Koelsmeermiddelen krijgen steeds meer aandacht
Wetgeving en automatisering dwingen maakbedrijven anders om te gaan met metaalbewerkingsvloeistoffen
Jarenlang waren koelsmeermiddelen iets dat amper aandacht kreeg in de metaalbewerking. Dat is sinds enkele jaren totaal anders. Niet alleen in de precisie-industrie staat het thema hoog op de agenda, eigenlijk is dat bij elk bedrijf dat de CNC-machines automatiseert. Want dan blijken de vloeistoffen écht het vloeibare gereedschap te zijn.
Koelsmeermiddelen onmisbaar
Koelsmeermiddelen zijn in de verspaning quasi onmisbaar. De metaalbewerkingsvloeistoffen zorgen onder meer voor de afvoer van spanen uit het snijvlak en daarmee tegelijkertijd voor de afvoer van warmte.
Te veel warmte in de spanen dicht bij het gereedschap heeft een negatieve invloed op de standtijd. Bovendien kan dit tot een afwijking in de nauwkeurigheid leiden. Daarom willen verspaners de spanen en daarmee de warmte zo snel mogelijk wegvoeren van het gereedschap en werking.
Daarnaast zorgen de additieven in de vloeistof voor een betere smering tussen gereedschap en werkstuk. Ook dit voorkomt onnodige warmteontwikkeling.
Drie factoren van invloed
De trends op dit gebied komen vanuit de verschillende uitdagingen die er zijn.
Allereerst is dat de veranderende chemische samenstelling van de vloeistoffen. Dit komt voort uit de Europese wetgeving (REACH) en de hoge reinheidseisen in bepaalde sectoren.
De tweede factor die mee de ontwikkelingen bepaalt, is automatisering. Nu CNC-machines ’s nachts en in het weekend onbemand doorlopen, wordt het des te belangrijker om voldoende koelsmeermiddel te waarborgen evenals een voldoende hoge concentratie.
Het derde thema dat de ontwikkeling mee stuurt, is duurzaamheid. Deze drie factoren conflicteren soms. Zaak dus om de juiste balans te vinden, die voor de verschillende toepassingen anders kan zijn. Hieronder zullen we op elk van deze factoren dieper in gaan.
Europese regelgeving
Het is alweer enkele jaren geleden dat de fabrikanten van koelsmeermiddelen te maken kregen met de effecten van REACH-wetgeving. Door deze Europese regelgeving zijn bepaalde chemicaliën uitgefaseerd. Voor emulsies ging dit met name om een additief als formaldehyde, dat in de klassieke vloeistoffen de bacteriegroei afremde. Ook boorzuur is als additief stilaan verdwenen.
Dit heeft er mede toe geleid dat het thema metaalvloeistoffen meer in de belangstelling is gekomen. Alternatieve additieven voor de genoemde stoffen bleken in de praktijk onbedoelde neveneffecten te hebben, zoals huidklachten. In Nederland wordt vermoed dat dit te maken heeft met het feit dat emulsiefabrikanten biociden vervangen hebben door isothiazolinone, in bijzonder methyl.
Dit is een stof die in tal van waterige producten wordt gebruikt om bacteriën en schimmels te doden; van verf tot shampoo tot afwasmiddel. Een onschuldige stof dus. Het probleem is echter dat koelsmeermiddelen een pH-waarde van rond 9 hebben om te ontvetten. Hierdoor tasten ze bij veelvuldig gebruik de natuurlijke beschermlaag van de huid aan. Wie gevoelig is voor deze stoffen en veelvuldig contact ermee heeft, kan een contactallergie ontwikkelen.
Dit risico neemt toe naarmate concentratie hoger wordt omdat dan de pH-waarde stijgt. Onderzoek wijst uit dat ruim een op de drie huidklachten in de metaal gerelateerd is aan het koelsmeermedium. Het dragen van handschoenen tijdens het werk is dan de enige remedie, naast aandacht voor hygiënische omstandigheden.
Bewaking in onbemande productie
Schuimvorming en bacteriegroei zijn tegenwoordig in een modern metaalbedrijf niet meer gewenst. Dat heeft niet alleen te maken met het feit dat men meer oog heeft gekregen voor de arbeidsomstandigheden, maar ook met de verdere automatisering van de CNC-machines.
Wie een CNC-bewerkingscentrum ’s nachts of in het weekend onbemand laat doorwerken, moet plots heel anders omgaan met het beheer van koelsmeermiddelen dan wie dat niet doet. Er is immers geen frezer meer bij de machine die het bewaakt.
Schuimvorming kent meerdere oorzaken. Allereerst leidt een te laag vloeistofniveau in de tank ertoe dat het koelsmeermiddel vaker door de machine gaat. Dit kan schuimvorming in de hand werken. Door een te hoge druk kan eveneens schuimvorming ontstaan, net zoals door een te lage hardheid van het water of vervuilde filters. Tegelijkertijd is een hoge druk wel goed voor de standtijd van de gereedschappen, omdat men met de hoge druk sneller de warmte afvoert. Dit laat al zien dat de balans tussen de verschillende maatregelen delicaat is.
Het Fluid Fill Matic system van Rhenus Lub hield in de eerste versie het koelvloeistofbad op peil, maar het kan tegenwoordig ook de concentratie meten. Met de QR-code krijgt men toegang tot de meetdata in de cloud
Met de toenemende automatisering wordt het dus belangrijker om het koelsmeerbad te monitoren. Een te laag niveau of te lage concentratie kan tot een machinestop en afkeur leiden. Daarom is er de voorbije jaren een hausse gekomen aan installaties om het koelsmeerbad te monitoren en te managen. Een Belgisch bedrijf uit Rotselaar was in 2018 één van de pioniers op dit vlak, nadat het systeem in de productie van het moederbedrijf al jarenlang uitgebreid was getest; ondertussen komen er steeds meer aanbieders.
De oplossingen lopen behoorlijk uiteen. Voor sommige bedrijven is het bewaken van niveau van het koelsmeerbad al voldoende; andere willen, omdat ze meer exotische materialen bewerken, de concentratie continu monitoren omdat een verkeerde concentratie direct zichtbaar wordt in de standtijd van de gereedschappen en de kwaliteit van de werkstukken. Voor de eerste groep volstaat een systeem dat het vloeistofniveau bewaakt en als dat nodig is bijvult.
De Zwitserse fabrikant van metaalbewerkingsvloeistoffen Motorex brengt met de Coolant Box een systeem waar tot zes CNC-machines op aangesloten kunnen worden. Het systeem bewaakt parameters zoals de concentratie, pH-waarde, de temperatuur en als optie de elektrische geleidbaarheid. Wijkt de concentratie in een van de zes machines af,
dan wordt het automatisch bijgevuld met concentraat. De meetgegevens worden opgeslagen
De tweede groep zoekt een meer geavanceerde oplossing die eveneens de concentratie binnen een bepaalde bandbreedte houdt. Het automatisch bijvullen van emulsie als deze bandbreedte wordt overschreven heeft een belangrijk neveneffect, de schommelingen in de concentratie nemen af. In een situatie waarin de CNC-operator het bad bewaakt, ziet men doorgaans grotere uitslagen waardoor het bad in principe instabieler wordt. Dit kan in de precisieverspaning invloed hebben op het verspaningsproces.
De Zwitserse start-up Liquidtool Systems gebruikt voor het Autopilot systeem een IIoT-oplossing voor het managen van het koelsmeermiddel. De Liquidtool-sensor in de tank bewaakt het niveau en meet de refractowaarde en de temperatuur.
De data worden verzonden naar het cloudplatfom Liquidtool Manager, in geval van afwijkingen wordt een signaal doorgegeven
aan een tweede unit op het vat met emulsie
Cleanliness
In de hightechindustrie speelt het thema cleanliness heel sterk. Jarenlang ging dit met name om verontreiniging door deeltjes. Reinigen aan het eind van het productieproces bood meestal soelaas. Tegenwoordig gaat het in hoogvacuümtoepassingen ook om zogenaamde HIO- elementen (Hydrogen Induced Outgassing). Dit zijn elementen die door het extreem hoge vacuüm en contact met waterstof kunnen ontgassen en dan neerslaan op kritische onderdelen van bijvoorbeeld halfgeleidermachines.
Fabrikanten van koelsmeermiddelen zoeken als oplossing een nieuwe generatie emulsies waar deze HIO-elementen niet in zitten, omdat ze dan ook niet op het oppervlak achter kunnen blijven. In dit kader valt ook de komst van koelsmeermiddelen zonder minerale koolwaterstoffen op, wat zorgt voor milieu- en huidvriendelijke vloeistoffen. De koelsmeermiddelen moeten worden afgevoerd, wat zowel een kostenpost is als een impact heeft op het milieu en de beschikbaarheid van grondstoffen.
Op de Metav 2022 werd voor het eerst Aquaslide gepresenteerd, een koelsmeermiddel zonder minerale koolwaterstoffen. Dit is een Oostenrijkse ontwikkeling met als doel de milieu-impact te minimaliseren en een huidvriendelijke vloeistof te produceren.
Het middel is volledig biologisch afbreekbaar en houdt de bewerkingscentra langer schoon
Een vrij recente ontwikkeling op dit vlak is het scheiden van water en de andere substanties in het koelsmeerbad dat vervangen moet worden. In feite bestaat het koelsmeermiddel in de meeste gevallen immers uit meer dan 90% water. Door dit te reinigen en het water te zuiveren, kan dit opnieuw ingezet worden in het proces. Dat zorgt voor een kostenbesparing.
De tweede kostenbesparing is dat er minder water afgevoerd hoeft te worden tegen relatief hoge kosten. Bij elkaar opgeteld kunnen bedrijven hun ecologische voetafdruk zo verkleinen, wat inspeelt op de Europese regelgeving die grote bedrijven verplicht om hun CO2-emissies in kaart te brengen.
Eén van de principes waarop deze technologie werkt is drukneutrale verdamping, waardoor het proceswater gescheiden wordt in een concentraat van 1 tot 5 procent en gedestilleerd water (95 tot 99 procent). Dit laatste wordt opnieuw in het proces gebruikt. Het concentraat wordt als afval afgevoerd.
Pure olie of op waterbasis?
Een watergebaseerd koelsmeermiddel is eigenlijk gebruikelijk in de verspaning. Bij bewerkingen zoals slijpen en draadsnijden ziet men ook pure olie gebruikt worden. Hoewel dit vaak gebruikt wordt, heeft het als nadeel bij bijvoorbeeld slijpen dat het onder hoge druk uiteenvalt en minder goed de warmte afvoert dan water.
Een ander onderscheid is tussen synthetische en volsynthetische koelsmeermiddelen. Deze laatste groep bevat geen minerale oliën; het is een zuiver chemisch product. Dit heeft als voordeel een hoge thermische stabiliteit en vaak een langere levensduur. Ze worden vaker ingezet voor frezen met hoge snijsnelheden en precisiebewerkingen. Ook zijn ze minder gevoelig voor bacteriegroei. Een synthetisch koelsmeermiddel bestaat daarentegen uit zowel synthetische stoffen (zoals esters) als minerale producten. Deze groep is geschikt voor een breed scala aan bewerkingen.
