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POLYCARBONAT-SICHTSCHEIBEN IN WERKZEUGMASCHINEN

Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW)Dr.-Ing. Timo Wrz, RA Klaus-Peter Kuhnmnch , Dipl.-Ing. Heinrich Mdden

1. Ausgangssituation und EntwicklungZwar wird durch die sicherheitstechnischen Vorgaben des Gertesicherheitsgesetzes /1/ undder maschinenspezifischen C-Normen /2,3,4/ die Fertigung mehr und mehr hintergeschlossenen Maschinentren stattfinden, wie nachfolgende Zitate aus Normen fr dieWerkzeugmaschinensicherheit belegen:

- DIN EN 12415 Kleine NC Drehmaschinen und zentren ... die vornehmlich fr die Kaltbearbeitung vonMetall ohne Zugang zum Arbeitsbereich whrend der Bearbeitung gestaltet sind.

- DIN EN 12417 Bearbeitungszentren Einleitung: Eine vollstndige Verkleidung des Arbeitsbereichesmittels trennender Schutzeinrichtungen ist an kleineren Maschinen durchfhrbar und Abschnitt 1.1.2.1Wenn mglich, muss der Arbeitsbereich whrend der Bearbeitung von feststehenden und/oder verriegeltenbeweglichen trennenden Schutzeinrichtungen umschlossen sein."

die Prozessbeobachtung wird aber auch zuknftig notwendig sein, so fhrt einPositionspapier der Berufsgenossenschaft (BG) dazu an /5/:Das Merkblatt beschreibt eine Strategie zur Festlegung einer Sonderbetriebsart Prozessbeobachtung fr denFall, dass eine Beobachtung eines automatischen Ablaufes durch Bedienpersonen fr bestimmte Be- undVerarbeitungschritte unerlsslich ist und nach dem Stand der Technik nicht mit anderen Betriebsarten, wie siezum Beispiel in entsprechenden Produktnormen fr Maschinen beschrieben sind, erreicht werden kann.

Der Bediener muss die zu-nehmend automatisierte Ferti-gung also weiterhin an derWerkzeugmaschine kontrollierenund dazu den Bearbeitungs-prozess beobachten (Bild 1).

Bedeutsam ist hierzu auch dieFeststellung der BG /6/, dassgemessen an der Zahl der im Betriebbefindlichen Werkzeugmaschinen dasUnfallgeschehen .. verursacht durchherausgeschleuderte Teile gering (ist).Allerdings sind sehr viel mehrBeinaheunflle zu verzeichnen und,wenn es zu Unfllen mitPersonenschaden kommt, handelt essich zumeist um schwere oder gartdliche Unflle . Bild 2: VSG-Durchschuss (IWF)

Bild 1: Prozessbeobachtung (Quelle: Chiron)

Andererseits erhht sich das Gefhrdungspotential infolgewegfliegender Teile (siehe Schutzfenster mit Verbundsicherheits-glas in Bild 2) durch weiterhin steigende Bearbeitungs-geschwindigkeiten /7/, siehe Bilder 3, 4 und 5. Deshalb hat derVDW im Jahre 1997 ein Projekt Gestaltung und Dimensionierung

von trennenden Schutzeinrichtungen gestartet, um mit dem IWF der TU Berlin und der BGden Stand der Technik bersichtlich zusammenzustellen und Verbesserungsmglichkeitenaufzuzeigen /8/.

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Bild 3: Stand der Technik Bild 4: Wunschziele fr die Bild 5: Reale Mglichkeiten und bei HSC-Spindeln Entwicklung und physikalische Grenzen (a)

Im Laufe dieses Projektes wurde schnell erkannt, dass die Sichtschutzfenster in dentrennenden Schutzeinrichtungen eine herausragende Bedeutung fr die Sicherheit desBedieners haben, weil dieser sich blicherweise im Bereich vor der Sicherheitsscheibe aufhltund die Bearbeitung beaufsichtigt (Bild 1). Eine Verschrfung des Problems ergibt sich, weilsich die Scheiben oft im Primrbereich abgeschleuderter Teile befinden.Beim Vergleich der Materialkennwerte verschiedener Scheibenmaterialien wurde balddeutlich, dass Polycarbonat der Werkstoff fr die Sicherheitsscheiben ist.Konkurrenzprodukte auf PET-Basis (Polyethylenterephthalat) wurden zwar zwischenzeitlichwegen ihrer angeblichen Unempfindlichkeit gegenber Khlschmierstoffen hoch gehandelt,konnten diesen Anspruch aber nicht aufrecht erhalten und am Ende auch nicht dieRckhaltefhigkeit des Polycarbonates (PC) nachweisen. Das im Personenschutz bewhrteSicherheitsglas schied fr die gedachten Schadensereignisse an Werkzeugmaschinen sehrschlecht ab und PMMA (Polymethylmetacrylat) hat ebenfalls eine zu geringeRckhaltefhigkeit.Die Alterung des Polycarbonates wurde im VDW Arbeitskreis als ein bis dahin weitgehendvernachlssigtes Problem erkannt, denn infolge der Versprdung durch gewisse Bestandteilevon Khlschmierstoffen oder Reinigungsmitteln verndert PC seine Eigenschaften mit der Zeitzu einem glashnlichen Verhalten; Bild 6 zeigt das Bruchverhalten einer versprdeten PC-Scheibe, die am Berufsgenossenschaftlichen Institut fr Arbeitssicherheit (BIA) untersuchtworden war. In Bild 7 ist dagegen eine neuwertige PC-Scheibe nach dem gleichenAufprallereignis gezeigt /9/. Aus der Versprdung des Polycarbonates knnen erheblicheGefhrdungen resultieren.

Bild 6: Versprdete PC-Scheibe nach einem Bild 7: Neuwertige PC-Scheibe mit der gleichen Beschu Aufprall energie getestet

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2. Anstze zur sicheren Anwendung von Polycarbonat in WerkzeugmaschinenUm die betriebliche Sicherheit an Werkzeugmaschinen zu garantieren, wurden im Frhjahr1999 die betroffenen Kreise mit einem Merkblatt informiert. Die Werkzeugmaschinenbauer undihre Zulieferer wurden angeschrieben und aufgefordert, die Kufer von Neu- undGebrauchtmaschinen ausdrcklich ber das Alterungsproblem von Polycarbonat zuinformieren, z. B. in der Betriebsanleitung. Das Merkblatt wurde in Englisch, Franzsisch,Italienisch und Spanisch bersetzt und an Verbnde in Europa und USA verteilt. Die vomVDW vorgeschlagenen Austauschintervalle fr die Polycarbonat-Sicherheitsscheiben, nmlich:

Fall 1: Beidseitig geschtzte PC-Scheiben mit Abdichtung der Schnittkante: alle 5 Jahre,Fall 2: Einseitig geschtzte oder ungeschtzte PC-Scheiben: alle 2 Jahre,

wurden von den Anwendern der Werkzeugmaschinen nicht unwidersprochen hingenommen,weil aus der damit verbundenen Nachrstung von Altmaschinen erhebliche Kosten resultieren.

Als erstes rckte die BG von dieser Empfehlung ab und formulierte ihr PositionspapierEinzelfallbeurteilung /10/, das sich auf dringende Flle bei den Alt-Maschinen konzentriert.Insbesondere die Automobilindustrie wendete sich gegen fest vorgeschriebeneAustauschfristen. Einzelne Groanwender von Werkzeugmaschinen befrchteten zudem,dass durch mibruchliche Anwendung des Merkblattes eine Verlagerung der Haftung vonHerstellern zu Betreibern beabsichtigt sein knnte.Statt mit fest definierten Fristen sollten versprdete PC-Scheiben entsprechend derGefhrdung und mit Augenma getauscht werden. Bisherige Praxis ist, dass die Scheibengewechselt werden, wenn sie beschdigt oder undurchsichtig geworden sind; die Versprdungdes Polycarbonates ist aber nicht in jedem Fall per Sichtprfung zu erkennen.Das juristische Risiko fr den Hersteller, falls der Anwender trotz offensichtlichenBeschdigungen den Austausch fahrlssigerweise nicht vornimmt, ist ein weiterer Grunddafr, dass die Austauschfristen von einigen Mitgliedsfirmen weitervertreten werden.

Im Gegensatz zu den Alt-Maschinen wurden die vorgeschlagenen Austauschfristen fr Neu-Maschinen kaum in Frage gestellt.

Durch Erweiterung der Datenbasis zur Polycarbonat-Alterung mit Hilfe von aus demFertigungsbetrieb bezogenen Polycarbonat-Scheiben konnte belegt werden, dass geschtztesPolycarbonat eine Langzeitbestndigkeit von bis zu 12 Jahren hat (Bild 8). Auf Basis dieserUntersuchungsergebnisse wurde fr allseitig geschtztes Polycarbonat letzlich eineAustauschfrist von 10 Jahren empfohlen.

Weil die Umrstung auf rundum geschtzte Polycarbonat-Scheiben in manchen Fllenkonstruktive Probleme bereiten kann, benutzen einige Konstrukteure die Alterungskurve(Bild 8) fr eine Ingenieur-geme berdimensionierung, so dass nach definierter Zeit nochdie nominell geforderte Rckhaltefhigkeit erwartet werden kann. Selbstverstndlich schlietsich dann eine Austauschempfehlung an, da die Versprdung weiter voran schreitet.

3. Datenbasis zur Alterung von PolycarbonatWeil die Datenbasis mit im realen Betrieb gealterten PC-Scheiben nicht vollstndig war,wurden im Auftrag des VDW vom BIA umfangreiche Beschussuntersuchungen mit betrieblichgealterten Scheiben durchgefhrt /9/. Die Ergebnisse sind in Bild 8 zusammengefasst.

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Alterung von Polycarbonat-Sichtscheiben in Werkzeugmaschinen

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12

Alter [Jahre]

Rc

khal

tef

higk

eit [

%]

Quelle: BIA

FALL 1: OHNE Einwirkung von Khlschmierstoffen oder anderen aggressiven Medien

FALL 2:MIT Einwirkung von Khlschmierstoffen oder anderen aggressiven Medien

Alter Rest-Rckhalte-[Jahre] Fhigkeit [%]

0 100,01 77,52 61,33 50,54 41,35 33,86 26,97 20,78 16,49 12,610 11,511 11,112 10,6

Bild 8: Alterung von Polycarbonat-Sichtscheiben in Werkzeugmaschinen

Die Alterungskurve zeigt ein quasi-exponentielles Verhalten, die interpolierten Zahlenwertesind neben dem Diagramm dargestellt. Das wesentliche Ergebnis aber ist, dass Polycarbonatseine Rckhaltefhigkeit auch nach 12 Jahren noch behlt, wenn jeder Kontakt mitschdigenden Substanzen vermieden wird (Fall 1). Als Konsequenz dieser Ergebnisse kommtbei deutschen Drehmaschinenherstellern mehrheitlich ausschlielich allseitig geschtztesPolycarbonat zum Einsatz. Ein entsprechender Vorschlag ist bei den europischenSicherheitsnormen eingebracht worden, siehe Tabelle 1 und 2 sowie /2/.Die Hersteller anderer Maschinengattungen, wie Bearbeitungszentren und Schleifmaschinen,sind diesem naheliegenden Lsungsansatz nur teilweise gefolgt. Neben dereinbautechnischen Problematik bei sehr groen Maschinentren (BAZ fr Formenbau) wurdedie Argumentation entwickelt, dass die Risiken in vielen Fllen deutlich geringer sind, als anDrehmaschinen. Deshalb wurde aus der dargestellten Datenbasis fr einige Sonderflleherausgelesen, dass fr ungeschtzte Scheiben die Vermutung zulssig ist, dass nach mehrals 10 Jahren eine Rest-Rckhaltefhigkeit von noch ca. 10% des ursprnglichen Werteserhalten bleibt. Dies kann in begrndeten Fllen ausreichend fr die Sicherheit s