Prozessübersicht

Das Umformen von Metallteilen durch Anwendung hoher Druck- und Zugkräfte ist in der industriellen Fertigung üblich. Beim Stanzen wird Metall, meistens in Form von Blechen, Streifen oder Coils, bei Umgebungstemperatur durch Scheren, Pressen und Strecken zwischen Stempeln in bestimmte Formen gebracht, normalerweise in einer Reihe von einem oder mehreren diskreten Schlagschritten. Kaltgewalzter Stahl ist das Ausgangsmaterial in vielen Stanzvorgängen, die Blechteile in der Automobil- und Geräteindustrie und anderen Industrien herstellen. Etwa 15 % der Arbeitnehmer in der Automobilindustrie arbeiten in Stanzbetrieben oder -werken.

Beim Schmieden wird Druckkraft auf vorgeformte Blöcke (Rohlinge) aus Metall aufgebracht, die normalerweise auf hohe Temperaturen erhitzt werden, ebenfalls in einem oder mehreren diskreten Pressschritten. Die Form des Endstücks wird durch die Form der Hohlräume in der verwendeten Metallmatrize oder den verwendeten Matrizen bestimmt. Bei offenen Gesenken, wie beim Fallhammerschmieden, wird der Rohling zwischen einem am unteren Amboss befestigten Gesenk und dem senkrechten Stößel verdichtet. Bei geschlossenen Gesenken, wie beim Pressschmieden, wird der Rohling zwischen dem Untergesenk und einem am Stößel befestigten Obergesenk gestaucht.

Fallhammerschmieden verwenden einen Dampf- oder Luftzylinder, um den Hammer anzuheben, der dann durch die Schwerkraft fallen gelassen oder durch Dampf oder Luft angetrieben wird. Anzahl und Kraft der Hammerschläge werden vom Bediener manuell gesteuert. Der Bediener hält oft das kalte Ende des Materials fest, während er den Fallhammer bedient. Das Fallhammerschmieden machte einst etwa zwei Drittel aller Schmiedearbeiten in den Vereinigten Staaten aus, ist aber heute weniger verbreitet.

Pressschmieden verwenden einen mechanischen oder hydraulischen Stempel, um das Stück mit einem einzigen, langsamen, kontrollierten Hub zu formen (siehe Abbildung 1). Das Pressschmieden wird in der Regel automatisch gesteuert. Es kann heiß oder bei normalen Temperaturen (Kaltschmieden, Strangpressen) erfolgen. Eine Variation des normalen Schmiedens ist das Walzen, bei dem eine kontinuierliche Kraftanwendung verwendet wird und der Bediener das Teil dreht.

Abbildung 1. Pressschmieden

Formschmiermittel werden vor und zwischen Hammer- oder Pressenschlägen auf die Formflächen und Rohlingsoberflächen gesprüht oder anderweitig aufgetragen.

Hochfeste Maschinenteile wie Wellen, Zahnkränze, Bolzen und Fahrzeugaufhängungskomponenten sind gängige Stahlschmiedeprodukte. Hochfeste Flugzeugkomponenten wie Flügelholme, Turbinenscheiben und Fahrwerke werden aus Aluminium, Titan oder Nickel-Stahl-Legierungen geschmiedet. Ungefähr 3 % der Automobilarbeiter sind in Schmiedebetrieben oder -werken tätig.

Arbeitsbedingungen

Beim Stanzen und Schmieden treten viele Gefahren auf, die in der Schwerindustrie üblich sind. Dazu gehören Verletzungen durch wiederholte Belastung (RSIs) durch wiederholte Handhabung und Verarbeitung von Teilen und Bedienung von Maschinensteuerungen wie Handflächentasten. Schwere Teile setzen Arbeiter einem Risiko für Rücken- und Schulterprobleme sowie Muskel-Skelett-Erkrankungen der oberen Extremitäten aus. Pressenbediener in Stanzwerken für die Automobilindustrie haben Raten von RSIs, die mit denen von Arbeitern in Montagewerken in Hochrisikoberufen vergleichbar sind. Bei den meisten Stanz- und einigen Schmiedevorgängen (z. B. Dampf- oder Lufthammer) treten hochimpulsige Vibrationen und Geräusche auf, die zu Gehörverlust und möglichen Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen; diese gehören zu den geräuschstärksten Industrieumgebungen (über 100 dBA). Wie bei anderen Formen von automatisierungsgesteuerten Systemen kann die Energiebelastung der Arbeiter hoch sein, abhängig von den gehandhabten Teilen und den Taktraten der Maschine.

Katastrophale Verletzungen durch unvorhergesehene Maschinenbewegungen sind beim Stanzen und Schmieden keine Seltenheit. Diese können auf Folgendes zurückzuführen sein: (1) mechanisches Versagen von Maschinensteuerungssystemen, wie z. B. Kupplungsmechanismen in Situationen, in denen erwartet wird, dass sich Arbeiter routinemäßig innerhalb des Maschinenbetriebsbereichs befinden (ein nicht akzeptables Prozessdesign); (2) Mängel im Maschinendesign oder in der Leistung, die zu unprogrammierten Arbeitereingriffen führen, wie z. B. das Bewegen blockierter oder falsch ausgerichteter Teile; oder (3) unsachgemäße, risikoreiche Wartungsverfahren, die ohne angemessene Sperrung des gesamten betroffenen Maschinennetzwerks durchgeführt werden, einschließlich der Automatisierung der Teileübergabe und der Funktionen anderer angeschlossener Maschinen. Die meisten automatisierten Maschinennetzwerke sind nicht für eine schnelle, effiziente und effektive Sperrung oder sichere Fehlerbehebung konfiguriert.

Nebel aus Maschinenschmierölen, die während des normalen Betriebs entstehen, sind ein weiteres allgemeines Gesundheitsrisiko bei Stanz- und Schmiedepressen, die mit Druckluft betrieben werden, und setzen die Arbeiter möglicherweise einem Risiko für Atemwegs-, Haut- und Verdauungskrankheiten aus.

Gesundheits- und Sicherheitsprobleme

Stempeln

Bei Stanzvorgängen besteht aufgrund der erforderlichen Handhabung von Teilen mit scharfen Kanten ein hohes Risiko schwerer Schnittwunden. Möglicherweise schlechter ist die Handhabung des Ausschusses, der durch abgeschnittene Ränder und ausgestanzte Abschnitte von Teilen entsteht. Schrott wird typischerweise durch schwerkraftbeschickte Rutschen und Förderer gesammelt. Das Beheben gelegentlicher Staus ist eine Aktivität mit hohem Risiko.

Spezifische chemische Gefahren beim Stanzen entstehen typischerweise aus zwei Hauptquellen: Ziehverbindungen (dh Werkzeugschmiermittel) im tatsächlichen Pressbetrieb und Schweißemissionen beim Zusammenbau der gestanzten Teile. Ziehpasten (DCs) werden für die meisten Stempel benötigt. Das Material wird auf Blech gesprüht oder gerollt und weitere Nebel werden durch den Stanzvorgang selbst erzeugt. Wie andere Metallbearbeitungsflüssigkeiten können Ziehöle reine Öle oder Ölemulsionen (lösliche Öle) sein. Zu den Komponenten gehören Erdölfraktionen, spezielle Schmiermittel (z. B. tierische und pflanzliche Fettsäurederivate, chlorierte Öle und Wachse), Alkanolamine, Erdölsulfonate, Borate, von Cellulose abgeleitete Verdickungsmittel, Korrosionsinhibitoren und Biozide. Die Nebelkonzentrationen in der Luft bei Stanzvorgängen können die typischer Bearbeitungsvorgänge erreichen, obwohl diese Werte im Durchschnitt tendenziell niedriger sind (0.05 bis 2.0 mg/m³). Auf Gebäudeoberflächen sind jedoch häufig sichtbarer Nebel und angesammelter Ölfilm vorhanden, und der Hautkontakt kann aufgrund der umfangreichen Handhabung von Teilen höher sein. Expositionen, die am wahrscheinlichsten Gefahren darstellen, sind chlorierte Öle (möglicherweise Krebs, Lebererkrankungen, Hauterkrankungen), Kolophonium- oder Tallölfettsäurederivate (Sensibilisatoren), Erdölfraktionen (Verdauungskrebs) und möglicherweise Formaldehyd (aus Bioziden) und Nitrosamine (aus Alkanolamine und Natriumnitrit, entweder als DC-Bestandteile oder in Oberflächenbeschichtungen auf eingehendem Stahl). Erhöhter Verdauungskrebs wurde in zwei Automobilpresswerken beobachtet. Mikrobiologische Ausblühungen in Systemen, die DCs aufbringen, indem sie aus einem offenen Reservoir auf Bleche gerollt werden, können für Arbeiter ein Risiko für respiratorische und dermatologische Probleme darstellen, analog zu denen bei Bearbeitungsvorgängen.

Das Schweißen von Stanzteilen erfolgt häufig in Stanzwerken, meist ohne Zwischenwaschen. Dies erzeugt Emissionen, die Metalldämpfe und Pyrolyse- und Verbrennungsprodukte von Ziehpaste und anderen Oberflächenrückständen umfassen. Typische (hauptsächlich Widerstands-) Schweißvorgänge in Presswerken erzeugen Gesamtkonzentrationen in der Luft im Bereich von 0.05 bis 4.0 mg/m³. Der Metallgehalt (als Rauch und Oxide) macht normalerweise weniger als die Hälfte dieser Partikel aus, was auf bis zu 2.0 mg/m hinweist³ ist schlecht charakterisierter chemischer Schutt. Das Ergebnis ist ein Schleier, der in vielen Schweißbereichen des Presswerks sichtbar ist. Das Vorhandensein von chlorierten Derivaten und anderen organischen Inhaltsstoffen wirft ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Zusammensetzung von Schweißrauch in diesen Umgebungen auf und spricht stark für Lüftungsregelungen. Das Auftragen anderer Materialien vor dem Schweißen (z. B. Grundierung, Farbe und epoxidartige Klebstoffe), von denen einige dann überschweißt werden, gibt weitere Bedenken. Reparaturarbeiten in der Schweißproduktion, die in der Regel manuell durchgeführt werden, stellen häufig eine höhere Exposition gegenüber denselben Luftschadstoffen dar. Bei Schweißern in einem Stanzwerk für Automobile wurden überhöhte Lungenkrebsraten beobachtet.

Fälschung

Wie beim Stanzen können Schmiedevorgänge ein hohes Rissrisiko darstellen, wenn Arbeiter geschmiedete Teile handhaben oder Grate oder unerwünschte Kanten von Teilen abschneiden. Beim Schmieden mit hoher Schlagkraft können auch Fragmente, Zunder oder Werkzeuge herausgeschleudert werden, was zu Verletzungen führen kann. Bei manchen Schmiedetätigkeiten greift der Arbeiter das Werkstück während der Press- oder Schlagschritte mit einer Zange, was das Risiko für Muskel-Skelett-Verletzungen erhöht. Beim Schmieden sind im Gegensatz zum Stanzen Öfen zum Erhitzen von Teilen (zum Schmieden und Glühen) sowie Behälter mit heißen Schmiedestücken normalerweise in der Nähe. Diese schaffen ein Potenzial für Bedingungen mit hoher Hitzebelastung. Zusätzliche Faktoren für Hitzestress sind die Stoffwechselbelastung des Arbeiters während der manuellen Handhabung von Materialien und in einigen Fällen Wärme von Verbrennungsprodukten von ölbasierten Formschmiermitteln.

Gesenkschmierung ist bei den meisten Schmiedearbeiten erforderlich und hat die zusätzliche Eigenschaft, dass das Schmiermittel mit Hochtemperaturteilen in Kontakt kommt. Dies bewirkt eine sofortige Pyrolyse und Aerosolisierung nicht nur in den Matrizen, sondern auch nachträglich von Rauchteilen in Kühlbehältern. Schmiermittelbestandteile für Schmiedegesenke können Graphitaufschlämmungen, polymere Verdickungsmittel, Sulfonat-Emulgatoren, Erdölfraktionen, Natriumnitrat, Natriumnitrit, Natriumcarbonat, Natriumsilikat, Silikonöle und Biozide umfassen. Diese werden als Sprays oder bei einigen Anwendungen durch Tupfer aufgetragen. Öfen zum Erhitzen von zu schmiedendem Metall werden normalerweise mit Öl oder Gas befeuert oder es handelt sich um Induktionsöfen. Emissionen können aus brennstoffbefeuerten Öfen mit unzureichendem Zug und aus nicht belüfteten Induktionsöfen resultieren, wenn eingehendes Metallmaterial Oberflächenverunreinigungen wie Öl oder Korrosionsinhibitoren aufweist oder wenn es vor dem Schmieden zum Scheren oder Sägen geschmiert wurde (wie in bei Stangenmaterial). In den USA liegen die Gesamtpartikelkonzentrationen in der Luft beim Schmieden typischerweise im Bereich von 0.1 bis 5.0 mg/m³ und variieren stark innerhalb von Schmiedevorgängen aufgrund thermischer Konvektionsströme. Bei Schmiede- und Wärmebehandlungsarbeitern aus zwei Produktionsstätten für Kugellager wurde eine erhöhte Lungenkrebsrate beobachtet.

Gesundheits- und Sicherheitspraktiken

Nur wenige Studien haben die tatsächlichen gesundheitlichen Auswirkungen bei Arbeitern mit Stanz- oder Schmiedeexposition bewertet. Eine umfassende Charakterisierung des Toxizitätspotentials der meisten Routineoperationen, einschließlich der Identifizierung und Messung von prioritären toxischen Stoffen, wurde nicht durchgeführt. Die Bewertung der langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen der in den 1960er und 1970er Jahren entwickelten Formschmierungstechnologie ist erst seit kurzem möglich. Infolgedessen werden bei der Regulierung dieser Expositionen standardmäßig allgemeine Staub- oder Gesamtpartikelstandards wie 5.0 mg/m verwendet³ in den USA. Obwohl dieser Standard unter bestimmten Umständen wahrscheinlich angemessen ist, ist er für viele Stanz- und Schmiedeanwendungen nachweislich nicht angemessen.

Eine gewisse Verringerung der Konzentrationen von Gesenkschmiermittelnebeln ist bei sorgfältiger Handhabung des Auftragungsverfahrens sowohl beim Stanzen als auch beim Schmieden möglich. Wenn möglich, wird beim Stempeln eine Rollenapplikation bevorzugt, und die Verwendung von minimalem Luftdruck beim Sprühen ist von Vorteil. Eine mögliche Eliminierung von prioritären gefährlichen Inhaltsstoffen sollte untersucht werden. Gehäuse mit Unterdruck und Nebelabscheider können sehr effektiv sein, können aber mit der Teilehandhabung nicht kompatibel sein. Das Filtern von Luft, die aus Hochdruckluftsystemen in Pressen freigesetzt wird, würde Pressölnebel (und Geräusche) reduzieren. Der Hautkontakt bei Stanzvorgängen kann durch Automatisierung und gute persönliche Schutzausrüstung reduziert werden, die sowohl Schutz vor Schnittverletzungen als auch vor Flüssigkeitssättigung bietet. Beim Schweißen in Presswerken ist das Waschen der Teile vor dem Schweißen sehr wünschenswert, und eine teilweise Einhausung mit LEV würde die Rauchentwicklung erheblich reduzieren.

Zu den Kontrollen zur Verringerung der Hitzebelastung beim Stanzen und Warmschmieden gehören die Minimierung der manuellen Materialhandhabung in Bereichen mit hoher Hitze, die Abschirmung von Öfen zur Verringerung der Wärmeabstrahlung, die Minimierung der Höhe von Ofentüren und -schlitzen und die Verwendung von Kühlgebläsen. Die Position von Kühlgebläsen sollte ein integraler Bestandteil der Gestaltung der Luftbewegung sein, um Nebelexposition und Hitzestress zu kontrollieren; Andernfalls kann eine Kühlung nur auf Kosten höherer Expositionen erreicht werden.

Die Mechanisierung der Materialhandhabung, der Wechsel vom Hammer- zum Pressschmieden, wenn möglich, und die Anpassung der Arbeitsgeschwindigkeit an ein ergonomisch sinnvolles Niveau können die Anzahl der Muskel-Skelett-Verletzungen reduzieren.

Der Geräuschpegel kann durch eine Kombination aus dem Umschalten von Hammer- auf Pressschmieden, wenn möglich, gut gestalteten Gehäusen und der Geräuschdämpfung von Ofengebläsen, Luftkupplungen, Luftleitungen und Teilehandhabung reduziert werden. Ein Gehörschutzprogramm sollte eingeführt werden.

Zu der erforderlichen PSA gehören Kopfschutz, Fußschutz, Schutzbrille, Gehörschutz (in der Nähe wie bei übermäßigem Lärm), hitze- und ölbeständige Schürzen und Leggings (bei starkem Einsatz von ölbasierten Formschmiermitteln) sowie Infrarot-Augen- und Gesichtsschutz (in der Nähe von Öfen).

Gefahren für die Umwelt

Die von Presswerken ausgehenden Umweltgefahren, die im Vergleich zu denen einiger anderer Anlagentypen relativ gering sind, umfassen die Entsorgung von Ziehmittelabfällen und Waschlösungen und das Abziehen von Schweißrauch ohne angemessene Reinigung. Einige Schmiedewerke haben in der Vergangenheit durch Schmiederauch und Zunderstaub zu einer akuten Verschlechterung der lokalen Luftqualität geführt. Bei entsprechender Luftreinigungskapazität muss dies jedoch nicht vorkommen. Die Entsorgung von Stanzschrott und Schmiedezunder, die Gesenkschmiermittel enthalten, ist ein weiteres potenzielles Problem.

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