Die meisten Artikel zum Thema nachhaltige Zerspanung beginnen mit energieeffizienten Spindeln. Das ist jedoch der falsche Ansatz, denn bei den meisten bearbeiteten Teilen macht der Stromverbrauch für die Zerspanung nur einen kleinen Bruchteil ihrer Gesamtumweltbelastung aus. Der entscheidende Faktor ist das Metall selbst: Wie viel davon wurde produziert, wie viel wurde eingekauft und wie viel davon ist als Späne übrig geblieben?.
Das ist praktisch, denn es bedeutet, dass Nachhaltigkeit in einer Maschinenwerkstatt weitgehend mit Kostenkontrolle gleichzusetzen ist. Material, Energie, Kühlmittel und Werkzeuge sind allesamt Kostenfaktoren, und eine Reduzierung bei einem dieser Bereiche verbessert beide Kennzahlen gleichzeitig. Die Ausnahmen sollten offen genannt werden, und genau das tut dieser Leitfaden auch.
Wo die Auswirkungen tatsächlich zu spüren sind
Die Gewinnung von Metall aus Erz ist äußerst energieintensiv. Das anschließende Schneiden hingegen nicht. Der folgende Vergleich stützt sich auf veröffentlichte Näherungswerte für die graue Energie, die je nach Quelle, Region und Strommix der Hütte variieren. Betrachten Sie diese Werte daher eher als Größenordnungen und nicht als genaue Zahlen.
| Material | Ungefähre graue Energie | Wiederverwendete Route | Praktische Auswirkungen |
| Primäraluminium | Etwa 200 MJ pro kg | Durch Recycling lassen sich rund 95 Prozent einsparen | Die Rückgewinnung von Chips ist von enormer Bedeutung |
| Stahl | Etwa 20 bis 25 MJ pro kg | Die Strecke des Lichtbogens ist deutlich kürzer | Wird bereits in großem Umfang recycelt |
| Kupfer | Etwa 40 bis 60 MJ pro kg | Gut etabliertes Recycling | Hoher Schrottwert, sorgfältig sortieren |
| Titan | Mehrere hundert MJ pro kg | Begrenzt | Mit Abstand die größte Wirkung pro Kilogramm |
Daraus ergeben sich zwei Schlussfolgerungen. Erstens: Das Recycling von Aluminium verbraucht etwa ein Zwanzigstel der Energie, die bei der Herstellung aus Erz anfällt; was also mit Ihren Spänen geschieht, ist keine nebensächliche Frage. Zweitens: Titan enthält pro Kilogramm eine um eine Größenordnung höhere graue Energie als Aluminium, was bedeutet, dass die Entscheidung für Titan, wenn eine umweltfreundlichere Legierung ausreichen würde, die wichtigste einzelne Umweltentscheidung bei den meisten Konstruktionszeichnungen darstellt.
Diese Entscheidung liegt beim Designer, nicht beim Geschäft. Unser Leitfaden zu welche Legierungen verwendet werden sollen und wie sie sich bearbeiten lassen beschreibt, in welchen Bereichen jedes Material seinen Platz wirklich verdient, und weist darauf hin, dass ein Wechsel von Titan zu hochfestem Aluminium – sofern die Leistungsanforderungen dies zulassen – die Bearbeitungskosten drastisch senken kann. Auch in Bezug auf die Umwelt wirkt sich dies positiv aus.
Die Materialausnutzung ist der wichtigste Hebel
Da es sich bei der Zerspanung um einen subtraktiven Prozess handelt, ist das fertige Teil das, was übrig bleibt, nachdem der größte Teil des Rohmaterials in Späne umgewandelt wurde. Das Verhältnis zwischen beiden ist es wert, gemessen zu werden:
Materialausnutzung = Masse des Fertigteils ÷ Masse des zugekauften Rohmaterials
Bei einfachen prismatischen Teilen kann dieser Wert recht hoch sein. Bei Strukturbauteilen mit Aussparungen ist er oft sehr gering, sodass der Großteil eines teuren Rohteils im Spänebehälter landet. Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt stellen den Extremfall dar, bei dem die Einkaufsmasse ein Vielfaches der Fertigungsmasse betragen kann.
Near-Net-Lagerbestand und Lagerplanung
Die praktischen Maßnahmen sind zwar wenig glamourös, aber wirksam:
- Kaufen Sie Material, das dem fertigen Umhüllungskörper möglichst nahekommt. Auf Maß gesägte Rohlinge, Strangpressprofile mit einem dem Bauteil ähnlichen Profil oder „Near-Net“-Schmiedeteile und Gussteile reduzieren das Volumen, das weggefräst werden muss.
- Ordnen Sie die Teile effizient auf der Platte an, anstatt jeden Rohling einzeln zuzuschneiden.
- Standardisieren Sie die Lagergrößen innerhalb einer Teilefamilie, damit Reststücke aus einem Auftrag als Rohlinge für einen anderen Auftrag verwendet werden können.
- Reduzieren Sie die Baugrößen, soweit es die Funktion zulässt. Jeder Millimeter unnötiger Gesamtabmessungen muss eingekauft, transportiert und anschließend abgetragen werden.
- Denken Sie an additive, durch Zerspanung fertiggestellte „Near-Net-Shapes“ bei komplexen, in kleinen Stückzahlen gefertigten und hochwertigen Bauteilen. Dies ist zwar ein Nischenbereich, aber dort, wo er zum Einsatz kommt, ist er wirklich materialeffizient.
Chip-Trennung und -Rückgewinnung
Späne haben einen echten Wert, und wie mit ihnen umgegangen wird, entscheidet darüber, wie viel davon zurückgewonnen wird. Drei Faktoren mindern diesen Wert erheblich: das Vermischen von Legierungen, das Vermischen von Metallen und das Durchtränken der Späne mit Kühlmittel.
Ein Behälter mit sauberen, nach Legierungen sortierten 6061-Spänen ist deutlich mehr wert als die gleiche Masse an gemischten Spänen und kann in einen Recyclingkreislauf zurückgeführt werden, aus dem verwertbare Legierung entsteht, anstatt als minderwertiges Material entsorgt zu werden. Die Trennung nach Legierungen direkt an der Maschine – statt einer nachträglichen Sortierung – ist der einzige Ansatz, der in der Praxis zuverlässig funktioniert.
Kühlmittel, das zusammen mit den Spänen abtransportiert wird, bedeutet einen doppelten Verlust: Das Kühlmittel geht verloren und die nassen Späne haben einen geringeren Wert. Späne-Entwässerungszentrifugen und Brikettierpressen gewinnen einen erheblichen Teil dieser Flüssigkeit zurück, reduzieren das Transportvolumen und steigern den Wert der aus dem Werk abtransportierten Materialien. Für einen Betrieb, der große Spänemengen produziert, machen sich diese Anlagen oft allein durch die Kühlmittelrückgewinnung bezahlt.
Energie: Der Stromverbrauch beim Schneiden macht nur einen Bruchteil des Gesamtverbrauchs der Maschine aus
Eine Werkzeugmaschine besteht nicht nur aus einer Spindel. Kühlmittelpumpen, insbesondere Hochdruck-Durchflusssysteme, Späneförderer, Hydraulik, Führungsschmierung, Kältemaschinen und Pneumatik verbrauchen kontinuierlich Energie, unabhängig davon, ob das Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt steht oder nicht. Bei vielen Maschinen macht der eigentliche Zerspanungsvorgang nur einen geringen Anteil am Gesamtverbrauch aus.
Das verändert, was sich lohnt:
- Verkürzen Sie die Zykluszeit. Jede eingesparte Minute ist eine Minute für die gesamte Maschine, nicht nur für die Spindel. Dies ist der größte einzelne Hebel zur Energieeinsparung, der in einer Werkstatt zur Verfügung steht.
- Reduzieren Sie Leerlaufzeiten und Luftbewegungen. Lange Schnellläufe ohne Zerspanung und unnötige Werkzeugwechsel verursachen dieselbe Hilfslast wie die produktive Zeit.
- Befassen Sie sich mit dem Thema Druckluft. Luft ist in der Regel der teuerste Energieträger pro gelieferter Energieeinheit in einem Betrieb, und Leckagen kommen häufig vor. Eine Leckageuntersuchung ist eine der kostengünstigsten Maßnahmen, die es gibt.
- Schalten Sie die Geräte ordnungsgemäß aus. Maschinen, die über Nacht im Leerlauf bleiben und deren Pumpen und Kältemaschinen weiterlaufen, verbrauchen überraschend viel Energie, ohne dass dabei Leistung erbracht wird.
- Hilfsaggregate richtig dimensionieren und steuern. Frequenzumrichter an Kühlmittelpumpen und richtig ausgelegte Kältemaschinen senken den Dauerstromverbrauch.
- Rüstaufwand reduzieren. Weniger Rüstvorgänge bedeuten weniger Maschinenstunden und weniger Handhabungsaufwand für dasselbe Teil.
Zwei davon stehen im Zusammenhang mit Themen, die an anderer Stelle in diesem Blog behandelt werden. Die effiziente Verkürzung der Zykluszeit ist größtenteils eine Frage der Parameter und Werkzeugwege, die in unserem Leitfaden zu Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsen. Und die Auslastung hat eine energetische Dimension, die leicht übersehen wird: Da Hilfslasten unabhängig von der Leistung laufen, verteilt eine Maschine, die mehr Stunden pro Jahr Teile produziert, diesen Fixverbrauch auf mehr Teile, sodass der Energieverbrauch pro Teil sinkt. Das ist eines der weniger offensichtlichen Argumente für Maschinen im automatisierten Betrieb.
Kühlmittel: Der Kostenposten, den die meisten Werkstätten unterschätzen
Kühlmittel wird gekauft, gewartet, überwacht und schließlich als regulierter Abfall entsorgt. Studien zur Kostenstruktur in der Zerspanung haben ergeben, dass die mit Kühlmitteln verbundenen Kosten die Werkzeugkosten übersteigen können, was die meisten Menschen überrascht, da dem Werkzeugwesen weitaus mehr Aufmerksamkeit seitens des Managements zukommt.
Verlängerung der Lebensdauer des Kühlmittels
Meistens wird das Kühlmittel schon lange vor dem eigentlichen Zeitpunkt entsorgt, und die Ursachen dafür sind immer dieselben:
- Konzentrationsdrift. Wasser verdunstet, das Konzentrat hingegen nicht, sodass ein nur mit Wasser aufgefüllter Vorratsbehälter zunehmend an Konzentration verliert. Regelmäßige Überprüfungen mit dem Refraktometer und das Nachfüllen mit der richtigen Mischung verhindern dies.
- Schmutzöl. An der Oberfläche schwimmendes Schmier- und Hydrauliköl schließt Luft aus, wodurch anaerobe Bakterien wachsen können und der Geruch entsteht, der in der Regel zur Entsorgung führt. Skimmer und Koaleszenzfilter entfernen es.
- Mangelnde Belüftung. Zirkulierende Flüssigkeit bleibt aerob; stehende Flüssigkeit über ein Wochenende hingegen nicht.
- Feinstaub und Späneansammlungen. Durch die Filterung werden abrasive Partikel aus dem Kreislauf ferngehalten, was sowohl die Lebensdauer des Kühlmittels als auch die Pumpe vor Verschleiß schützt.
Ein überwachter Auffangbehälter mit Aufzeichnungen zu pH-Wert und Konzentration kann um ein Vielfaches länger halten als ein nicht überwachter. Das bedeutet weniger eingekauftes Konzentrat, weniger anfallende Sondermüllmengen und weniger Maschinenstillstandszeiten für Reinigungsarbeiten.
MQL, Trocken- und Kryobearbeitung
Unter bestimmten Umständen ist es möglich, auf Kühlmittel vollständig zu verzichten; es ist jedoch irreführend, dies als allgemeine Lösung darzustellen.
| Methode | So funktioniert es | Wo es hingehört |
| Minimalschmierung | Mikroliter Schmiermittel pro Stunde in einem Luftstrom statt als Flut | Aluminium, Gusseisen, zahlreiche Fräsbearbeitungen; trockenere Späne mit höherem Schrottwert |
| Trockenbearbeitung | Völlig ohne Kühlmittel, stattdessen kommen Werkzeugbeschichtungen und Spanabfuhr zum Einsatz | Gusseisen und bestimmte Aluminiumwerkstoffe lassen sich mit geeignetem Werkzeug bearbeiten |
| Kryogene Kühlung | Flüssigstickstoff oder CO₂ wird in den Schneidbereich geleitet | Titan- und Nickellegierungen; kein flüssiger Abfallstrom, aber echte Infrastrukturkosten |
Die tatsächlichen Grenzen spielen eine Rolle. Die Minimalmengenschmierung stößt in tiefen Bohrungen und geschlossenen Vertiefungen an ihre Grenzen, wo eher eine Spülung als eine Schmierung erforderlich ist und wo Hochdruck-Kühlmittel, das durch das Werkzeug geleitet wird, eine wesentliche Rolle beim Abtransport der Späne spielt. Diese Verfahren als universellen Ersatz für die Flutkühlung darzustellen, vermittelt ein falsches Bild ihrer Funktionsweise.
Werkzeuge: weniger Werkzeuge, die länger genutzt werden
Hartmetallwerkzeuge werden aus Wolfram hergestellt, einem Werkstoff, dessen Angebot begrenzt ist und dessen Produktion erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hat. Ein geringerer Werkzeugverbrauch senkt sowohl die Kosten als auch die Umweltbelastung, und die Möglichkeiten hierfür sind praktikabel:
- Korrekte Schnittparameter. Werkzeuge, die durch Reibung bei unzureichender Spandicke oder durch Ruckeln zerstört werden, stellen den größten vermeidbaren Verlust dar.
- Geringerer Überstand und bessere Halter. Durchbiegung und Rundlaufabweichung verkürzen die Standzeit des Werkzeugs unmittelbar.
- Nachschleifen und Neubeschichtung. Vollhartmetall-Schaftfräser lassen sich oft mehrfach wiederaufbereiten, wodurch sich ihre Lebensdauer zu einem Bruchteil der Kosten für ein neues Werkzeug verlängern lässt.
- Rückgewinnung von Hartmetall. Werkzeughersteller betreiben Rücknahmeprogramme, und die Aufbereitung von recyceltem Hartmetall erfordert weitaus weniger Energie als die Gewinnung von Wolfram aus Erz. Abgenutzte Werkzeuge, die als Hartmetallschrott verkauft statt entsorgt werden, ermöglichen sowohl eine Wert- als auch eine Materialrückgewinnung.
- Überwachung der Standzeit. Der Austausch von Werkzeugen auf der Grundlage der gemessenen Standzeit statt nach subjektivem Ermessen verhindert sowohl einen vorzeitigen Austausch als auch Folgeschäden, die entstehen, wenn ein Werkzeug über seine Lebensdauer hinaus eingesetzt wird.
Was Designer vor der Weiterleitung eines Auftrags an eine Maschine steuern
Ein erheblicher Teil des Zerspanungsabfalls wird bereits in der Konstruktionsphase festgelegt und nicht erst in der Fertigung.
- Wählen Sie das Material mit der geringsten Umweltbelastung, das die Anforderungen erfüllt, und nicht das stärkste verfügbare Material.
- Verringern Sie den Gesamtumfang. Der Stoff wird entsprechend dem Umfang gekauft, sodass unnötige Stoffreste anfallen, die anschließend abgeschnitten werden.
- Orientieren Sie sich bei der Konstruktion an den Standarddicken und -größen.
- Vermeiden Sie es, große Mengen auszuhöhlen, wenn mit einer „Near-Net“-Form oder einer Fertigungsbaugruppe das gleiche Ergebnis erzielt werden könnte.
- Wenden Sie enge Toleranzen nur auf funktionale Merkmale an. Zusätzliche Endbearbeitungsdurchgänge kosten Zeit, Energie und verkürzen die Standzeit der Werkzeuge, und enge Toleranzangaben erhöhen das Ausschussrisiko bei Merkmalen, die gar keiner Kontrolle bedürfen.
- Planen Sie so, dass möglichst wenige Umrüstungen erforderlich sind, da jede Umrüstung zusätzlichen Handhabungsaufwand, Aufspannarbeiten und Maschinenzeit verursacht.
Dieser Punkt verdient besondere Beachtung, da Ausschuss die reinste Form von Abfall in der Zerspanung darstellt. Ein aussortiertes Teil hat bereits Material, Maschinenstunden, Werkzeuge und Kühlmittel verbraucht, ohne einen Nutzen zu erbringen. Die Reduzierung von Ausschuss übertrifft daher alle anderen Effizienzmaßnahmen auf der Liste. Unser Leitfaden zum Thema CNC-Teile-Toleranzen beschreibt, wie man funktionale Merkmale festlegt, ohne dabei strenge Einschränkungen für die gesamte Zeichnung festzulegen.
Kennzahlen, die es wert sind, verfolgt zu werden
Nachhaltigkeitsaussagen ohne Messwerte sind reines Marketing. Dies sind die Zahlen, die die tatsächliche Leistung widerspiegeln und sich praktisch erfassen lassen.
| Metrisch | So berechnen Sie | Warum das wichtig ist |
| Ausschussquote | Aussortierte Teile ÷ Gesamtzahl der produzierten Teile | Die Zahl mit der größten Hebelwirkung; „Scrap“ verwirft alles, was bereits ausgegeben wurde |
| Materialausnutzung | Fertigmasse ÷ Masse des zugekauften Rohmaterials | Spiegelt den größten Anteil der in den Produkten enthaltenen Auswirkungen wider |
| Energie pro Teil | Maschinen-kWh ÷ produzierte Teile | Erfasst die Zykluszeit und die Leerlauflast gemeinsam |
| Kühlmittelverbrauch | Pro Maschine und Jahr gekauftes Konzentrat | Steigt stark an, wenn die Sumpfbewirtschaftung mangelhaft ist |
| Werkzeuge pro tausend Teile | Verbrauchte Werkzeuge ÷ Teile, pro Arbeitsgang | Spiegelt direkt die Qualität der Parameter und der Einrichtung wider |
| Chip-Segregationsrate | Masse der aussortierten Späne ÷ Gesamtmasse der Späne | Legt fest, wie viel Materialwert zurückgewonnen wird |
Die Ausschussquote steht ganz oben auf dieser Liste. Alle anderen Kennzahlen messen, wie effizient Ressourcen genutzt wurden; die Ausschussquote misst hingegen die Ressourcen, die völlig umsonst verbraucht wurden.
Echte Praxis von Greenwashing unterscheiden
Da dieses Thema oft mit Marketing-Floskeln behaftet ist, lohnt es sich, klar zu definieren, was als Beweis gilt und was nicht.
- Eine Zertifizierung ist ein Managementsystem und keine Leistungsgarantie. Die Norm ISO 14001 bestätigt, dass ein Unternehmen Umweltprozesse verfügt und diese überprüft, was zwar sinnvoll ist, aber für sich genommen noch nicht aussagt, dass ein bestimmtes Bauteil effizient hergestellt wurde.
- Angaben zum Recyclinganteil erfordern Rückverfolgbarkeit. Ohne entsprechende Unterlagen lässt sich eine Aussage über den Recyclinganteil nicht überprüfen.
- Kompensation ist nicht dasselbe wie Reduzierung. Beides kann seine Berechtigung haben, aber es handelt sich um unterschiedliche Dinge, die nicht synonym verwendet werden sollten.
- Zahlen ohne Bezugswert sagen wenig aus. Eine Behauptung über eine Verringerung erfordert die Angabe eines Ausgangspunkts und eines Zeitraums.
Die Fragen, die man einem Lieferanten stellen sollte, sind konkret: Wie werden Späne aussortiert und was geschieht mit ihnen, wie wird das Kühlmittel überwacht und wie oft wird es gewechselt, wie hoch ist die Ausschussquote bei vergleichbaren Arbeiten und lässt sich dies irgendwie belegen? Vage Antworten auf konkrete Fragen sind an sich schon aufschlussreich.
Wo fängt man an, wenn man bearbeitete Teile kaufen möchte?
Die Prioritätenreihenfolge ist projektübergreifend weitgehend einheitlich. Wählen Sie das Material mit den geringsten Auswirkungen, das die Anforderungen erfüllt, reduzieren Sie die Hüllkurve und die Lagergröße, legen Sie Toleranzen nur dort fest, wo sie erforderlich sind, und betrachten Sie anschließend die Prozesseffizienz. Wenn Sie in dieser Reihenfolge vorgehen, werden die großen Faktoren vor den kleinen berücksichtigt – genau umgekehrt zu dem, wie das Thema üblicherweise diskutiert wird.
Yicen Precision betreibt in Shenzhen mehr als 300 CNC-Maschinen für mehrachsiges Fräsen, Drehen, Drahterodieren, Bohren und Präzisionsschleifen, verarbeitet 50 oder mehr Werkstoffe mit Toleranzen von plus/minus 0,005 mm und ist nach ISO 9001:2015, ISO 13485, ISO 14001 und IATF 16949 zertifiziert. Unsere Ingenieure prüfen jedes Bauteil vor der Angebotserstellung und weisen auf Materialauswahlen, Abmessungen und Toleranzangaben hin, die Kosten und Ausschuss verursachen, ohne einen funktionalen Mehrwert zu bieten. Senden Sie ein Modell an Yicen Präzision für Feedback zur Fertigungsgerechtheit oder sehen Sie sich unsere CNC-Bearbeitungsdienstleistungen und Materialauswahl bevor eine Spezifikation endgültig festgelegt wird. Facilities Management Services in the UK
Häufig gestellte Fragen
F: Was hat die größten Auswirkungen auf die Umwelt bei der CNC-Bearbeitung?
A: Das Material, nicht der Strom. Die Gewinnung von Metall aus Erz ist weitaus energieintensiver als das Zerspanen, daher sind bei den meisten Teilen die Materialauswahl und der Anteil des Ausgangsmaterials, der zu Spänen wird, ausschlaggebender als die Maschineneffizienz.
F: Lohnt sich das Recycling von Aluminiumspänen eigentlich?
A: Ja. Das Recycling von Aluminium verbraucht etwa fünf Prozent der Energie, die zur Herstellung aus Erz benötigt wird. Die Sortierung der Späne nach Legierung und die Entfernung des Kühlmittels vor dem Abtransport steigern zudem ihren Schrottwert erheblich.
F: Ist eine CNC-Bearbeitung auch ohne Kühlmittel möglich?
A: Manchmal. Die Trockenbearbeitung eignet sich für Gusseisen und bestimmte Aluminiumwerkstoffe, und die Minimalmengenschmierung ist für viele Fräsvorgänge geeignet. Beides ersetzt jedoch nicht die Hochdruckkühlmittelzufuhr in tiefen Bohrungen oder geschlossenen Taschen, wo das Ausspülen der Späne das eigentliche Erfordernis ist.
F: Wie kann eine Werkstatt die Lebensdauer des Kühlmittels verlängern?
A: Überwachen Sie die Konzentration mit einem Refraktometer und füllen Sie entsprechend gemischte Flüssigkeit nach, entfernen Sie Fremdöl, sorgen Sie für eine ausreichende Belüftung des Sammelbehälters und filtern Sie Feinanteile heraus. Meistens wird Kühlmittel eher aus Nachlässigkeit als wegen tatsächlicher Erschöpfung entsorgt.
F: Ist nachhaltige Zerspanung teurer?
A: In der Regel weniger. Materialverschwendung, Energie, Kühlmittel, Werkzeuge und Ausschuss sind allesamt Kostenfaktoren; deren Reduzierung wirkt sich daher positiv auf beide Kennzahlen aus. Ausnahmen bilden Investitionsgüter wie Kryosysteme oder Brikettierpressen, bei denen eine Amortisationsrechnung erforderlich ist.
