Morgen gestalten: Innovationen bei Metallbearbeitungsflüssigkeiten, Schmier- und Kühlmitteln

Was bringt die Zukunft für Kühlmittel, Schmierstoffe und Metallbearbeitungsflüssigkeiten? Wir sprachen mit Branchenveteranen, um die Entwicklung der heutigen Kühlmittellandschaft und morgen Innovationen besser zu verstehen.

Was ist neu und was kommt als Nächstes bei Metallbearbeitungsflüssigkeiten? Das hängt von einigen wesentlichen Bedingungen ab: Welches Material wird bearbeitet? Welche Vorschriften und lokalen Bedürfnisse regeln MWF zum Zeitpunkt des Einsatzes? Und welche Innovationen in der Werkzeugtechnik und Fertigung insgesamt werden sich durchsetzen und die Natur der Kühlung grundlegend verändern?

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

Bei vielen zu bearbeitenden Metallen wie Stahl und Eisen spielt die Schmierfähigkeit – mit Wasser oder Öl (oder beidem) – eine Rolle beim Entfernen von Spänen, und Additive helfen, Metallverformungen zu vermeiden und Rost zu verhindern. Diese Flüssigkeiten kühlen auch die Oberflächentemperaturen und erhalten die Werkzeugstandzeit. Doch Gesundheits- und Sicherheitsbedenken entstehen immer, wenn MWF im Spiel sind. Daher passen Flüssigkeitshersteller ihre Formulierungen und chemischen Zusammensetzungen kontinuierlich an, um Leistung zu maximieren und Abfall zu minimieren. Kunden wollen Kühlmittel recyceln, um Kosten zu senken – und gebrauchtes Kühlmittel so lange wie möglich in der Wanne halten, ohne Gesundheitsprobleme zu verursachen.

Das ist keine leichte Aufgabe. Das größte Gesundheitsproblem insgesamt ist Hautreizung – etwas, woran alle Hersteller arbeiten, aber auch die richtigen Systeme wie Nebelabscheider und Schutzausrüstung wie Handschuhe, Augenschutz und Gesichtsmasken müssen eingesetzt werden, so die Flüssigkeitshersteller.

Innovation geschieht durch die Balance zwischen Teilefertigungsleistung und gewünschten gesunden Ergebnissen. Es wird einfacher, diese Bedürfnisse zu erfüllen, aber es war ein langer Weg dorthin. Da ist der Trend zur Minimalmengenschmierung (MQL) – genau das, wonach es klingt: Die geringstmögliche Menge an Schmiermittel mit den wenigsten Chemikalien, Additiven und Emulgatoren einsetzen. Die Sorge vor anderen chemisch bedingten Gesundheitsproblemen führt dazu, dass viele Regulierungsbehörden und ganze Regionen den Einsatz bestimmter Chemikalien ganz verbieten.

Am Horizont zeichnen sich ferne, in Jahren kommende Andeutungen ab, dass Flüssigkeiten vielleicht obsolet werden. Es ist noch ein weiter Weg dahin, aber genug, dass die befragten Unternehmen sich der Möglichkeit bewusst sind – wie auch Marktforschungsanalysten.

Sind die mit MWF verbundenen Gefahren so gefährlich, wie einige Regulierungsbehörden glauben? Die befragten Flüssigkeitshersteller zeigen großes Verständnis für die Gesundheits- und Sicherheitsbedenken, stimmen aber überein, dass diese über das Ziel hinausschießen, um sie anzugehen.

Metallbearbeitungsflüssigkeiten, Kühlmittel und Maschinenschmierstoffe: Wo wir herkommen, wo wir jetzt stehen

Als Technologie half, die Bearbeitung zu beschleunigen und der Druck zunahm, Teile schneller zu fertigen, gab es einen Eureka-Moment, sagt Bruce Koehler, Senior Product Manager bei Milacrons Cimcool Fluid Technology: Man entdeckte, dass Wasser Wärme besser ableitet als reines Öl. Und reines Öl brennt, Wasser nicht.

„Wir sind von der reinen Ölnutzung zu Wasser und Öl oder reinem Wasser übergegangen“, sagt Koehler. Heute werden weniger MWF eingesetzt als früher. „Die Liste der Chemikalien für Metallbearbeitungsflüssigkeiten wird aufgrund von Sicherheits- und Gesundheitsfragen immer kürzer.“

Viele Hersteller sind von 10.000-Gallonen-Sumpf-Systemen, die 50 Maschinen bedienten, zu 50-Gallonen-Sumpfs pro Maschine innerhalb einer Fünf-Maschinen-Zelle übergegangen. Auch Formulierungen und chemische Verbindungen ändern sich ständig basierend auf Rohstoffverfügbarkeit und lokalen Kundenbedürfnissen.

„Es gibt viele Chemie-Reformulierungen und die Fähigkeit, aufgrund von Vorschriften und lokalen Bedürfnissen spontan anzupassen“, sagt Koehler. „Aus formulierungstechnischer Sicht ist Ihre Chemie manchmal ein Nebenprodukt eines Prozesses.“

Vor dreißig Jahren bekamen synthetische Flüssigkeiten einen schlechten Ruf für die aggressiven Rückstände, die sie hinterließen – extrem klebrig, sie beschädigten Lack und andere Maschinenteile. Nicht mehr so stark, behaupten die Experten.

„Wir haben in den letzten 13 Jahren, in denen ich hier bin, einen langen Weg zurückgelegt bei der Entwicklung vieler halbsynthetischer Flüssigkeiten zur Verbesserung der Biostabilität, Emulsionsstabilität, Sumpfleebensdauer und Leistung“, sagt Brian Halstead, Application Engineer bei Castrol Industrial. „Unser Ziel ist es, Verbrauch zu reduzieren, Abfall zu verringern und Gesundheit und Sicherheit zu verbessern.“

Alle Nebentechnologien, die mit Kühlmitteln eingesetzt werden – wie Mittel- und Hochdruckkühlsysteme, Sumpfs, Abscheider und Filtrationssysteme – haben alle die Nutzung und Wartung von MWF beeinflusst.

„Als ich anfing (vor 36 Jahren), betrug der normale Druck an der Spindel, wo die Flüssigkeit aus dem Tank in die Arbeitszone gelangt, maximal 300 psi“, sagt Koehler. „Heute sprechen wir von Drücken, bei denen das Material bis zu 1.200 psi bearbeitet wird: Das ist das Vierfache des Drucks.“

Benötigen Sie Anleitung zur Kühlmittelwartung und -entsorgung? Lesen Sie „4 Tipps zur Optimierung der Maschinenflüssigkeitswartung und Kühlmittelentsorgung.“

Da immer weniger chemische Additive eingesetzt werden, werden Wasserqualität und -zusammensetzung zu einem weiteren Schlüsselfaktor für die Leistung und Chemie des Kühlmittels. „Indiana ist für sein hartes Wasser bekannt, während Kentuckys Wasser weich ist“, sagt Koehler. Man hat also immer mit verschiedenen Bedingungen zu tun, die verändern, was in einer Maschine passiert und welche Elemente durch das spezifische, einem Hersteller lokal verfügbare Wasser eingebracht werden. Die Formulierungen müssen sich gemäß der Wasserversorgung ändern.

Aber Additive, Emulgatoren und Schmiereigenschaften im Kühlmittel werden weiterhin benötigt. In der Automobil-, Luftfahrt- und Medizinteilebearbeitung geht der Trend zu stärkeren, leichteren Materialien. Hochtemperaturlegierungen und Chrom laufen schneller und erhöhen die Hitze im Bearbeitungsvorgang – und der beste Weg, Hitze abzuführen, sind synthetische Flüssigkeiten, die die Schmierfähigkeit unterstützen, damit Schnitte leichter gemacht werden können – besonders bei härteren Materialien.

In der Luftfahrt insbesondere werden ölhaltige Produkte noch verwendet, aber sie werden mit 90 bis 95 Prozent Wasser verdünnt. Die Branche bewegt sich von 6000er-Aluminiumlegierungen zu Titan – das besser mit synthetischen Flüssigkeiten funktioniert, sagt Koehler.

„Was ich an synthetischen Flüssigkeiten liebe, ist ihre Sumpfleebensdauer – sie bilden kaum Bakterien. Sie halten lange aus biologischer Sicht. Sie schäumen nicht. Und sie bleiben klar, sodass ein Maschinenbediener die Tür schließen und den Schnitt ohne visuelle Beeinträchtigung beobachten kann.“

Wohin entwickeln sich Metallbearbeitungsflüssigkeiten?

Ein wichtiges Element für die Richtung und Zukunft von Kühlmitteln und Kühlmittelsystemen liegt im Material und seiner Anwendung. Vieles vom zukünftigen Material ist den Flüssigkeitsherstellern nicht unbedingt so bekannt wie den Herstellern. Aber das hindert die Hersteller nicht daran, auf eine abfallfreie Produktlinie hinzuinnovieren.

„Wir haben einen Bereich, den wir ‚kongruente Chemie‘ nennen, der für wasserbasierte Flüssigkeiten einen doppelten Zweck erfüllt: Er reinigt die Teile und unterstützt die Sumpfwartung, indem er alle Elemente im Kühlmittel kompatibel macht“, sagt Halstead.

Der Clou? Es gibt keine Notwendigkeit, Öl abzuschöpfen; der Abfall entsteht nur beim Systemwechsel. Castrol Industrial behauptet, bei einigen Produktlinien eine 40-prozentige Reduktion des Produktverbrauchs gegenüber älteren Flüssigkeitstechnologien zu sehen.

Koehler sagt, ein Bereich, den Milacron Cimcool genau beobachtet, ist Nanotechnologie, wo mikroskopische feste Nanopartikel statt wasserbasierter Flüssigkeit zur Schmierung eingesetzt werden könnten. Während hier Potenzial besteht, gibt es noch nicht genug Forschung, wie sich das auf die Lungen der Bediener auswirken könnte – also bleibt es ein Abwarten, gibt Koehler zu.

„Wir versuchen auch, die Benetzungseigenschaften wasserbasierter Kühlmittel zu verbessern, damit sie besser von Teilen in Maschinen abperlen, weniger Rückstände hinterlassen und die Sumpfleebensdauer verbessern“, sagt Halstead. „Wir verbessern auch die Konzentrationsstabilität, damit bei geringerem Einsatz die Konzentration erhalten bleibt und stabilisiert, nicht abnimmt und nicht mehr nachgefüllt werden muss.“

Letztlich versucht der große Flüssigkeitshersteller einfach eines: Globale Produktstabilität schaffen, die weltweit einsetzbar ist, dann für lokale Kundenbedürfnisse angepasst wird. Die Herausforderung besteht dann darin, das Wissen aus Tests und Optimierung von Kühlmitteln zu nutzen, um mit lokalen und regionalen Gesetzen und Wasserqualitätsbedingungen zusammenzuarbeiten und diese anzupassen.

Um bei unvermeidlichen Materialverschiebungen auf dem Laufenden zu bleiben, arbeiten die großen Flüssigkeitsakteure mit ihren Kundenpartnern in deren Werken und führen auch Tests in ihren Laboren an heutigen Bearbeitungszentren unter so realen Bedingungen wie möglich durch. Einige arbeiten direkt mit Kunden und Interessenten an patentierten Materialien – um neue Kühlmittelformeln zu testen oder mit neuen Metallmaterialien zu experimentieren und herauszufinden, was funktioniert.

Castrol Industrial arbeitet beispielsweise mit General Electric in Greenville, South Carolina, wo der Flüssigkeitshersteller patentierten Luftfahrtmaterialien in der Entwicklung ausgesetzt ist. Castrol arbeitet auch mit Ford Motor Company – und anderen Automobilherstellern wie GM und Toyota – an einer Reihe von Flüssigkeitsanwendungen.

Entfernung von Chlor und DCHA

Chlor, DCHA (Dicyclohexylamin) und Bor werden von Flüssigkeitsherstellern aus Kühlmitteln entfernt. Chlor wird oft zur Bakterienabtötung eingesetzt, kann aber für Lunge und Haut gefährlich sein. DCHA, ein „sekundäres Amin“, dient als pH-Stabilisator, aber neuere Studien zeigen, dass gefährliche Exposition über die Haut auftreten kann. Daher werden viele sekundäre Amine aus Kühlmittelforeln eliminiert, sagen Flüssigkeitshersteller. Durch die ausschließliche Verwendung primärer Amine hat man weniger Chemikalien im Produkt, was die Chance auf Hautreizungen und andere Gesundheitsprobleme verringert.

Der Trend zu borfreien Kühlmitteln

Warum? Weil Bor bei bestimmten Konzentrationen Rückstände aufbauen und Werkzeuge schädigen kann, indem es an Teilen, Spindeln, Förderern und Schneidwerkzeugen haftet, was die Werkzeugleistungsstandzeit mindert, sagt Halstead. Castrol Industrial fand dies durch Tests an CNC-Maschinen in Laboren mit Metallschneidwerkzeugen und Beschichtungen heraus. Als Korrosionsschutzchemikalie hilft Bor, aber bei höheren Konzentrationen kann es gefährlich sein – was oberste Priorität auf der Agenda des Unternehmens hat.

Es gibt Gutes und Schlechtes an den Boreigenschaften, sagt Halstead. „Bor hat pH-Pufferung und stabilisierende Wirkung sowie Rostschutz (RP), was oft positiv gesehen wird.“ Aber selbst bei niedrigen Werten, wo Kühlmittelabfall immer länger in der Wanne bleibt, konzentriert es sich mit der Zeit an, sodass einige Unternehmen es ganz eliminieren wollen.

Die Rolle von Trockenbearbeitung und Additiver Fertigung

Mit dem Aufkommen von Trockenbearbeitungstechniken und additiven Fertigungsverfahren, die kein Kühlmittel benötigen, sieht sich das MWF-Geschäft langfristig potenzieller Konkurrenz ausgesetzt – auch von Werkzeugherstellern. Zudem zwingen Umwelt- und Gesundheitsbedenken viele Regulierungsbehörden Hersteller dazu, zur Minimalmengenschmierung (MQL) überzugehen.

„Zunehmende Bedenken über die Umweltauswirkungen von Schmierstoffen, gekoppelt mit Erfolgen in der Trockenbearbeitung bei Temperaturen bis zu 1.800 Grad Fahrenheit, treiben diesen Trend an“, schreibt Aaron Stone für Fuels & Lubes International. „Das Aufkommen fortschrittlicher Keramik- und Diamantwerkzeuge sowie kubischen Bornitrids ermöglicht Hochtemperaturbearbeitung mit begrenzter oder null Schmierung, ohne übermäßigen Verschleiß zu erzeugen.“

Unabhängig von der endgültigen Richtung der Branche sind sich die Flüssigkeitshersteller in einem einig: Die Konzentrationen der Flüssigkeiten sind für 5 bis 10 Prozent Einsatz vorgesehen.

„Es wird dasselbe sein, wenn ich in Rente gehe, wie als ich anfing“, sagt Koehler. „Alle denken immer, mehr ist besser oder wollen sparen und weniger nutzen … Wenn Sie bei 3 Prozent fahren, haben Sie biologische Bedenken, Schimmelwachstum und Korrosion, und wenn Sie es zu reich nutzen, sprechen wir von Hautreizungen oder Schaum. Das ist die eine Konstante in diesem Geschäft.“

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

Welche Metallbearbeitungsflüssigkeiten nutzen Sie? Wohin sehen Sie die Zukunft dieser Produkte? Teilen Sie Ihre Gedanken.