Schlag-Rotationsbohren erklärt: Warum das gleichzeitige Schlagen auf das Gestein alles veränderte

Wer schon einmal mit einem reinen Drehbohrgerät harten Granit gebohrt hat, kennt das Gefühl. Der Bohrer dreht sich, das Gewicht drückt nach unten, und kaum etwas passiert. Die Bohrgeschwindigkeit sinkt auf Millimeter pro Minute. Der Bohrer verglast. Die Arbeiter fangen an, ihre Handys zu checken.

Stellen Sie sich nun denselben Felsen vor, aber diesmal befindet sich am Grund des Bohrlochs ein Hammer, der den Bohrer fünfzig Mal pro Sekunde in das Gestein schlägt, während sich das Bohrgestänge darüber dreht. Das ist das Schlagbohren. Und in hartem Gestein ist es nicht nur schneller – es entscheidet oft darüber, ob ein Projekt rentabel ist oder ob es Unsummen an Bohrmetern verschlingt.

Woher es stammt

Die Idee, Rotation mit Schlagkraft zu kombinieren, ist nicht neu. Europäische Bohrmeister experimentierten bereits Anfang des 19. Jahrhunderts damit. Das chinesische Geologieministerium begann 1958 mit ernsthaften Forschungen, und die Technologie erlebte in den 1970er Jahren mit der Weiterentwicklung hydraulischer und pneumatischer Systeme einen Aufschwung. Der Vorteil lag auf der Hand: In harten Gesteinsformationen erzeugt die Rotation allein nur Schabe. Durch den zusätzlichen Schlag wird das Gestein zersplittert.

Die drei Kräfte – der Schlagimpuls des Hammers, das axiale Gewicht auf den Meißel und das Drehmoment des Bohrkopfes – wirken gleichzeitig auf den Meißel ein. Der Schlag erzeugt Mikrorisse im Gestein vor der Meißelvorderseite. Die Rotation positioniert den Meißel bei jedem Schlag im Gestein. Der Vorschubdruck hält den Meißel im Gestein, sodass die Schlagenergie tatsächlich ins Gestein eindringt und nicht durch das Bohrgestänge zurückgeworfen wird.

Das Ergebnis: höhere Bohrgeschwindigkeiten, längere Laufzeiten zwischen den Bohrmeißelwechseln, geradere Bohrlöcher (weil die Schlagwirkung Abweichungen besser widersteht als die reine Rotation) und deutlich niedrigere Kosten pro Meter in harten Formationen.

Zwei Möglichkeiten, den Hammer zu treiben

Schlagrotationssysteme lassen sich anhand der Antriebsart des Hammers in zwei Familien unterteilen:

Hydraulisch angetriebene (flüssigkeitsgetriebene) SystemeBei diesen Systemen wird Bohrflüssigkeit – Schlamm oder Wasser – durch das Bohrgestänge gepumpt, um einen Kolbenhammer anzutreiben, der oberhalb des Kernrohrs oder des Bohrers montiert ist. Dieselbe Flüssigkeit, die den Hammer antreibt, spült auch das Bohrklein aus. Solche Systeme sind in der Mineralexploration und bei geotechnischen Bohrungen weit verbreitet, insbesondere wenn das Bohrloch für die Kerngewinnung sauber bleiben muss. Sie lassen sich sogar mit Drahtseilkernbohrungen kombinieren, bei denen die Hammer- und Innenrohrbaugruppe in das Bohrgestänge abgelassen und mit einem Überschuss an einem Drahtseil wieder eingeholt wird – so muss das gesamte Bohrgestänge nicht für jeden Kernbohrvorgang neu gestartet werden.

Pneumatisch angetriebene SystemeWas die meisten Leute mit DTH (Down-The-Hole) meinen, ist Druckluft. Der Hammer befindet sich direkt hinter dem Bohrmeißel am Bohrlochgrund. Die Druckluft treibt den Kolben an, und die Abluft spült das Bohrgut durch den Ringraum nach oben. DTH-Systeme sind vorherrschend beim Sprenglochbohren, Brunnenbohren und Baubohren, wo größere Bohrlochdurchmesser üblich und Druckluft praktikabel ist. Sie liefern eine höhere Schlagenergie pro Schlag als die meisten Hydraulikhämmer und eignen sich hervorragend für harte, abrasive Gesteinsformationen.

Frequenzklassen: Schnelles Tippen vs. Hartes Schlagen

Nicht alle Schlaghämmer funktionieren gleich. Man unterscheidet zwei Frequenzklassen, und welche man verwendet, bestimmt den passenden Meißeltyp:

Hochfrequenzhämmer (über 40 Hz – mehr als 40 Schläge pro Sekunde)Schnellschlaghämmer liefern zwar weniger Energie pro Schlag, dafür aber eine deutlich höhere Schlagfrequenz. Im Hochfrequenzmodus ist die Rotation weiterhin der primäre Mechanismus zum Gesteinsabbau – der Aufprall unterstützt die Arbeit, indem er die Schneidfläche des Meißels scharf hält und ein Verglasen des Meißels in harten Gesteinsformationen verhindert. Diese Hämmer werden mit Diamantmeißeln kombiniert, bei denen die Schneidwirkung durch das Eindringen der Diamanten in das Gestein entsteht und der Aufprall ein Überpolieren der Matrix verhindert.

Niederfrequente Hämmer (unter 40 Hz)Sie sind die Schwergewichte. Weniger Schläge pro Sekunde, aber jeder Schlag liefert deutlich mehr Energie. In diesem Modus ist der Aufprall der primäre Mechanismus zum Gesteinsabbau, die Rotation dient hauptsächlich der Ausrichtung des Meißels. Diese Hämmer werden mit Hartmetall-Einsätzen verwendet – die großen Hartmetall-Einsätze können hohe Einzelschlagenergie absorbieren und weiterleiten, ohne zu brechen, was Diamantsegmente im Allgemeinen nicht können.

Die Wahl der Frequenz hängt von der Härte der Formation, dem Bohrmeißeltyp und dem angestrebten Optimierungsziel ab: Bohrgeschwindigkeit oder Bohrmeißelstandzeit.

Warum das alles für Werkzeugkäufe wichtig ist

Wenn Sie DTH-Hämmer oder -Bohrer für ein Projekt kaufen, ist das Schlag-Rotations-Prinzip wichtig, weil es bestimmt, was sich abnutzt und wie.

Ein DTH-Hammer ist ein Präzisionsgerät. Der Kolben läuft in einem Zylinder mit Toleranzen im Tausendstel-Zoll-Bereich. Verunreinigte Luft, unzureichende Schmierung oder falscher Druck beeinträchtigen nicht nur die Leistung, sondern zerstören den Hammer von innen. Der Kolben reibt sich im Zylinder fest. Das Rückschlagventil klemmt. Der Meißelschaft wird über die Toleranz hinaus verformt. Diese vermeidbaren Ausfälle verursachen hohe Kosten.

Der Bohrer hat es noch schwerer. Ein DTH-Bohrer ist gleichzeitig Stößen, Rotation und abrasiver Spülluft ausgesetzt. Die Hartmetallspitzen müssen robust genug sein, um unter hoher Einzelstoßenergie nicht zu brechen, und gleichzeitig hart genug, um dem abrasiven Verschleiß durch vorbeirasende Bohrspäne standzuhalten. Das sind widersprüchliche Anforderungen, und deshalb sind gute DTH-Bohrer teuer und billige versagen kläglich.

Fazit

Das Schlagbohren ist seit Jahrzehnten die Standardlösung für Hartgestein. Die physikalischen Grundlagen haben sich seit den 1970er Jahren kaum verändert – verbessert wurden die Metallurgie, die Fertigungspräzision und die Zuverlässigkeit der Hämmer. Die Wahl zwischen hydraulischem und pneumatischem Bohren, Hochfrequenz- und Niederfrequenzbohren hängt vom Bohrlochdurchmesser, der Gesteinsformation und davon ab, ob ein Kernbohrkern gewonnen oder lediglich ein Bohrloch gebohrt werden soll.

Wissen Sie, welche Art von Hammer Sie verwenden, wählen Sie Ihre Bohrer entsprechend der Frequenz aus und pflegen Sie den Hammer wie ein Präzisionswerkzeug. Dann wird selbst hartes Gestein kein Problem mehr darstellen und zur Routine.