Wie unterschiedliche Designs von Bohrkrone-Zähnen die Bohreffizienz in Hartgestein und Boden beeinflussen

Grundlegende mechanische Prinzipien: Wie die Zahngeometrie Energieübertragung und Bruchmodus bestimmt

Das Design der Bohrkrone-Zähne bestimmt unmittelbar die Energienutzungseffizienz durch geometrische Parameter, die die Mechanik des Gesteinsbruchs steuern. Eine optimale Zahnkonfiguration minimiert Energieverluste, indem sie das Versagen gezielt in effiziente Schermodi lenkt – statt energieintensivem Zerkleinern.

Spitzenwinkel, Rückenschleifwinkel und Seitenwinkel: Ihr direkter Einfluss auf scherungsdominiertes bzw. druckdominiertes Gesteinsversagen

Der Spitzenwinkel spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Rissen. Schärfere Winkel unter 90 Grad führen dazu, dass sich Spannungspunkte konzentrieren, wodurch sich Risse rasch durch Gesteinsformationen ausbreiten können. Dann gibt es noch den Rückenschneidwinkel (back rake), der angibt, unter welchem Winkel die Schneidezähne gegenüber der Formation selbst geneigt sind. Dieser bestimmt tatsächlich die Art des Versagens während des Bohrvorgangs. Bei niedrigeren Winkeln zwischen 15 und 25 Grad treten überwiegend kompressive Zerkleinerungseffekte auf. Bei steileren Winkeln jedoch – etwa zwischen 35 und 45 Grad – entstehen günstigere Bedingungen für ein Scherversagen durch Zugbruch. Auch der Seitenschneidwinkel (side rake) ist von Bedeutung, da er beeinflusst, wie Bohrklein aus dem Bohrloch ausgeworfen wird, und seitliche Kräfte über die Bohrmeißeloberfläche verteilt. Aggressivere Seitenschneidwinkel über 20 Grad können Balling-Probleme in klebrigen Formationen deutlich verringern. Feldversuche zeigen, dass eine optimale Abstimmung all dieser Parameter den spezifischen Energieverbrauch beim Bohren unter scherdominierten Bedingungen um rund 18 bis 22 Prozent senken kann, verglichen mit Situationen, bei denen die Zerkleinerung der dominierende Versagensmechanismus ist (diese Erkenntnis wurde im Journal of Petroleum Technology in der Ausgabe 2023 veröffentlicht).

FEA-Nachweis: 27 % höhere spezifische Energie bei geringem Rückwärtswinkel (15°) im Vergleich zum optimalen Design (35°) auf Granit

Der Einsatz der Finite-Elemente-Analyse hilft dabei, den Einfluss der Geometrie auf die Leistung bei der Bearbeitung von Hartgestein zu ermitteln. Beispielsweise benötigen ältere Schneidplatten mit einem Rückwinkel von 15 Grad im Granit etwa 27 Prozent mehr Energie als neuere Versionen mit einem Rückwinkel von 35 Grad, da sie Druckbelastungen weniger effizient bewältigen. Die Wahl des richtigen Winkels macht tatsächlich einen erheblichen Unterschied: Sie führt zu günstigeren Scherflächen und verringert jene störenden Einschlussprobleme, die den Prozess verlangsamen. Die Analyse der Spannungsverteilungsmuster zeigt zudem Folgendes: Designs mit einem Rückwinkel von 35 Grad reduzieren die von-Mises-Spannung im Bereich der Schneidkante um rund 41 Prozent – dies bedeutet geringere Wärmeentwicklung und eine langsamere Werkzeugabnutzung im Zeitverlauf. Damit wird deutlich, dass bei der Bearbeitung harter geologischer Formationen, bei denen der Energieverbrauch im Vordergrund steht, die tatsächliche Geometrie der Schneidwerkzeuge einen stärkeren Einfluss auf die Gesamteffizienz hat als allein die Verwendung extrem harter Materialien.

Bohrmeißelzähne Konstruktion und Bohreffizienz in hartem Gestein (Granit, Quarzit, Basalt)

Hartmetall-Einsatzbohrer (TCI-Bohrer): Ausgewogenes Verhältnis von Verschleißfestigkeit und Risiko spröder Brüche bei hohem Umgebungsdruck

TCI-Bitstypen sind nahezu die erste Wahl beim Bohren in hartem Gestein, da sie eine außerordentlich hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Doch bei besonders tiefen Bohrlöchern, wo der Druck extrem hoch wird, zeigen die Hartmetallzähne erste Anzeichen von Spannungsrisse. Laut unseren FEA-Ergebnissen benötigen Konstruktionen mit kleinem Rückwinkel (ca. 15 Grad) etwa 27 Prozent mehr Energie als die optimale Auslegung mit einem Rückwinkel von 35 Grad beim Bohren durch Granit. Diese zusätzliche Belastung beschleunigt zudem den Verschleiß der Einsätze. Sobald wir die Tiefe von 1.500 Metern unter Tage überschreiten, verschärft sich die Situation weiter, da der umgebende Gesteinsdruck über 50 MPa ansteigt. Untersuchungen zeigen, dass bei Quarzitformationen jede zusätzliche Druckerhöhung um 10 MPa die Rate an Einsatzerbrüchen um rund 18 % steigert. Die Wahl der richtigen Hartmetallqualität ist hier von entscheidender Bedeutung: Grobkörnige Varianten vertragen plötzliche Stöße besser, neigen jedoch im Langzeitbetrieb stärker zum Verschleiß – die Betreiber müssen daher je nach Einsatzanforderung ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Zähigkeit und Lebensdauer finden.

Wenn gefräste Zahnbohrer überzeugen: Rotations-Schlag-Leistung in Quarzit mit einer Druckfestigkeit von 80 MPa und die Rolle der makrogeometrischen Widerstandsfähigkeit

Wenn es darum geht, extrem harte Quarzitgesteine mit Druckfestigkeiten über 80 MPa zu durchbohren, schneiden Fräszahnbohrmeißel im Allgemeinen besser ab als herkömmliche Hartmetall-Inserts (TCIs). Die spezielle Formgebung dieser Meißel verleiht ihnen die erforderliche strukturelle Festigkeit für derart anspruchsvolle Arbeiten. Stahlzähne bewältigen wiederholte Belastungen besser als die spröden Hartmetall-Inserts, da sie kleine Risse kontrolliert bilden, anstatt auf einmal zu zerbrechen. Feldtests ergaben tatsächlich, dass dieser Ansatz die Gesamtanzahl an Meißelausfällen um etwa 40 % reduziert. Ein weiterer großer Vorteil ist das breitere Zahnfach („gullet“), das verhindert, dass Bohrklein in gebrochenen Basaltformationen zusammenballt. Dadurch läuft der Bohrvorgang reibungsloser ab und erreicht eine Effizienz von rund 92 % – verglichen mit lediglich 78 % bei Einsatz herkömmlicher TCI-Meißel unter ähnlichen Bedingungen. Für Unternehmen, die seismische Untersuchungen durchführen oder Tunnel durch gemischte, hartgesteinsreiche Umgebungen bauen, wird der Wechsel zu Fräszahnbohrmeißeln häufig zur Notwendigkeit statt zur Option.

Bohrmeißelzähne Konstruktion und Bohreffizienz in weichen bis mittelharten Formationen (Ton, Schiefer, verwitterter Sandstein)

Vermeidung von Balling und Verbesserung der Späneabfuhr: Die entscheidende Rolle eines aggressiven Seitenwinkels und der Nutengeometrie

Die Arbeit mit tonreichen und schieferartigen Formationen bereitet Bohrern erhebliche Schwierigkeiten, denn wenn die Bohrspäne nicht ordnungsgemäß abtransportiert werden, treten Probleme mit der Bitverklebung („bit balling“) auf. Dies geschieht, wenn sämtliches Bohrgut an den Bohrwerkzeugen haften bleibt, wodurch sich diese stärker als nötig drehen und die Erreichung größerer Bohrtiefen verlangsamt wird. Der Einsatz aggressiver Seitenfreiwinkel von etwa 35 bis 45 Grad hilft dabei, die Bohrspäne seitlich in die Rillenkanäle zu befördern, statt zuzulassen, dass sie sich direkt am Bohrwerkzeug ansammeln. In Kombination mit besser gestalteten Rillenkanälen – mit breiteren Abschnitten und steileren Wänden – bewegt sich das Material deutlich schneller hindurch, ohne zu haften. Tests in verwittertem Sandstein ergaben etwa 40 Prozent weniger Verklebungsprobleme im Vergleich zu herkömmlichen Ausrüstungskonfigurationen. Gut gestaltete Fließwege verhindern, dass immer wieder über altes Bohrgut neu gebohrt werden muss; dies gewährleistet einen reibungslosen Betrieb und verringert den Verschleiß, der durch Überhitzung in diesen anspruchsvollen Formationen verursacht wird.

Material- und Strukturkompromisse: TCI vs. gefräste Zähne für eine dauerhafte Bohrleistung

Integrität der Hartmetallbindung, thermische Ermüdung und Mikrorissbildung an Stahlzähnen unter zyklischer Belastung

Das Design der Bohrkrone-Zähne und deren Effizienz hängen weitgehend davon ab, wie gut der Materialzerfall unter betrieblichen Spannungen kontrolliert wird. Thermische Ermüdung stellt ein großes Problem für TCI-Bohrkronen dar, da das wiederholte Erhitzen und Abkühlen die Bindung zwischen Hartmetall und Grundmaterial schwächt, was nach längeren Bohrphasen zum Lockern der Hartmetalleinsätze führen kann. Auch fräsbare Stahlzähne weisen eigene Probleme auf: Durch die ständigen Stöße bilden sich im Laufe der Zeit mikroskopisch kleine Risse, insbesondere in Granitformationen, wo der Druck über 750 MPa liegt. Die Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass TCI-Einsätze unter harten Gesteinsbedingungen etwa 1,8-mal länger halten, bevor sie versagen; bei zu aggressiver Geometrie treten thermische Probleme jedoch sogar schneller auf. Bei Stahlzähnen sieht die Situation anders aus: Das ständige Schlagen in abrasivem Gestein lässt diese Mikrorisse während jeder Betriebsstunde um 0,3 bis 0,5 mm wachsen, sodass sie – obwohl sie preisgünstiger sind – früher ausgetauscht werden müssen. Die Suche nach dem richtigen Gleichgewicht für eine optimale Gesamteffizienz bedeutet, das passende Werkzeug der jeweiligen Aufgabe zuzuordnen. TCI-Einsätze zeigen ihre beste Leistung, wenn Temperaturschwankungen nicht zu extrem sind und vor allem Verschleiß im Vordergrund steht. Stahlzähne sind dagegen dann sinnvoller, wenn Bruchfestigkeit und die Fähigkeit zur Bewältigung plötzlicher Stöße im Vordergrund stehen.

FAQ

Welchen Einfluss hat die Zahngeometrie eines Bohrmeißels auf die Energieeffizienz?

Die Geometrie der Bohrmeißelzähne beeinflusst die Energieeffizienz unmittelbar, da sie die Mechanik des Gesteinsbruchs bestimmt. Optimale Konfigurationen minimieren Energieverluste, indem sie effiziente Schermodi fördern und energieintensives Zerkleinern vermeiden.

Wie beeinflussen Spitzenwinkel, Rückenschneidwinkel und Seitenneigungswinkel das Gesteinsversagen während des Bohrens?

Der Spitzenwinkel beeinflusst die Initiation von Brüchen: Schärfere Winkel führen zu einer höheren Spannungskonzentration und begünstigen die Rissausbreitung. Rückenschneidwinkel wirken sich auf die Art des Versagens aus; steilere Winkel begünstigen ein Scherversagen durch Zug. Der Seitenneigungswinkel beeinflusst die Spanabfuhr und die Verteilung der seitlichen Kräfte; aggressivere Winkel verringern Balling-Probleme.

Wie trägt die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zum Verständnis der Bohrmeißelleistung bei?

Die FEA hilft bei der Leistungsbewertung durch die Analyse der Spannungsverteilung und des Energieverbrauchs. Sie verdeutlicht die Auswirkungen von Konstruktionsvarianten – beispielsweise des Rückenschneidwinkels – auf Effizienz, Verschleiß und Spannungsmuster und unterstützt so die Optimierung der Werkzeuggeometrie und des Energieeinsatzes.

Welche Vorteile bieten Fräszahnbohrer gegenüber herkömmlichen Hartmetall-Bohrern (TCIs) beim Bohren in hartem Gestein?

Fräszahnbohrer zeichnen sich durch strukturelle Robustheit aus und reduzieren Ausfälle durch die gezielte Ausbildung kontrollierter Risse. Sie eignen sich besonders gut für das Bohren in hartem Gestein, da sie ihre Effizienz bewahren und Pack-up-Probleme verringern – im Gegensatz zu spröden Hartmetalleinsätzen bei herkömmlichen TCIs.

Warum ist die Auswahl der richtigen Hartmetallqualität in Hochdruck-Bohrumgebungen entscheidend?

In Hochdrumgebungen beeinflussen Hartmetallqualitäten die Verschleiß- und Bruchfestigkeit. Grobkörnige Sorten weisen eine bessere Schlagzähigkeit auf, verschleißen jedoch schneller. Die Wahl der geeigneten Qualitätsstufe ermöglicht ein optimales Gleichgewicht zwischen Schlagzähigkeit und Lebensdauer für höchste Leistung.