Die Zukunft der Metallbearbeitungsflüssigkeiten, Maschinenschmierstoffe und Kühlmittel

Was bringt die Zukunft für Kühl-, Schmier- und Kühlschmierstoffe? Wir haben mit Branchenveteranen gesprochen, um die Entwicklung der heutigen Kühlmittellandschaft und die Innovationen von morgen besser zu verstehen.

Was gibt es Neues und Nächstes für Metallbearbeitungsflüssigkeiten? Sie hängt von einigen wesentlichen Bedingungen ab:Welches Material wird geschnitten? Welche Vorschriften und lokalen Anforderungen gelten für MWFs zum Zeitpunkt ihrer Verwendung? Und welche Innovationen bei Werkzeugen und in der Fertigung insgesamt werden Fuß fassen, die die Art der Kühlung verändern könnten?

Aus Marktsicht wird erwartet, dass der Markt für Metallbearbeitungsflüssigkeiten laut Global Market Insights, einem Forschungs- und Beratungsunternehmen, bis 2025 weltweit auf 15 Milliarden US-Dollar wachsen wird. Im Jahr 2016 schätzte Markets and Markets Research, dass der MWF-Markt bis 2020 auf 9,74 Milliarden US-Dollar wachsen würde, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 3,2 Prozent.

Bei vielen zu schneidenden Metallen wie Stahl und Eisen ist die Schmierfähigkeit – mit Wasser oder Öl (oder beidem) – wichtig, um Späne zu entfernen, und Additive helfen, Metalle vor Verformung und Rost zu bewahren – und diese Flüssigkeiten tragen dazu bei, die Oberflächentemperaturen zu senken und Standzeit der Werkzeuge erhalten. Dennoch treten Gesundheits- und Sicherheitsbedenken auf, wann immer MWFs im Spiel sind, daher passen Flüssigkeitshersteller ihre Formulierungen und chemischen Zusammensetzungen ständig an und neu an, um die Leistung zu maximieren und Abfall zu minimieren. Kunden wollen Kühlmittel recyceln können, um Kosten zu sparen – und sie wollen auch, dass bereits verbrauchtes Kühlmittel möglichst lange in der Ölwanne verweilt, ohne gesundheitliche Probleme zu verursachen.

Es ist keine leichte Aufgabe. Das größte Gesundheitsproblem auf ganzer Linie sind Hautirritationen – etwas, an dessen Vermeidung alle Hersteller arbeiten, aber es müssen auch die richtigen Systeme wie Nebelabscheider und Schutzausrüstung wie Handschuhe, Augenschutz und Gesichtsmasken verwendet werden. Finden Sie die Fluid-Macher.

Innovation entsteht, indem die Leistungsanforderungen bei der Teileherstellung mit den gewünschten gesunden Ergebnissen in Einklang gebracht werden. Es wird immer einfacher, diese Bedürfnisse zu erfüllen, aber es war ein langer Weg, dorthin zu gelangen. Da ist der Trend zur Minimalmengenschmierung – das ist genau das, wonach es sich anhört:Verwenden Sie die geringste Menge an Schmierung mit der geringsten Menge an Chemikalien, Additiven und Emulgatoren. Die Sorge und Besorgnis über andere auf Chemikalien basierende Gesundheitsprobleme haben viele Aufsichtsbehörden und ganze Regionen veranlasst, die Verwendung bestimmter Chemikalien oft vollständig zu verbieten.

Am Horizont sind ferne, jahrelange Geräusche von Flüssigkeiten zu sehen, die vielleicht veraltet sind. Bis dahin ist es noch ein langer Weg, aber es reicht aus, dass sich die befragten Unternehmen dieser Möglichkeit bewusst sind – ebenso wie Research-Analysten, die den Markt beobachten.

Sind die mit MWF verbundenen Gefahren so gefährlich, wie einige Regulierungsbehörden glauben, dass sie sein können? Die befragten Flüssigkeitshersteller haben großes Verständnis für die Gesundheits- und Sicherheitsbedenken, stimmen aber zu, dass sie es übertreiben, sie anzusprechen.

Metallbearbeitungsflüssigkeiten, Kühlmittel und Maschinenschmierstoffe:Wo wir waren, wo wir jetzt sind

Als die Technologie dazu beitrug, die Bearbeitung zu beschleunigen, und der Druck, Teile schneller herzustellen, Einzug hielt, gab es einen Aha-Moment, sagt Bruce Koehler, Senior Product Manager bei Cimcool Fluid Technology von Milacron:Es wurde entdeckt, dass Wasser Wärme stärker reduziert als reines Öl. Und reines Öl brennt und Wasser nicht.

„Wir sind von der reinen Verwendung von Öl zur Verwendung von Wasser und Öl oder ausschließlich zur Verwendung von Wasser übergegangen“, sagt Koehler. Heute werden weniger KSS eingesetzt als früher. „Die Liste der in Metallbearbeitungsflüssigkeiten zu verwendenden Chemikalien wird aufgrund von Sicherheits- und Gesundheitsaspekten immer kürzer. ”

Viele Hersteller sind von 10.000-Gallonen-Sumpfsystemen, die 50 Maschinen versorgen würden, auf die Verwendung von 50-Gallonen-Sumpfsystemen pro Maschine in einer Zelle mit fünf Maschinen umgestiegen. Außerdem ändern sich die Formulierungen und chemischen Verbindungen ständig, basierend auf Themen wie der Verfügbarkeit von Rohstoffen und den lokalen Bedürfnissen der Kunden.

„Es gibt viele chemische Neuformulierungen und Anpassungen aufgrund von Vorschriften und lokalen Anforderungen im Handumdrehen“, sagt Koehler. „Aus Sicht der Formulierung ist Ihre Chemie manchmal ein Nebenprodukt eines Prozesses.“

Vor 30 Jahren hatten synthetische Flüssigkeiten einen schlechten Ruf für die aggressiven Rückstände, die sie zurückließen – und die Rückstände waren extrem klebrig und beschädigten den Lack und andere Teile der Maschine. Nicht mehr so ​​viel, behaupten die Experten.

„In den letzten 13 Jahren, seit ich hier bin, haben wir einen langen Weg zurückgelegt, indem wir viele halbsynthetische Flüssigkeiten entwickelt haben, um die Biostabilität, die Emulsionsstabilität und die Lebensdauer und Leistung des Sumpfes zu verbessern“, sagt Brian Halstead, Anwendungstechniker bei Castrol Industrie. „Unser Ziel ist es, den Verbrauch zu reduzieren, Abfall zu reduzieren und Gesundheit und Sicherheit zu verbessern.“

Alle mit Kühlmitteln verwendeten Zusatztechnologien – wie Mittel- und Hochdruck-Kühlmittelsysteme, Sümpfe, Abschäumer und Filtersysteme – haben alle die Verwendung und Wartung von KSS beeinflusst.

„Als ich anfing (vor 36 Jahren), war der normale Druck, der aus einer Spindel kam, wo die Flüssigkeit aus einem Tank kommt und in die Arbeitszone fließt, maximal 300 psi“, sagt Koehler. „Jetzt sprechen wir über Drücke, bei denen das Material bis zu 1.200 psi verarbeitet wird:Das ist das Vierfache des Drucks.“

Benötigen Sie eine Anleitung zur Wartung und Entsorgung von Kühlmitteln? Lesen Sie „4 Tipps zur Optimierung der Maschinenflüssigkeitswartung und Kühlmittelentsorgung.“

Da immer weniger chemische Zusätze verwendet werden, bedeutet dies, dass die Wasserqualität und -zusammensetzung zu einem weiteren Schlüsselfaktor für die Leistung und die Chemie des Kühlmittels geworden ist. „Indiana ist bekannt für sein hartes Wasser, während das Wasser in Kentucky beispielsweise weich ist“, sagt Koehler. Sie haben es also immer mit einer Vielzahl von Bedingungen zu tun, die das Geschehen in einer Maschine und die Elemente ändern, die durch das spezifische Wasser eingeführt werden können, das für den Standort eines Herstellers verfügbar ist. Die Rezepturen müssen sich je nach Wasserversorgung ändern.

Aber auch Additive, Emulgatoren und Schmiermittelqualitäten im Kühlschmierstoff werden weiterhin benötigt. In der Welt der Automobil-, Luftfahrt- und Medizinteilebearbeitung geht der Trend zur Verwendung stärkerer Materialien mit geringerem Gewicht. Hochtemperaturlegierungen und Chrom laufen schneller und erhöhen die Hitze im Bearbeitungsvorgang – und der beste Weg, Hitze aus dem Vorgang zu entfernen, sind synthetische Flüssigkeiten, die die Schmierfähigkeit unterstützen, sodass Schnitte leichter gemacht werden können – insbesondere bei härteren Materialien.

Vor allem in der Luft- und Raumfahrt werden immer noch ölhaltige Produkte verwendet, die jedoch mit 90 bis 95 Prozent Wasser verdünnt werden. Die Industrie bewegt sich von Aluminium der Serie 6000 zu Titan – was tendenziell besser mit synthetischen Flüssigkeiten funktioniert, sagt Koehler.

„Was ich an Kunststoffen liebe, ist ihr Sumpfleben – sie wachsen nicht sehr gut mit Bakterien“, sagt Koehler. „Sie halten aus biologischer Sicht lange. Sie schäumen nicht. Und sie bleiben frei, sodass ein Maschinenbediener die Maschinentür schließen und ohne visuelle Unterbrechungen hineinschauen und den Schnitt beobachten kann.“

Wohin entwickeln sich Metallbearbeitungsflüssigkeiten?

Ein wichtiges Element in Richtung und Zukunft von Kühlmittel und Kühlmittelsystemen liegt im Werkstoff und seiner Anwendung. Ein Großteil des Materials, das in Zukunft verwendet wird, ist den Flüssigkeitsherstellern nicht unbedingt bekannt – so viel wie den Herstellern. Aber das hält die Hersteller nicht davon ab, Innovationen in Richtung einer abfallfreien Produktlinie zu versuchen.

„Wir haben einen Bereich, den wir ‚kongruente Chemie‘ nennen, der für Flüssigkeiten auf Wasserbasis einen doppelten Zweck erfüllt, nämlich einen Reiniger, der die Teile wäscht und die Ölwannenwartung unterstützt, indem er alle Elemente im Kühlmittel kompatibel macht“, sagt Halstead.

Der Kicker? Es besteht überhaupt keine Notwendigkeit, Öl abzuschöpfen; die Verschwendung ist nur, wenn Sie gehen, um das System zu ändern. Castrol Industrial behauptet, dass es bei einigen Produktlinien älterer Flüssigkeitstechnologien eine Reduzierung des Produktverbrauchs um etwa 40 Prozent verzeichnet.

Koehler sagt, dass ein Bereich, den Milacron Cimcool genau im Auge behalten hat, die Nanotechnologie ist, bei der mikroskopisch kleine feste Nanopartikel anstelle von Flüssigkeiten auf Wasserbasis wie heute verwendet werden könnten. Obwohl hier vielversprechendes Potenzial besteht, gibt es noch nicht genügend Forschung darüber, wie sich dies auf die Lunge eines Bedieners auswirken könnte – daher ist es immer noch ein abwartender Ansatz, räumt Koehler ein.

„Wir versuchen auch, die Benetzungseigenschaften von Kühlmitteln auf Wasserbasis zu verbessern, damit es besser von Teilen in Maschinen abblättert, weniger Rückstände hinterlässt und die Lebensdauer im Sumpf verbessert“, sagt Halstead. „Wir verbessern auch die Konzentrationsstabilität. Wenn Sie also weniger verwenden, müssen Sie die Konzentration aufrechterhalten und stabilisieren, und nicht erschöpfen und nicht mehr benötigen, um die Differenz auszugleichen.“

Aber letztendlich versucht der große Flüssigkeitshersteller nur eines:Globale Produktstabilität zu schaffen, die weltweit genutzt und dann für die Bedürfnisse der Kunden lokalisiert werden kann. Die Herausforderung besteht dann darin, das beim Testen und Optimieren von Kühlmitteln gesammelte Wissen zu nutzen, um dann mit lokalen und regionalen Gesetzen und Wasserqualitätsbedingungen zu arbeiten, um eine Anpassung an diese Bedürfnisse zu ermöglichen.

Um über unvermeidliche Materialverschiebungen auf dem Laufenden zu bleiben, arbeiten die großen Fluid-Player mit ihren Kundenpartnern in ihren Werken zusammen und führen auch Tests in ihren Labors auf den heutigen Bearbeitungszentren unter möglichst realen Bedingungen durch. Einige arbeiten direkt mit ihren Kunden und Interessenten an zum Patent angemeldeten Materialien – um neue Kühlmittelformeln zu testen oder mit neuen Metallmaterialien zu arbeiten und zu experimentieren, was funktioniert.

Castrol Industrial beispielsweise arbeitet mit General Electric in Greenville, South Carolina, zusammen, wo der Flüssigkeitshersteller der Entwicklung von zum Patent angemeldeten Materialien für die Luft- und Raumfahrt ausgesetzt ist. Castrol arbeitet bei einer Reihe von Flüssigkeitsanwendungen auch mit der Ford Motor Company und anderen Autoherstellern wie GM und Toyota zusammen.

Entfernung von Chlor und DCHA

Chlor, DCHA (oder Dicyclohexylamin) und Bor werden von Flüssigkeitsherstellern aus Kühlmitteln entfernt. Chlor wird oft verwendet, um Bakterien abzutöten, kann aber für Lunge und Haut gefährlich sein. DCHA, ein „sekundäres Amin“, wird als pH-Stabilisator verwendet, aber neuere Studien haben gezeigt, dass eine gefährliche Exposition damit über die Haut erfolgen kann. So werden viele sekundäre Amine aus Kühlmittelformeln eliminiert, sagen Hersteller von Flüssigkeiten. Indem Sie nur das primäre Amin verwenden, haben Sie weniger Chemikalien im Produkt, sodass die Wahrscheinlichkeit von Hautirritationen und anderen Gesundheitsproblemen geringer ist.

Die Entwicklung hin zu borfreien Kühlmitteln

Wieso den? Weil Bor in bestimmten Konzentrationen Rückstände bilden und Werkzeuge schädigen kann, indem es an Teilen, Spindeln, Förderbändern und Schneidwerkzeugen haftet, was die Lebensdauer des Werkzeugs verringern kann, sagt Halstead. Castrol Industrial hat dies durch Tests auf CNC-Maschinen in Labors mit Metallschneidewerkzeugen und Beschichtungen herausgefunden. Als Korrosionsschutzchemikalie hilft Bor, aber in höheren Konzentrationen kann es gefährlich werden, was in erster Linie auf der Agenda des Unternehmens steht.

Es gibt gute und schlechte Eigenschaften von Bor, sagt Halstead. „Bor hat den pH-Wert puffernd und stabilisierend und den oft positiv bewerteten Rostschutz, kurz ‚RP‘.“ Aber selbst bei niedrigen Konzentrationen, bei denen der Kühlmittelabfall immer länger im Sumpf verbleibt, wird er sich mit der Zeit anreichern, sodass einige Unternehmen ihn vollständig eliminieren möchten.

Die Rolle der Trockenbearbeitung und der additiven Fertigung

Mit dem Aufkommen von Trockenbearbeitungstechniken und additiven Fertigungsverfahren, die ohne Kühlmittel auskommen, sieht sich das MWF-Geschäft einer langfristigen potenziellen Konkurrenz gegenüber – auch von Werkzeugherstellern. Darüber hinaus zwingen Umwelt- und Gesundheitsbedenken viele Hersteller dazu, die Verwendung der Mindestschmiermenge, auch bekannt als MQL, voranzutreiben.

„Zunehmende Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen von Schmiermitteln, gepaart mit Erfolgen bei der Trockenbearbeitung bei Temperaturen von bis zu 1.800 Grad Fahrenheit, treiben diesen Trend voran“, schreibt Aaron Stone für Fuels &Lubes International . „Das Aufkommen fortschrittlicher Keramik- und Diamantwerkzeuge sowie Werkzeuge aus kubischem Bornitrid haben die Hochtemperaturbearbeitung mit begrenzter oder gar keiner Schmierung ermöglicht, ohne übermäßigen Verschleiß zu erzeugen.“

Unabhängig von der endgültigen Ausrichtung der Branche sind sich die Fluidhersteller in einem einig:Die Konzentrationen der Fluide sollen bei 5 bis 10 Prozent liegen.

„Wenn ich in Rente gehe, wird es genauso sein wie zu Beginn“, sagt Koehler. „Jeder denkt immer, mehr ist besser oder will Geld sparen und weniger verbrauchen … Wenn Sie mit 3 Prozent laufen, haben Sie biologische Bedenken, Schimmelbildung und Korrosion, und wenn Sie es zu fett verwenden, sprechen wir von Hautreizungen oder Schaum. Das ist das einzig Beständige in diesem Geschäft.“

Sein Rat? Halten Sie es sauber und halten Sie die Konzentration dort, wo sie sein muss, und Sie werden einen erfolgreichen Kühlschmierstoff-Betrieb haben.

Welche Metallbearbeitungsflüssigkeiten verwenden Sie? Wo sehen Sie die Zukunft dieser Produkte? Teilen Sie Ihre Gedanken mit.