De toekomst vormgeven: Innovaties in metaalbewerkingsvloeistoffen, smeermiddelen en koelmiddelen

Wat brengt de toekomst voor koelmiddelen, smeermiddelen en metaalbewerkingsvloeistoffen? We spraken met oudgedienden in de industrie om de evolutie van het huidige koellandschap en de innovaties van morgen beter te begrijpen.

Wat is er nieuw en wat komt er aan voor metaalbewerkingsvloeistoffen? Dat hangt van een paar essentiële voorwaarden af: Welk materiaal wordt gesneden? Wat zijn de regelgeving en gelokaliseerde behoeften die gelden voor MWFs op het moment dat ze worden gebruikt? En welke innovaties in gereedschap en in de productie in het algemeen zullen wortelschieten die de aard van koeling kunnen veranderen?

Van marktperspectief uit wordt verwacht dat de markt voor metaalbewerkingsvloeistoffen wereldwijde uitgroeit tot 15 miljard dollar in 2025, volgens Global Market Insights, een onderzoeksbureau en adviesbureau. In 2016 schatte Markets and Markets Research dat de MWF-markt 9,74 miljard dollar zou zijn in 2020 met een samengestelde jaarlijkse groeivoet van 3,2 procent.

Voor veel metaalsoorten die worden gesneden, zoals staal en ijzer, is smeerwerking – met water of olie (of beide) – belangrijk voor het verwijderen van spanjefragmenten, en helpen additieven om metaalvervorming en roest te voorkomen – en deze vloeistoffen helpen de oppervlaktetemperaturen te koelen en de standtijd van het gereedschap te behouden. Toch rijzen gezondheids- en veiligheidszorgen wanneer MWFs in spel zijn, zodat vloeistoffabrikanten hun formuleringen en chemische samenstellingen voortdurend aanpassen en herbereknen om prestaties te maximaliseren en afval te minimaliseren. Klanten willen koelmiddelen kunnen recyclen om kosten te verlagen – en ze willen dat al gebruikte koelmiddel zo lang mogelijk in de put blijft zonder gezondheidsproblemen te veroorzaken.

Het is geen makkelijke klus. Het grootste gezondheidsprobleem overall is huidirritatie – iets waar alle fabrikanten proberen te voorkomen, maar de juiste systemen, zoals mistafscheiders, en beschermingsmiddelen, zoals handschoenen, oogbescherming en mondmaskers, moeten ook worden gebruikt, vinden de vloeistoffabrikanten.

Innovatie ontstaat door de balans te zoeken tussen de prestatiebehoeftes van deelafabricatie en gewenste gezonde resultaten. Het wordt gemakkelijker om aan deze behoeften te voldoen, maar het is een lange weg geweest om daar te komen. Er is de beweging naar minimale hoeveelheid smering – wat precies is wat het klinkt: gebruik de minste hoeveelheid smeerwerking met de minste hoeveelheid chemicaliën, additieven en emulgatoren. De zorgen over andere chemisch gerelateerde gezondheidsrisico's hebben veel regulators en hele regio's ertoe gedwongen het gebruik van bepaalde chemicaliën ganz te verbieden.

Op de horizon zijn er verre, over jaren komende geruchten dat vloeistoffen misschien ooit obsoleet zullen raken. Er is nog een lange weg te gaan voordat dat gebeurt, maar het is genoeg dat de geïnterviewde bedrijven zich ervan bewust zijn – net als onderzoeksanalisten die de markt in de gaten houden.

Zijn de gevaren die geassocieerd worden met MWFs zo gevaarlijk als sommige regulators geloven? De geïnterviewde vloeistoffabrikanten empathiseren diep met de gezondheids- en veiligheidszorgen, maar zijn het ermee eens dat ze er over the top mee gaan om ze aan te pakken.

Metaalbewerkingsvloeistoffen, koelmiddelen en machinesmeermiddelen: Waar we waren, waar we nu zijn

Naarmate technologie het frezen versnelde en de druk om onderdelen sneller te maken toe nam, was er een eureka-moment, zegt Bruce Koehler, senior product manager bij Milacron's Cimcool Fluid Technology: men ontdekte dat water warmte beter reduceert dan puur olie. En puur olie brandt, water niet.

"We zijn gegaan van alleen olie gebruiken naar water en olie gebruiken of alleen water op zich", zegt Koehler. "Vandaag de dag worden er minder MWFs gebruikt dan vroeger. De lijst met chemicaliën die in metaalbewerkingsvloeistoffen mogen worden gebruikt, wordt steeds korter op basis van veiligheids- en gezondheidsvraagstukken."

Veel fabrikanten zijn overgegaan van 10.000-gallons putsystemen die 50 machines bedienden naar 50-gallons puts per machine binnen een vijf-machine cel. Ook de formuleringen en chemische verbindingen veranderen constant op basis van vraagstukken zoals beschikbaarheid van grondstoffen en de gelokaliseerde behoeften van klanten.

"Er gebeurt veel chemische herbereking en in staat zijn om op de vlakte aan te passen aan regelgeving en lokale behoeften", zegt Koehler. "Van formuleringssynpunt uit kan uw chemie soms een bijproduct van een proces zijn."

Derig jaar geleden kregen synthetische vloeistoffen een slechte naam vanwege de agressieve residuen die ze achterlaten – en de residuen waren extreem kleverig, en ze beschadigden verf en andere onderdelen op de machine. Niet meer zoveel, claimen de experts.

"We zijn een heel eind gekomen, in de laatste 13 jaar of zo dat ik hier ben, in het ontwikkelen van veel halfsynthetische vloeistoffen om biostabiliteit, emulsie stabiliteit te verbeteren, en putlevensduur en prestaties te verbeteren", zegt Brian Halstead, applicatie-engineer bij Castrol Industrial. "Voor ons is ons doel om gebruik te reduceren, afval te reduceren en gezondheid en veiligheid te verbeteren."

Alle hulptechnologieën die met koelmiddelen worden gebruikt – zoals medium- en hoogdruk koelvloeistofsystemen, putten, afscheiders en filtratiesystemen – die hebben allemaal de gebruik en onderhoud van MWFs beïnvloed.

" toen ik begon (36 jaar geleden), was de normale druk die uit een spindel kwam waar de vloeistof uit een tank naar de werkwijze ging, maximaal 300 psi", zegt Koehler. "Nu praten we over drukken waar het materiaal wordt bewerkt tot 1.200 psi: dat is vier keer de druk."

Heeft u begeleiding nodig voor koelvloeistofonderhoud en -afvalverwijdering? Lees "4 Tips to Optimize Machine Fluid Maintenance and Coolant Disposal."

Naarmate steeds minder chemische additieven worden gebruikt, is waterkwaliteit en samenstelling een andere sleutelfactor geworden in hoe koelmiddel presteert en zijn chemie. "Indiana is bekend om zijn hard water, terwijl Kentucky's water zacht is, bijvoorbeeld", zegt Koehler. Dus je hebt constant te maken met een verscheidenheid aan omstandigheden die veranderen wat er in een machine gebeurt en de elementen die kunnen worden geïntroduceerd door het specifieke water dat beschikbaar is voor de locatie van een fabrikant. De formuleringen moeten veranderen volgens de watervoorziening.

Maar additieven, emulgatoren en smeereigenschappen in koelmiddel zijn nog steeds nodig. In de automobiel-, luchtvaart- en medische onderdeelfrezenwereld is de trend naar het gebruik van sterker materialen die lichter in gewicht zijn. Hoogtemperatuurlegeringen en chroom lopen sneller en verhogen de warmte in de bewerkingsoperatie – en de beste manier om warmte uit de operatie te halen is met synthetische vloeistoffen die de smeerwerking helpen zodat sneden gemakkelijker gemaakt kunnen worden – zeker met harder materialen.

In de luchtvaart, in het bijzonder, worden oliebevattende producten nog steeds gebruikt, maar ze worden gedilueerd met 90 tot 95 procent water. De industrie beweegt van 6000-series aluminium naar titanium – wat beter werkt met synthetische vloeistoffen, zegt Koehler.

"Wat ik van synthetische vloeistoffen hou is hun putlevensduur – ze groeien niet goed bacteriën. Ze duren lang vanuit biologisch oogpunt. Ze schuimen niet. En ze blijven helder, zodat een machineoperator de machine deur kan dichtdoen en naar binnen kan kijken en het snijproces kan volgen zonder visuele onderbrekingen."

Waar gaan metaalbewerkingsvloeistoffen heen?

Een belangrijk element in de richting en toekomst van koelmiddel en koelmiddelsystemen zit in het materiaal en zijn toepassing. Veel van het materiaal dat in de toekomst zal worden gebruikt, is niet noodzakelijk bekend bij vloeistoffabrikanten – zoveel als bij fabrikanten. Maar dat houdt de fabrikanten niet tegen om te innoveren naar een afvalvrije productlijn.

"We hebben een gebied dat we 'congruente chemie' noemen, dat voor watergebaseerde vloeistoffen een dubbele doel dien: het is ook een reiniger die de onderdelen wast en de putonderhoud helpt door alle elementen in het koelmiddel compatibel te maken", zegt Halstead.

De kicker? Er is geen behoefte om olie af te schuimen; het afval is alleen wanneer je het systeem verandert. Castrol Industrial claimt dat het een reductie van 40 procent in productgebruik ziet met sommige productlijnen ten opzichte van oudere vloeistoftechnologieën.

Koehler zegt dat een gebied waar Milacron Cimcool de gaten op houdt nanotechnologie is, waar microscopische vaste deeltjes, nanopartikels, kunnen worden gebruikt om te smeren in plaats van watergebaseerde vloeistof zoals vandaag. Hoewel er potentieel voor belofte is, is er nog niet voldoende onderzoek naar hoe het de longen van een operator kan beïnvloeden – dus het is nog een afwacht-en-zien benadering, erkent Koehler.

"We proberen ook de benettingskenmerken in watergebaseerde koelmiddelen te verbeteren, zodat het beter van onderdelen in machines afglijdt, minder residuen achterlaat en de levensduur in de put verbetert", zegt Halstead. "We verbeteren ook de concentratie stabiliteit, dus als u minder gebruikt, hebt u de concentratie nodig om te behouden en te stabiliseren, en niet te laten uitputten en niet meer toe te voegen om het verschil goed te maken."

Maar uiteindelijk probeert de grote vloeistoffabrikant gewoon één ding te doen: globale productstabiliteit creëren die wereldwijd kan worden gebruikt, en daarna gelokaliseerd voor de behoeften van klanten. De uitdaging is dan om de opgebouwde kennis van testen en optimaliseren van koelmiddelen te gebruiken om te werken met lokale en regionale wetten en waterkwaliteitsomstandigheden om aan die behoeften te voldoen.

Om bovenop onvermijdelijke materiaalschuivingen te blijven, werken de grote vloeistofspelers met hun klantpartners in hun fabrieken en voeren ze ook tests uit in hun laboratoria op de hedendaagse bewerkingscentra in zo dicht mogelijke real-world omstandigheden. Sommigen werken direct met hun klanten en prospects op patentaanvragen materialen – om nieuwe koelvloeistofformules te testen of om met nieuwe metalen materialen te experimenteren met wat werkt.

Castrol Industrial werkt bijvoorbeeld met General Electric in Greenville, South Carolina, waar de vloeistoffabrikant wordt blootgesteld aan patentaanvragen luchtvaartmaterialen die in ontwikkeling zijn. Castrol werkt ook met Ford Motor Company – en andere automakers zoals GM en Toyota, op een aantal vloeistoftoepassingen.

Verwijdering van chloor en DCHA

Chloor, DCHA (of dicyclohexylamine) en boor worden uit koelmiddelen gehaald door vloeistoffabrikanten. Chloor wordt vaak gebruikt om bacteriën te doden, maar kan gevaarlijk zijn voor longen en huid. DCHA, dat een "secundaire amine" is, wordt gebruikt als pH-stabilisator, maar zoals recentere studies hebben gevonden, kan gevaarlijke blootstelling erviaan via de huid plaatsvinden. Dus veel secundaire amines worden uit koelvloeistofformules gehaald, zeggen vloeistoffabrikanten. Door alleen met de primaire amine te gaan, heb je minder chemicaliën in het product, dus er is minder kans op huidirritaties en andere gezondheidsproblemen.

De beweging naar boorvrije koelmiddelen

Waarom? Omdat boor op bepaalde niveaus residuen kan opbouwen en schadelijk kan zijn voor gereedschappen door zich aan onderdelen, spindels, transportbanden en snijgereedschappen te hechten, wat de standtijdprestaties kan uitputten, zegt Halstead. Castrol Industrial ontdekte dit door tests op CNC-machines in labo's met metaalsnijgereedschappen en coatings. Als anticorrosief chemisch middel helpt boor, maar op hogere concentratieniveaus kan het gevaarlijk zijn, wat voorop op de agenda van het bedrijf staat.

Er is goed en slecht met de booreigenschappen, zegt Halstead. "Boor heeft de pH-buffering en een stabiliserend effect, en de roestbescherming, of 'RP', wat vaak positief wordt gezien." Maar zelfs op lage niveaus waar koelvloeistaafval langer en langer in de put blijft, zal het zich concentreren, dus willen sommige bedrijven het ganz elimineren.

De rol van droog bewerken en additieve productie

Met de opkomst van droog bewerken technieken en additieve productieprocessen die geen koelmiddel nodig hebben, staat het MWF-bedrijf voor een potentiële lange-termijn concurrentie – inclusief van gereedschapsfabrikanten. Daarnaast dwingen milieu- en gezondheidszorgen veel regulators fabrikanten om over te gaan op het gebruik van de minimale hoeveelheid smering, ook wel MQL genoemd.

"Toegenomen zorgen over de milieueffecten van smeermiddelen, gecombineerd met succes in droog bewerken bij temperaturen tot 1.800 graden Fahrenheit, drijven deze trend", schrijft Aaron Stone voor Fuels & Lubes International. "Het opduiken van geavanceerde keramische en diamant, en kubisch boornitride gereedschappen, heeft hogetemperatuur bewerken met beperkte of nul smering mogelijk gemaakt, zonder overmatige slijtage te genereren."

Ongeacht de uiteindelijke richting van de industrie, zijn de grote vloeistoffabrikanten het erover eens: de concentraties van de vloeistoffen zijn bedoeld om bij 5 tot 10 procent te worden gebruikt.

"Het zal hetzelfde zijn wanneer ik met pensioen ga als toen ik begon", zegt Koehler. "Iedereen denkt altijd dat meer beter is of wil geld besparen en minder gebruiken... Als je draait op 3 procent, heb je biologische zormen, schimmelgroei en corrosie, en als je het te rijk gebruikt, praten we over huidirritatie of schuim. Het is het ene consistente ding in dit bedrijf."

Zijn advies? Houd het schoon en houd de concentratie waar het moet zijn en je hebt een succesvolle metaalbewerkingsvloeistofoperatie.

Welke metaalbewerkingsvloeistoffen gebruikt u? Waar ziet u de toekomst van deze producten heen? Deel uw gedachten.