Waarom het koelsmeerbad meer aandacht verdient

Drie trends maken van het koelsmeerbad een vloeibaar gereedschap in CNC verspanen

Koelsmeermiddelen zijn jarenlang het stiefkindje geweest in de verspaning. Een noodzakelijk iets om spanen te kunnen maken. De laatste jaren is het beeld gekanteld: koelsmeermiddelen worden gezien als een gereedschap waarmee je wel degelijk het verspaningsproces kunt beïnvloeden. Dat heeft inmiddels tot heel nieuwe producten geleid.

Rhenus Lub is een van de producenten van koelsmeermiddelen die inmiddels ook systemen aanbiedt om het koelsmeerbad te monitoren zodat altijd met de goede concentratie wordt gefreesd

Op het vlak van koelsmeermiddelen voor de verspanende industrie spelen er drie trends. De eerste is dat door REACH- en andere Europese wetgeving de samenstelling is veranderd. Traditionele biociden zijn vervangen door alternatieven en dat heeft gevolgen op meerdere gebieden. De tweede trend is dat er een duidelijke relatie is aangetoond tussen productiviteit en koelsmeermiddelen. En de derde trend is dat de klanten van de verspanende bedrijven in toenemende mate hogere eisen stellen aan de technische reinheid. Emulsie heeft hier direct invloed op.

Op het vlak van koelsmeermiddelen voor de verspanende industrie spelen er drie trends: biociden, productiviteit en reiniging

Trend 1: biociden

Emulsieproducenten hebben onder druk van Europese wet- en regelgeving biociden zoals Formaldehyde uit hun producten gehaald en vervangen door isothiazolinon, een heterocyclische chemische verbinding die verwant is aan isothiazol. De reden hiervoor is dat de traditionele biociden in het kader van REACH op lijsten met mogelijk kankerverwekkende stoffen zijn gekomen.

Het Europees Chemie Agentschap ECHA, heeft twee veelvoorkomende stoffen in metaalbewerkingsvloeistoffen, boorzuur en Formaldehyde, aangeduid als schadelijk voor de gezondheid. Ze zijn toegevoegd aan de lijst stoffen die als ‘substances of very high concern’ worden aangeduid. De nieuwe, alternatieve bacterie- en schimmelgroeiremmers die de emulsieproducenten gebruiken, zijn onschuldig en worden ook in tal van huis-tuin-en-keukenproducten gebruikt.

Hierin schuilt de oorzaak van een groeiend probleem in de verspanende industrie. Sommige mensen zijn gevoelig voor deze stoffen. En omdat koelsmeermiddelen ontvetten, dringen de stoffen al snel door in de huid. Wie er gevoelig voor is, merkt dat al gauw omdat ze niet alleen op het werk maar ook thuis met isothiazolinon in contact komen. Dit is dan ook de reden dat het aantal huidklachten in de verspaning toeneemt. De groep verspaners die allergisch reageert, groeit. Een van de meest duurzame oplossingen is de handen beschermen tegen de vloeistof, dus handschoenen dragen. Overstappen op een andere vloeistof kan ook, maar is complex en garandeert niet altijd resultaat omdat vaak dezelfde additieven worden gebruikt. Bovendien is het de vraag of een andere vloeistof geen negatieve invloed heeft op de rest van het verspanend proces.

WillFill — Will-Fill uit België was een van de eersten die met een geautomatiseerd monitoringsysteem op de markt kwam

Trend 2: productiviteit

Dit is namelijk de tweede trend in de metaalbewerkingsvloeistoffen: het groeiende bewustzijn dat koelsmeermiddelen een rol spelen als het gaat om standtijd van de gereedschappen, productiviteit en zelfs de behaalde oppervlaktekwaliteit. Het Mikrocentrum in Nederland heeft niet voor niets enkele jaren geleden koelsmeermiddelen op de zogenaamde schijf van vijf geplaatst: koelsmeermiddel is een van de vijf aspecten die van invloed zijn op de uitkomst van het verspaningsproces.

In het eerste onderzoek dat het projectteam Verspanen 4.0 heeft uitgevoerd, is aangetoond dat emulsies van invloed zijn op de hoeveelheid spanen die een frees in een bepaalde tijdspanne maakt. Ook de standtijd van het gereedschap wordt hierdoor beïnvloed. Uit het onderzoek door de Nederlandse projectgroep, waarin meerdere leveranciers samenwerken om onafhankelijk onderzoek te kunnen doen, kwam destijds naar voren dat de benodigde kracht om aluminium te frezen wel 40 procent kan verschillen, afhankelijk van welk koelsmeermiddel men gebruikt. Dat verklaart het standtijdverschil van het gereedschap en de hogere productiviteit.

Een relatie die nog duidelijker is, is die tussen gereedschapstandtijd en koelsmeermiddel. Soms verhogen frezers de concentratie om de gereedschapstandtijd te verlengen. Dat kan echter een negatief effect hebben op de oppervlaktekwaliteit en de reinigbaarheid van de onderdelen. Praktijktesten tonen aan dat een ander koelsmeermiddel met een lagere concentratie voor langere standtijd van de gereedschappen zorgt en voor een hogere oppervlaktekwaliteit, zodat nabewerking vaak achterwege blijft.

Monitoren

De invloed van de koelsmeermiddelen op zaken als productiviteit en standtijd, heeft te maken met additieven die de producenten toevoegen. Eigenlijk kan men dat alleen maar achterhalen door testen te doen. Wat onder invloed hiervan meer algemeen aan belang wint, is het monitoren van de kwaliteit van de koelsmeervloeistof. Waar vroeger CNC-operators eigenlijk amper naar het bad omkeken, wordt het tegenwoordig steeds belangrijker om dit bad op een constant niveau te houden, met name dan de concentratie.

Na een voorzichtig begin enkele jaren geleden komen er onder invloed van de digitalisering steeds meer systemen op de markt die dit overnemen. Sensortechnologie speelt hierin een rol. Sensoren worden alsmaar betaalbaarder en slimmer, zodat er meer zaken gemeten kunnen worden. In eerste instantie speelde dit vooral bij bedrijven die moeilijk verspaanbare materialen bewerken, denk aan de luchtvaartindustrie met veel titaan- en Inconelmaterialen die verspaand worden. Hier is het bewaken van het bad om de maximale standtijd van gereedschappen te waarborgen essentieel. Door de automatisering bij veel kleinere toeleveranciers begint ook bij die groep het belang van het bewaken van het bad toe te nemen. Want ’s nachts is er geen operator meer die kan ingrijpen als het koelsmeermiddel niet meer optimaal blijkt te zijn.

Waar de luchtvaarttoeleveranciers alle procesdata, inclusief die van het emulsiebad, verzamelen om daaruit te leren, volstaat het bij de doorsnee verspanende bedrijven als het systeem ervoor zorgt dat het niveau van de tank goed is en de concentratie in orde. Hiermee verhogen ze de proceszekerheid, in de onbemande productie iets dat niet onbelangrijk is. Deze systemen zorgen er eveneens voor dat de standtijd van het bad verlengd wordt, omdat de bacteriegroei onder de knie houden. Sommige systemen zijn bedoeld om één CNC-machine te bewaken; andere systemen kunnen meerdere machines monitoren zelfs als ze elk hun eigen koelsmeerbad hebben. Met de meest geavanceerde systemen kan men in de grootserieproductie zelfs de effectiviteit van het koelsmeerbad sturen, bijvoorbeeld op basis van de eisen die aan het product worden gesteld.

SensAction — Monitoren van de kwaliteit van koelsmeermiddel krijgt de laatste jaren meer aandacht

Trend 3: reiniging

Zeker in de halfgeleiderindustrie maar ook in de medische industrie liggen de eisen ten aanzien de technische reinheid van de onderdelen steeds hoger. Waar het tot nog toe vooral gaat om de verontreinigingen door partikels op het oppervlak van een werkstuk, worden aan steeds meer onderdelen ook eisen gesteld aan de filmische verontreiniging. Dit speelt met name bij vacuümtoepassingen omdat in de eindapplicatie bijvoorbeeld koolstofdeeltjes uit het oppervlak van het werkstuk vrij kunnen komen.

Een heel andere reden waarom de reinheidseisen omhoog gaan, is dat in de industrie steeds meer lijmverbindingen worden toegepast. En die vereisen absoluut schone oppervlakken: hoe schoner het oppervlak hoe hoger de energiedichtheid in het oppervlak, wat de sterkte en duurzaamheid van de lijmverbinding ten goede komt Ook op dit punt spelen koelsmeermiddelen en grote rol. Bepaalde vloeistoffen zijn lastiger te reinigen dan andere. Daarom heeft dit inmiddels geleid tot een nieuwe generatie reinigingssystemen, de dampontvettingsinstallaties. Hiermee wordt met dampen van chemische vloeistoffen gereinigd. Dat heeft als belangrijk voordeel tegenover de klassieke dompel- en ultrasoonbaden dat de reinigingsvloeistof niet vervuild raakt in de loop van de tijd.

Mazak — Cryogeen koelen, met vloeibaar stikstof, is tot nog toe niet echt doorgebroken, alleen bij enkele grotere toelevaranciers aan de vliegtuigindustrie

Minder koelsmeermiddel

Door deze ontwikkelingen komt het koelsmeren met andere technieken dan overvloeden weer in de belangstelling. Lange tijd dacht men dat Minimal Quantity Lubrication (MQL), oftewel mimimaalsmering de oplossing zou zijn. De smerende werking hiervan bleek echter minder goed te zijn. De reden: de druppels zijn te groot; bij hogere spindeltoerentallen worden olie en water gescheiden waardoor de druppels hun smerend effect verliezen. Het alternatief is Aerosol Trocken Schmierung (ATS), dat olie vermengt met perslucht en dan omzet naar miniscule druppels (aerosolen). Door de druppels te verkleinen vergroot men juist het totale oppervlak waaraan de olie zich hecht en dat zorgt voor een betere smerende werking. Met deze systemen, waarbij het aerosol door de spindel en gereedschap gaat, kan men tevens de druppels veel nauwkeuriger in het snijvlak brengen, precies waar de koeling bij het verspanen van Inconel en titaan nodig is. Deze technologie is zo ver doorontwikkeld dat ook het frezen met zeer hoge toerentallen, tot 42.000 omwentelingen per minuut, geen belemmering meer is. In de meest recente variant wordt geen perslucht gebruikt maar vloeibaar CO₂ dat bij het uitreden een temperatuur krijgt van -78 graden. Daarmee houdt men de temperatuur van het gereedschap, doorgaans 160 - 200 graden C constant tussen 30 en 40 graden C. De standtijd van het gereedschap kan hierdoor omhoog gaan of men kan met hogere snelheden frezen. Een onderzoek door een Duitse hogeschool heeft aangetoond dat het tijdspaanvolume bij het frezen van chroomstaal met een VHM-frees ten opzichte van Minimaalsmering verviervoudigt en tegenover overvloeden met een factor zes.

Enkele jaren geleden is ook het cryogeen koelen bij titanium verspanen op de markt gekomen. Dan wordt enkel met vloeibaar stikstof gekoeld wat een nog sterker koeleffect heeft. Dit vergt echter behoorlijke investeringen in het systeem én in de machine, terwijl ATS eventuele gecombineerd met cryolub op veel machines als aftermarketpakket beschikbaar is. Voor de medische industrie levert ATS het voordeel dat er veel minder, eigenlijk slechts minimaal olie gebruikt wordt, afhankelijk van het materiaal en de toepassing tussen de 3 tot 25 ml per uur. En wat er niet op zit, hoeft niet verwijderd te worden in het reinigingsproces.

Het alternatief is Aerosol Trocken Schmierung (ATS), dat olie vermengt met perslucht en dan omzet naar miniscule druppels (aerosolen)