title: Analyse rezyklierter Schleifabfälle im Hinblick auf ausgewählte Verfahren der additiven Fertigung und der Pulvermetallurgie
Creators: name: Jäger, Sebastian
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022

description: Die spanende Bearbeitung nimmt einen sehr großen Stellenwert in metallverarbeitenden Unternehmen ein. Eine typische spanende Bearbeitung ist das Schleifen. Die Abfallprodukte des Schleifprozesses beinhalten Kühlschmierstoff mit möglichen Additiven, metallische Späne, Abrasivpartikel und Bindermatrix. Diese Mischung an Abfallstoffen wird als Schleifschlamm bezeichnet. Die Schleifschlammgemische werden aufgrund der Versetzung mit Kühlschmierstoff als umweltbedenkliche und überwachungsbedürftige Abfallstoffe eingestuft. Dies bedeutet für den Umgang mit diesen Abfallstoffen ein erhöhtes Umweltrisiko sowie eine kostenpflichtige Entsorgung. Die Frage nach der Umsetzung von Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit wird in der Industrie mit wachsendem Nachdruck gestellt. Es ergibt sich aus ökologischer Sicht die Motivation zu einem Umdenken, u.a. durch immer weitreichendere Umweltgesetze, sowie aus wirtschaftlicher Sicht das Interesse der spanenden Industrie, ihre Ressourcen effizient einzusetzen. Für das Abfallprodukt Schleifschlamm gibt es bisher keine anwendbare Re- bzw. Upcyclingroute. Ein konventionelles Umschmelzen der mit Abrasivpartikeln verunreinigten metallischen Späne kommt aufgrund der starken Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Metalls in den meisten Fällen nicht infrage. Darüber hinaus beinhaltet eine effektive Recyclingstrategie auch die Wiederverwertung der Abrasivpartikel, die bei einem Umschmelzprozess vollständig verloren gehen. Eine mögliche Recyclingroute für anfallende Schleifschlämme in der metallverarbeitenden Industrie, mit ausgewählten Fertigungsverfahren zur Weiterverarbeitung der metallischen Späne, birgt ein enormes Potenzial. Hierdurch werden sowohl enorme Einsparungen von Ressourcen in der Fertigung als auch wirtschaftliche Entlastungen durch das Wegfallen der Deponierung der als umweltkritisch einzustufenden Schleifschlämme prognostiziert. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst auf eine Recyclingroute eines Schleifschlamms aus der Kreismesserherstellung eingegangen. Der Schleifschlamm wies dabei eine signifikante Restfeuchte auf, die aus Kühlschmierstoffen und Wasseranteilen bestand. Vor einer weiteren Separierung der Schleifschlammkomponenten musste die Restfeuchte beseitigt werden. Dies geschah mithilfe von Trocknungskammern im Labormaßstab und einer konzeptionierten Trocknungseinheit im industriellen Maßstab. Anschließend wurden die getrockneten Schleifspäne einer Wurfsiebung und einer magnetischen Abscheidung zugeführt. Dies geschah sowohl im Labormaßstab als auch mithilfe einer entwickelten Separierungsanlage. Die separierten Schleifschlammkomponenten (Schleifspäne und Abrasivpartikel) wurden anhand von Kenngrößen wie der Schüttdichte, der Klopfdichte und der Fließfähigkeit mit konventionellem Metallpulver verglichen. Die separierten und zum Teil aufbereiteten Schleifspäne wurden anschließend mit den Verfahren des Supersolidus Flüssigphasensinterns (SLPS), des Heißisostatischen Pressens (HIP), des Feldunterstützten Sinterns (FAST/SPS) und des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) weiterverarbeitet. Dabei variierte die Komplexität der Prozessierung der separierten Späne und Span-Pulver-Gemische je nach eingesetztem Verfahren. So war die Prozessierung mittels SLPS und FAST/SPS ohne weitere Vorkehrung möglich. Das HIP-Verfahren bedarf einer aufwendigeren Verkapselung und gasdichten Verschweißung. Das PBF-LB/M war nur mit den Span-Pulver-Gemischen möglich, da eine nachweisbare Fließfähigkeit für die Verarbeitung mittels dieses Verfahrens notwendig ist. Nach der Definition optimaler Prozessparameter für ein jedes dieser Verfahren mit dem eingesetzten Ausgangsmaterial der separierten Schleifspäne bzw. Span-Pulver-Gemische konnten sowohl unterschiedliche makroskopische, mikroskopische als auch mechanische Eigenschaften dieser Proben analysiert werden. So kann für das Recycling der Schleifspäne eine Verfahrensvariante des FAST/SPS als sehr geeignet angesehen werden. Bei einer Vermischung der Schleifspäne mit sphärischem Pulver können jedoch auch additive Fertigungsverfahren (PBF-LB/M) für eine Weiteverarbeitung angewendet werden. Als abschließende Prüfung wurde eine Rezyklierbarkeit der Schleifspäne hinsichtlich der Energie- sowie auch der Ressourceneffizienz diskutiert. Hierbei ist, trotz der notwendigen Vermischung der separierten Schleifspäne mit energie- und kostenintensivem metallischem Pulver, eine starke Ressourceneffizienzsteigerung zu erkennen. Gerade im Hinblick auf die immer kostenintensivere Entsorgung der als umweltkritisch einzustufenden Schleifschlämme bieten die hier aufgezeigten Wege eine effektive und praktikable Alternative zur Deponierung.
description: Machining plays a very important role in metalworking companies. A typical machining operation is grinding. The waste products of the grinding process include cooling lubricant with possible additives, metallic chips, abrasive particles and binder matrix. This mixture of waste materials is referred to as grinding sludge. The grinding sludge mixtures are classified as environmentally hazardous waste materials due to the addition of cooling lubricant. This implies an increased environmental risk for the handling of these waste materials as well as a costly disposal. The question of implementing resource efficiency and sustainability is being raised with increasing emphasis in industry. From an ecological point of view, there is a motivation to rethink, due to increasingly stringent environmental legislation, and from an economic point of view, there is an interest on the part of the machining industry to use its resources efficiently. So far, there is no practicable recycling route for the produced grinding sludge. Simply remelting the metallic chips contaminated with abrasive particles is not an option in most cases due to the strong change in the chemical composition of the metal. In addition, an effective recycling strategy includes the reuse of the abrasive particles, which would be completely wasted in a remelting process. A possible recycling strategy for grinding sludge, with selected manufacturing processes for further processing of the metallic chips, holds enormous potential. This is expected to result in enormous savings of resources in production as well as in economic benefits due to the fact that the grinding sludge, which is classified as environmentally critical, can no longer be disposed of in landfills. In this thesis, a recycling route of a grinding sludge from circular knife manufacturing was discussed. The grinding sludge had a significant residual moisture content consisting of cooling lubricants and water. Before further separation of the grinding sludge components, the residual moisture had to be removed. This was done with the use of laboratory-scale drying chambers and a designed drying system. The dried grinding chips were then subjected to throw screening and magnetic separation. This was done both on a laboratory scale and with the use of a designed separation system. The separated grinding sludge components (grinding chips and abrasive particles) were compared with conventional metal powder on the basis of parameters such as bulk density, tap density and flowability. The separated and partially processed abrasive chips were then further processed using supersolidus liquid phase sintering (SLPS), hot isostatic pressing (HIP), field assisted sintering (FAST/SPS) and selective laser melting (PBF-LB/M) processes. The complexity of processing the separated chips and chip-powder mixtures varied depending on the process used. For example, processing by SLPS and FAST/SPS was possible without further preparation. The HIP process requires more complex encapsulation and gastight welding. The PBF-LB/M was only possible with the chip-powder mixtures, since a detectable flowability is necessary for processing by this method. After defining optimal process parameters for each of these methods with the used starting material of the separated grinding chips or chip-powder mixtures, it was possible to analyze different macroscopic, microscopic as well as mechanical properties of these samples. Thus, for the recycling of the grinding chips, one process variant of the FAST/SPS can be defined as very effective. However, if the grinding chips are mixed with spherical powder, additive manufacturing processes (PBF-LB/M) can also be classified as suitable. As a final test, a recyclability of the grinding chips was discussed with regard to energy as well as resource efficiency. Here, despite the necessary mixing of the separated grinding chips with energy- and cost-intensive metallic powder, a strong increase in resource efficiency can be seen. Particularly in view of the increasingly cost-intensive disposal of grinding sludge, which is classified as environmentally critical, the methods described here offer an effective and practicable alternative to landfilling.