Projekt 21705/01

Entwicklung eines Geräteprototyps für die ökologische Natursteinbearbeitung mit dem Elektroimpulsverfahren (EIV)

Projektdurchführung

Technische Universität Dresden Institut für Fördertechnik, Baumaschinen u. Logistik Professur für Baumaschinentechnik
Mommsenstr. 13
01069 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Produktion und Bearbeitung von Natur-Werkstein ist in Deutschland seit Jahren rückläufig. Gründe hierfür sind der vermehrte Einsatz des künstlichen Betonsteins und Leistungsgrenzen bei bestehenden Bearbeitungsverfahren. Um den unter ökologischen Aspekten vorteilhaften Naturwerkstein auch künftig verstärkt einsetzen zu können, ist die Anwendung von neuen Technologien in der Natursteinbearbeitung erforderlich. Die durch die DBU finanzierten Voruntersuchungen zur Eignung des innovativen Elektroim-pulsverfahrens (EIV) für die Bearbeitung von Naturstein (Az. 16933, Nov.2000 - April 2002) brachten positive Ergebnisse, die in diesem Projekt gemeinsam mit industriellen Partnern perspektivisch zu einer technischen Umsetzung weiterentwickelt wurden. Es besteht die Überzeugung, dass mit diesem Verfahren die Leistungsgrenzen bestehender Bearbeitungstechnologien aufgebrochen werden und ein wesent-licher Beitrag zu einer ökologischen und wettbewerbsfähigen Produktion von Naturstein in Deutschland geleistet werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBevor das Verfahren zur serienreifen maschinellen Anwendung gelangt, waren weitere Untersuchungen, Entwicklungen und Experimente durchzuführen. Dabei waren die im Rahmen der eigenen Voruntersuchung erarbeiteten Lösungsansätze am Hochspannungsimpulsgenerator, Werkzeugschneid-, Bewegungs-, Sicherheits-, Bedien-, und Wasserkreislaufsystem umzusetzen. Mit einem EIV-Prototyp (Demonstrator), der gleichzeitig für technologische Versuche genutzt wird, wurde eine solide Basis für die praxisreife EIV-Maschinenentwicklung und Verfahrensanwendung geschaffen.
Inhalt des Projektes war die Bemessung, die Entwicklung sowie Fertigung und die Inbetriebnahme, Durchführung technologischer Untersuchungen und Experimente sowie deren Auswertung mit einem universellen EIV-Prototypen. Mit den am Prototypen durchgeführten technologischen Untersuchungen wurden verfahrens- und gestaltungstechnische Merkmale für den EIV-Prozess für vielfältige Natursteinarten bestimmt.
Um diese Aufgaben zu lösen bearbeiteten die Hochschulinstitute den elektrischen Teil und die Experimente, der Maschinenbauer und das IFBL den mechanischen Teil und die Experimente und die weiteren Partner stellten die Versuchsmaterialien, unterstützen die praktischen Untersuchungen sowie die Versuchsauswertung und die Öffentlichkeitsarbeit.


Ergebnisse und Diskussion

Der Prototyp zur Untersuchung des Elektroimpulsverfahrens (EIV) auf seine Eignung zur Natursteinbearbeitung wurde aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Nach dem Erbringen des Funktionsnachweises und dem Abschluss aller Einstellungsarbeiten wurde mit den Versuchsreihen zur Bearbeitung von Natursteinen begonnen wurden. Die Güte der erzeugten Schnitte hat sich während dieser Experimente aufgrund der Anpassung der Prozessparameter stark verbessert. Als Parameter zur Beeinflussung der Schnittqualität wurden die Elektrodenform, der Elektrodenabstand, die Durchschlagspannung und die Vorschubgeschwindigkeit untersucht. Als Bearbeitungsobjekt wurden der Granit Vanga Rosso und Branco Micaela durch die Firma Zeidler & Wimmel Steinbruch- und Steinmetzbetriebe zur Verfügung gestellt. Als dielelektrisches Medium wurde vollentsalztes Wasser benutzt.
Beide Gesteinsarten befanden sich immer gleichzeitig im Wasser, um gleiche Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Zu diesem Zweck erfolgte auch die permanente Kontrolle der Ladespannung des Generators und des Leitwertes des Dielektrikums. Zudem stand eine Stossspannungsmessanlage zur Verfügung mit der die charakteristischen Größen der Stossspannungsentladungen bestimmt wurden. Nach jedem Versuch wurde der erzeugte Schnitt vermessen und optisch bewertet.
Begonnen wurde mit der Untersuchung des Einflusses der Elektrodenform auf die Schnittgüte. Dabei wurde gezeigt, dass mit schmalen Flachstahlelektroden deutlich bessere Schnitte erzeugt werden als mit Rundstahlelektroden. Danach wurde der Einfluss des Elektrodenabstandes untersucht. Mit dem kleinstmöglichen Elektrodenabstand von 6 mm wurde der beste Schnitt erzeugt. Im Anschluss daran folgte die Veränderung der Durchschlagspannung, um deren Einfluss zu prüfen. Die Schnittgüte verbesserte sich mit abnehmender Durchschlagspannung.
Zum Abschluss der Versuchsreihe wurde der Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit betrachtet. Das Ergebnis zeigt, dass mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit die Schnitte schmaler und gleichmäßiger werden.
Die Schnittgüte konnte im Lauf der Untersuchungen stetig verbessert werden. Die qualitativ beste Schnittqualität wurde auf der Prototypanlage mit folgenden Einstellungen erzielt:
- Flachstahlelektroden
- Elektrodenabstand 6 mm
- Durchschlagspannung 230 kV
- Vorschubgeschwindigkeit 6 mm/s.
Die erreichte Schnittqualität sowie die Schnittleistung blieben noch hinter den konventionellen Verfahren zurück. Es ist jedoch anzumerken, dass bei den Experimenten vor allem auf die Schnittgüte geachtet wurde. Der spezifische Energiebedarf ist hingegen geringer als bei den herkömmlichen Verfahren, obwohl noch keine Optimierung hinsichtlich Energieeffizienz stattgefunden hat. Der Energiebedarf des EIV betrug am Versuchsstand in der optimalen Versuchseinstellung 3,4 kWh/cm². Eine Trennsäge hat dagegen einen Bedarf von ca. 4,4 kWh/cm², eine Pendelgattersäge etwa 5,2 kWh/cm².
Eine gesonderte Betrachtung der möglichen Plattenstärke erfolgte nicht, da die Elektrodenbefestigung kein vollständiges Durchschneiden der Gesteinsblöcke erlaubte. Dennoch wurden auch auf diesem Gebiet wichtige Erkenntnisse gesammelt. Für den Granit Vanga Rosso wird eine minimale Plattenstärke von 30 - 40 mm abgeschätzt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entstanden mehrere Arbeiten und Berichte, die an der TU Dresden veröffentlicht wurden. Ebenso wird dieser Abschlussbericht veröffentlicht. Zu dem wurden die Ergebnisse auf einer Tagung einem Fachpublikum vorgestellt. Der Steine - und Erden-Industrieverband Sachsen e. V. verbreitet die Ergebnisse bei den Mitgliedsunternehmen.


Fazit

Die gegenwärtig eingesetzten Technologien beim Bearbeiten des Natur-Werksteins zeigen typische Probleme wie hoher Werkzeugverschleiß, intensive Geräusch-, Staub- sowie Schadstoffemission. Mit dem Einsatz des neuen Trennverfahrens werden diese Nachteile beseitigt und es wird eine Trendwende hin zu einer ökonomischeren und besonders ökologischeren Bearbeitungsmethode für die gesamte Natursteinbranche eröffnet.
Durch weitere Forschung und mit Hilfe eines weiter entwickelten Generators wird es möglich sein die Schnittgüte weiter zu erhöhen. Durch die Entwicklung und Umsetzung eines neuen Generators auf Basis des Marxprinzips, können die Schnittqualität und die Schnittleistung erhöht werden. Es wurde gezeigt, dass das EIV als alternatives Bearbeitungsverfahren im Bezug auf Energieeffizienz und Verschleiß be-reits deutliche Vorteile gegenüber den konventionellen Verfahren hat