dies lässt vermuten, dass Ester und PE einen negativen Einfluss auf die Rückhaltefähigkeit Y von PC haben. Die übrigen mineralölbasierten KSS weisen eine deutlich verlängerte Einwirkdauer tEw,A2 von 50 min ≤ tEw,A2 ≤ 90 min (A 2) auf, bei sämtlichen PAG-basierten KSS beträgt die Einwirkdauer tEw,A2 bis zum auftreten deutlicher Spannungsrisse von 90 min ≤ tEw,A2 ≤ 105 min (A 2).

Zugversuche nach einer Alterung an Polycarbonat

Um potentielle Veränderungen der Bruchdehnung εb von PC-Proben zu ermitteln, werden Zugversuche durchgeführt. Dafür werden je Alterungswoche w fünf PC-Proben zur Alterung dem KSS „VSI 034 DCHA“ ausgesetzt und anschließend einem Zugversuch unterzogen. Zwischen PC-Proben mit den Alterungsdauern tA0 und tA1 reduziert sich die Bruchdehnung εb von εb0 ≈ 90 % auf εb1 ≈ 60 %, siehe Bild 4. Die weitere Alterung bis zu einer Alterungsdauer von tA10 bewirkt jedoch keinen weiteren Rückgang der Bruchdehnung εb. Die Längenänderung Δl der Zugproben mit einer Ausgangslänge von l0 = 50 mm reduziert sich von Δl0 = 35 mm auf Δl10 = 25 mm, siehe Bild 5.

Aufprallprüfungen nach einer Alterung an Polycarbonat

Zur Ermittlung potentieller Veränderungen der Rückhaltefähigkeit Y werden Aufprallprüfungen mit PC-Sichtscheiben durchgeführt, die ebenfalls mit dem KSS „VSI 034 DCHA“ mit Alterungsdauern tA von 0 Wochen ≤ tA ≤ 10 Wochen gealtert werden. Dafür werden je Alterungswoche w fünf PC-Sichtscheiben dem Alterungsprozess ausgesetzt und anschließend einer Aufprallprüfung unterzogen. Anschließend wird bewertet, ob die PC-Sichtscheibe die Prüfung bestanden hat, siehe Bild 6 a, oder durchgefallen ist, siehe Bild 6 b. Mit dem DCHA-haltigen KSS konnte für die Alterungsdauern von tA ≤ 10 Wochen kein Rückgang der Rückhaltefähigkeit Y ermittelt werden, siehe Bild 7.

Zusammenfassung und  Ausblick

In den dargestellten Ergebnissen wird ersichtlich, dass im untersuchten Zeitraum mit der Alterungsdauer tA10 bei einer Fluidtemperatur von JFl = 45 °C und einer Bewirkung mit der Intervalldauer tI = 10 min/h in einer aerosolen Umgebung mit dem KSS „VSI 034 DCHA“ kein deutlicher Rückgang der Rückhaltefähigkeit Y bei den verwendeten PC-Sichtscheiben festgestellt werden konnte. Ebenso hat sich die Bruchdehnung εb der PC-Proben durch die dargestellte Alterung nicht kontinuierlich reduziert. Mit dem Biegestreifenverfahren wurde eine kürzere Einwirkdauer tEw,A2 bis zu einer deutlichen Rissbildung (A 2) unter Spannungseinfluss mit dem PE-haltigen KSS ermittelt. Daher ist für einen abschließenden Vergleich der Abschluss der Untersuchungen mit den Fluiden „VSI 034 PE“ und dem 10° dH Wasser erforderlich. In folgenden Vorhaben gilt es zu untersuchen, inwiefern die Alterungsdauer tA sowie die Intervalldauer tI einen Einfluss auf die Alterung von PC haben. Dabei soll untersucht werden, ob eine Korrelation zwischen den Ergebnissen der Biegestreifenverfahren mit den Ergebnissen der Aufprallprüfungen und Zugversuche besteht.

Nach dem aktuellen Vorhaben sollen Untersuchungen mit einem größeren Umfang und einer längeren Alterung der PC-Sichtscheiben durchgeführt werden. Dabei ist auch der Einfluss von KSS auf beschichtete PC-Proben zu berücksichtigen. Zudem soll ein erweiterter Handlungsbedarf für weiterführende Untersuchungen hinsichtlich der Wirkung kri­-
tischer KSS auf PC-Sichtscheiben sichtbar werden. Geplant werden Untersuchungen hinsichtlich der folgenden Zusammenhänge:

• Einfluss definierter Zusammensetzungen kritischer KSS auf die Langzeitbeständigkeit von PC-Sichtscheiben,
• Berücksichtigung der Schädigung beschichteter PC-Sichtscheiben durch den Aufprall KSS getränkter Späne sowie
• Untersuchung der Wirkung kritischer KSS auf die Verbindungsstelle zwischen Sichtscheibenverbund und Rahmen.
• Das Ziel ist die numerische Simulation von Aufprallprüfungen zur Ermittlung der Rückhaltefähigkeit Y. Hierfür ist die Erstellung eines PC-Werkstoffmodells, welches die Alterung von PC berücksichtigt, erforderlich.

---

Danksagung

Die Autoren bedanken sich beim Vdw Forschungsinstitut e.v. für die Unterstützung des Forschungsvorhabens. Der Vdw Forschungsinstitut e.v. fördert Wissenschaft, Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet „Fertigungstechnik Metall“ mit den Schwerpunkten Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnologien.

Quellen

1. Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung; Fachausschuss Maschinenbau, Fertigungssysteme, Stahlbau; Fachausschuss – Informationsblatt Nr. 040: Schutzscheiben an Werkzeugmaschinen der Metallverarbeitung.
2. DIN EN 12417, (07.2009) Werkzeugmaschinen – Sicherheit – Bearbeitungszentren. Berlin: Beuth.
3. Uhlmann, E.; Duchstein, B.: Polycarbonat im Werkzeugmaschinenschutz – Potentiale, Risiken und Lösungen. Futur – Vision Innovation Realisierung (2008) 03, S. 6 – 8.
4. Uhlmann, E.; Duchstein, B.: Aufprallprüfungen an definiert gealterten Polycarbonat Sichtscheiben. Futur – Vision Innovation Realisierung (2010) 01, S. 6 – 7.
5. DIN EN ISO 16089, (06.2016) Werkzeugmaschinen – Sicherheit – Ortsfeste Schleifmaschinen. Berlin: Beuth.
6. Mewes, D.; Trapp, R. P.: Impact Resistance of Materials for Guards on Cutting Machine Tools Requirements in Future European Safety Standards. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics 6 (2000) 4, S. 507 – 520.
7. DIN EN ISO 14120, (05.2016) Sicherheit von Maschinen – Trennende Schutzeinrichtungen – Allgemeine Anforderungen an Gestaltung und Bau von feststehenden und beweglichen trennenden Schutzeinrichtungen. Berlin: Beuth.
8. DIN EN ISO 23125, (04.2015) Werkzeugmaschinen – Sicherheit – Drehmaschinen. Berlin: Beuth.
9. Affolter, S.; Langzeitverhalten von Thermoplasten. Innerstaatliche Hochschule für Technik NTB (Hrsg). Buchs, Schweiz, 2002.
10. Bold, J.; Trennende Schutzeinrichtungen für Werkzeugmaschinen zur Hochgeschwindig-keitsbearbeitung. Fraunhofer IRB Verlag. Berlin, Deutschland, 2004.
11. ECHA European Chemicals Agency, Agentur der Europäischen Union: Reach verstehen. URL: https://echa.europa.eu/de/regulations/reach/understanding-reach (Zugriff: 2018 01 15).
12. Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 611, (05.2007) Verwendungsbeschränkungen für wassermischbare bzw. wassergemischte Kühlschmierstoffe, bei deren Einsatz N-Nitrosamine auftreten können. Dortmund: BAuA.
13. Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 615, (05.2007) Verwendungsbeschränkungen für Korrosionsschutzmittel, bei deren Einsatz N-Nitrosamine auftreten können. Dortmund: BAuA.
14. DIN EN ISO 22088-1, (11.2006) Kunststoffe – Bestimmung der Beständigkeit gegen umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (ESC) – Teil 1: Allgemeine Anleitung. Berlin: Beuth.
15. DIN EN ISO 22088-3, (11.2006) Kunststoffe – Bestimmung der Beständigkeit gegen umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (ESC) – Teil 3: Biegestreifenverfahren. Berlin: Beuth.

Autoren

M.Sc. Kai Haberbosch,
M.Sc. Simon Thom,
Dr. Ing. Mitchel Polte,
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Technische Universität Berlin
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrik-betrieb
Pascalstr. 8 – 9, 10587 Berlin