CNC-Bearbeitung im Holzbetrieb

CNC-Bearbeitung im Holzbetrieb; Foto: © Homag Group

Innovative Produktionsanlage oder Sicherheitsrisiko? Bei der Nutzung von CNC-Bearbeitungszentren müssen verschiedene Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden. 

1975 war auf der Messe LIGNA die erste europäische CNC-Bearbeitungsmaschine zur Holzbearbeitung zu sehen. Da Programmierung und Bedienbarkeit noch kompliziert und umständlich waren, beschränkte sich ihr Einsatz auf große Industriebetriebe. Damals stand die Funktionalität der Maschinen im Vordergrund, Abstriche bei der Sicherheit wurden häufig in Kauf genommen. Dies änderte sich mit dem Einsatz von benutzerfreundlichen Programmiertechniken und anwenderfreundlicher Bedienung.

Seit Jahren wächst die Nachfrage nach CNC-Maschinen. Viele Inhaber von Handwerksunternehmen merken, dass sie sich auf diese moderne Schlüsseltechnologie einlassen müssen, um in der Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben. CNC-Bearbeitungszentren halten auch im Schreinerhandwerk Einzug: sehr komplexe Maschinen, in denen viele durch ein Programm angesteuerte Aggregate zusammenwirken. Aus der CAD-Anwendung heraus können Programme für die CNC-Maschine entwickelt und direkt zur Maschine übertragen werden.

Sicherheit nach dem Stand der Technik

Die Sicherheitsstandards für CNC-Bearbeitungszentren für die Holzbearbeitung sind in der harmonisierten europäischen Norm EN 848-3 festgelegt. In der Regel wird diese Norm auch in der technischen Dokumentation der Maschine oder in der Konformitätserklärung aufgeführt. Um die Maschine in den Verkehr zu bringen, muss der Hersteller mindestens die Sicherheitsstandards dieser Norm einhalten. Es ist ihm jedoch freigestellt, andere sicherheitstechnische Lösungen als in der Norm vorgeschlagen zu wählen. Diese müssen aber ein gleichwertiges oder höheres Sicherheitsniveau haben.

Folgende Sicherheitssysteme entsprechen der Norm:

  • Um das Risiko abfliegender Teile zu reduzieren, wurden Sicherheitsvorhänge entwickelt. Sie sind in der Lage, 100 Gramm schwere Werkzeugteile, die eine Geschwindigkeit von 70 m/s (250 km/h) haben, sicher aufzuhalten.
  • Bei Geschwindigkeiten von 25 – 35 m/min stoppen heutzutage Schutzsysteme mit Bumpern den Support der Maschine innerhalb weniger Zentimeter, sodass Quetschungen sicher vermieden werden.
  • Die Überwachung der Drehzahlen und Verfahrgeschwindigkeiten wird durch externe Steuerungssysteme realisiert, sodass ein Fehler in der Antriebssteuerung zu keiner gefährlichen Situation führen kann.

CNC-Bearbeitungszentren müssen Schutzvorrichtungen haben, die Quetschungen zwischen fahrendem Support oder fahrenden Tischen und festen Teilen wie aufgespannten Werkstücken, Spannelementen oder Wänden und bei Verfahrgeschwindigkeiten über 25 m/min das Stoßen verhindern. Eine Berührung von laufenden Werkzeugen muss durch Schutzeinrichtungen und Sicherheitsabstände verhindert und abfliegende Werkzeug- oder Werkstückteile müssen durch Vorhänge ober feststehende Schutzeinrichtungen sicher zurückgehalten werden.

Expositionen

Gesundheitsgefahren an CNC-Bearbeitungszentren entstehen durch Holzstaub und andere Stäube von Holzwerkstoffen, die durch den Einsatz von Chemikalien hergestellt wurden. Wegen der hohen Zerspanungsleistungen und der ständig wechselnden Flugrichtungen des Staubs ist eine effektive Stauberfassung sehr schwierig. Daher ist es besonders wichtig, bereits vorab auf ausreichende Kapazität der Absauganlage zu achten. Eine Exposition über einen längeren Zeitraum kann zu Atemwegserkrankungen, Allergien bis hin zu Krebserkrankungen führen. Der durch die Zerspanung von Holz entstehende Tages-Lärmexpositionspegel lag bei diesen Maschinen zwischen 86 und 96 dB(A). Lärm führt auf Dauer zu Gehörschäden, beeinflusst die Konzentrationsfähigkeit und führt zu Stress und überdurchschnittlicher Erschöpfung.

Unfallgefahren

CNC-Bearbeitungszentren der Holzbearbeitung können mit einer Vielzahl von Werkzeugen und Spannsystemen ausgerüstet werden. Fehlprogrammierungen der Verfahrwege, falsches Spannen der Werkstücke oder falsche Programmierung der Werkzeugparameter können zur Kollision mit Spannelementen oder Maschinenteilen führen, was wiederum das Herausschleudern von Werkstückteilen und Werkzeugteilen zur Folge haben kann. Maschinen mit Bumper-Systemen haben in den vergangenen zehn Jahren CNC-Bearbeitungszentren mit Trittmatten- oder Lichtschrankensicherungssystemen aufgrund des geringeren Platzbedarfs weitgehend verdrängt. Das Risiko, Quetschungen und Verletzungen durch Stoßen zu erleiden, ist während der Arbeit an diesen Maschinen bauartbedingt höher.

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Beispiel für Sicherheitsmöglichkeiten an CNC-Oberfräsmaschine (Ausschnitt: Bumper)

Vor der Arbeit

  • Funktionsfähigkeit der Schutzvorrichtungen regelmäßig prüfen (Trittschutzmatte, Bumper, Sicherheitslichtschranken, Laserscanner, Schutztüren)
  • Ist die Verriegelung an Schutztüren funktionsfähig?
  • Ist der Lamellenvorhang unbeschädigt und vollständig?
  • Weisen Bumper keine sichtbaren Beschädigungen auf?
  • Bei Werkzeugwechsel prüfen, ob die maximal zulässige Werkzeugdrehzahl in der Steuerung richtig hinterlegt ist
  • Auf korrekte Werkzeugposition und saubere Spannkegel achten.
  • Werkstücke sicher aufspannen (beispielsweise saubere Auflageflächen, unbeschädigte Vakuumspannelemente).
  • Schwere Werkstücke mittels Hebehilfen auflegen und abnehmen.
  • Auf Stolperstellen achten und Fußboden im Bewegungsbereich um die Maschine sauber halten.
    Sicherheitsschuhe und Gehörschutz benutzen.

Während der Arbeit

  • Arbeiten bei hochgestelltem Lamellenvorhang (zum Beispiel Probelauf mit Prozessbeobachtung oder Bearbeitung außergewöhnlicher Werkstückkonturen) sind nur zulässig, wenn vom Hersteller zugelassene Schutzmaßnahmen gegen wegfliegende Teile getroffen wurden (elektrisch verriegelte Schutztüren aus Polycarbonat).
  • Bei mechanischer Werkstückspannung Fingerquetschungen vermeiden (durch Hubbegrenzung der Spanner, 2-Stufen-Spannung oder Begrenzung der Schließgeschwindigkeit).
  • Bei Wechselbeschickung von der Beschickungsseite aus nicht auf die Maschine oder in die Anlage steigen.

Nach dem Arbeiten an der Maschine sind zum Reinigen die Absaugeinrichtungen zu verwenden und verschlissene Lamellenvorhänge nach Vorgabe des Maschinenherstellers auszuwechseln.

Ein Blick in die Zukunft

Die BGHM wirkt bei der Erstellung der weltweit geltenden Sicherheitsnorm ISO 19085-3 Holzbearbeitungsmaschinen – Sicherheit – Teil 3 mit. Diese Norm soll die harmonisierte europäische Norm EN 848-3 ersetzen und wird in vielen Punkten ein noch höheres Sicherheitsniveau aufweisen. In einem von der BGHM geleiteten Projekt „Festlegung von (Beurteilungs-)Kriterien zur Einhaltung des Holzstaubgrenzwerts von 2 mg/m³ bei CNC-Bearbeitungszentren der Holzbearbeitung“ werden reproduzierbare Testkriterien erarbeitet, mit dem Ziel, die Holzstaubemissionen verschiedener Anlagen hinsichtlich der Einhaltung des Holzstaubgrenzwerts beurteilen zu können. Mittelfristig wird so eine erhebliche Verbesserung der Stauberfassungssysteme erwartet.

Die meisten NC-Bohr- und Fräsmaschinen besitzen die Möglichkeit der Wechselbeschickung. Auf einer Seite des feststehenden Maschinentisches können bearbeitete Werkstücke entnommen und neue Rohlinge aufgelegt werden, während gleichzeitig auf der anderen Seite ein Werkstück vollautomatisch bearbeitet wird. Damit die Bedienperson dabei vor den Bearbeitungswerkzeugen im Maschinenkopf geschützt ist, wurden einst vorwiegend dreigeteilte Trittmatten auf der Vorderseite der Maschine eingesetzt. Um die Nutzung dieser Maschinen noch flexibler zu gestalten, verwenden die Hersteller zunehmend Kombinationen von Lichtschranken oder Laserscannern und druckempfindliche Schaltelemente (etwa Bumper oder Schaltleisten). Die neue Norm beschreibt ausführlich die Anforderungen an Lösungen mit unterschiedlichen Kombinationen, zum Beispiel Lichtschranken, bei deren Unterbrechung die maximale Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenkopfes auf unter 25 m/min reduziert wird. Den weiteren Schutz der Bedienperson gegen Stoßen übernehmen ausreichend groß dimensionierte Bumper. Da diese systembedingt einen geringen Nachlauf des bewegten Maschinenteiles zulassen, enthält die neue Norm einen ausführlichen Anhang mit Angaben über die zulässigen Kräfte auf die Bedienperson bei Stoß-, Scher- und Quetschgefährdungen. Während die EN 848-3:2013 die Öffnung zwischen Werkstückaufgabe und Maschinenkopf und damit die bearbeitbare Werkstückhöhe auf maximal 400 mm begrenzt hat, beschreibt die neue Norm auch Lösungen für Maschinen für größere Werkstücke bis zu 600 mm Höhe. Für den Konstrukteur bedeutet das, dass größere Sicherheitsabstände zu den rotierenden Werkzeugen innerhalb des Maschinenkopfes einzuhalten sind. Weiterhin haben die systembedingt längeren Lamellenvorhänge in den Öffnungen den hierfür angepassten „Beschusstest“ in Anhang F zu erfüllen.

Ein besonderer Gefahrenaspekt dieser Maschinen: Sie haben einen bestimmungsgemäßen Zugang an der Rückseite durch elektrisch verriegelte Türen. Allerdings ist es möglich, die seitlichen Zutrittsbegrenzungen zu überschreiten, da diese nur 700 mm hoch sind. Dort sind allerdings keine weiteren Schutzeinrichtungen vorhanden und es bestehen erhebliche Gefahren. Einige Unfälle wären mit einer besseren Absicherung des Maschinengestells und der meist vorhandenen seitlichen Zutrittsbegrenzungen vermeidbar gewesen. Eine zusätzliche Absicherung in Form eines berührungsempfindlichen Sensors wurde deshalb durchgesetzt, um das Übersteigen zu erschweren. Damit besteht für die Bedienperson das Risiko, bei einem unerlaubten Übersteigen den Bearbeitungsprozess zu unterbrechen und damit das Werkstück zu beschädigen. Die Gefahr, dass sie den unerlaubten Zutritt über das niedrigere Maschinengestell wählt, bleibt aber erhalten. Die neue Norm ISO 19085-3:2017 enthält hierzu keine Anforderungen. Dies ist umso kritischer, da die technische Weiterentwicklung der Maschinen offenbar zu immer niedrigeren Gestellen führt. Auf Initiative des Fachbereiches Holz und Metall wurde deshalb ein formeller Einwand gegen die Norm eingelegt. Sie wurde zwar als EN ISO veröffentlicht, jedoch nicht harmonisiert. Hersteller können sich damit nicht auf die Vermutungswirkung dieser Norm verlassen, sondern haben diese durch eigene Risikobetrachtungen bei der Entwicklung Ihrer NC-Bohr- und Fräsmaschinen in Bezug auf die genannte Gefährdung zu ergänzen.

Jürgen Lanz und Frank Hagendorff, BGHM

Info

Aus der Geschichte

Seit 1947 forschte die amerikanische Luftwaffe intensiv an einem Verfahren, komplexe Flugzeugteile präzise und wiederholgenau herzustellen. Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge erhielt 1949 den Auftrag, ein Steuerungssystem für Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Die erste NC-Maschine wurde 1952 vom MIT vorgestellt. Es war eine 3-Achs-Fräsmaschine mit einer Steuerung auf Röhren- und Relaisbasis. Als Datenträger wurden Lochkarten eingesetzt.

Beispiel für Sicherungsmöglichkeiten an CNC-Oberfräsmaschine (Ausschnitt: Bumper); Foto: BGHM
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