Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Minerale snijvloeistoffen zijn al lange tijd essentieel in de maakindustrie, omdat ze oplossingen bieden voor technische uitdagingen die verband houden met koeling, smering en het verwijderen van spanen onder intense thermische belasting. Deze vloeistoffen conflicteren echter met de principes van groene productie en brengen verschillende problemen met zich mee. De jaarlijkse wereldwijde consumptie van meer dan vier miljoen ton snijvloeistoffen is sterk afhankelijk van schaarse minerale hulpbronnen en vers water, wat aanzienlijke economische kosten met zich meebrengt. In China alleen al ligt het gebruik boven de één miljoen ton, wat niet in overeenstemming is met de principes van hulpbronnenefficiëntie en milieuvriendelijkheid.
Daarnaast hebben deze vloeistoffen een aanzienlijke milieu-impact. Bij bewerkingen onder hoge temperaturen, hoge snelheden en hoge drukken ontstaan grote hoeveelheden oliedamp en PM2,5-deeltjes, wat ernstige milieuvervuiling veroorzaakt en gezondheidsrisico’s voor de werknemers met zich meebrengt. Verder zorgen de kosten van traditionele bewerkingsprocessen, waarbij de uitgaven aan snijvloeistoffen tussen de 18% en 21% van de totale productiekosten liggen, voor een zware financiële last. De kosten van gereedschappen zijn drie tot vijf keer lager dan die van snijvloeistoffen, en bovendien moeten afvalvloeistoffen kostbaar en rigoureus worden behandeld, wat de recyclage bemoeilijkt. Het uitgebreide gebruik van snijvloeistoffen heeft daardoor een knelpunt gecreëerd voor duurzame groei in de industrie, wat in strijd is met de “dual-carbon” strategie en de doelstellingen van het “14e Vijfjarenplan”.
De verschuiving naar schone en duurzame productietechnologieën is dan ook noodzakelijk. Dit wordt benadrukt in de werkrapporten van de Amerikaanse en Chinese regeringen voor 2024, waarin de nadruk ligt op het bevorderen van groene technologieën. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende technologieën, zoals groene smeermiddelen en strategieën om het gebruik ervan te minimaliseren. Onder deze technieken vinden we solid lubrication, lage-temperatuur koelsmering en quasi-droge bewerking (ook bekend als micro-smering), waarbij bio-smeermiddelen in de vorm van microscopisch kleine druppeltjes worden verneveld en gemengd met gecomprimeerd gas. Dit vermindert het gebruik van smeermiddelen met 95-99% ten opzichte van traditionele methoden.
De uitdaging bij micro-smering blijft echter het leveren van smeermiddelen onder de hoge-temperatuur, hoge-druk en hoge-snelheidsomstandigheden bij de interface tussen gereedschap en werkstuk. Dit wordt verder bemoeilijkt door de luchtstroming in het gereedschap/werkstuk-wig, wat de efficiënte levering van smeermiddelen belemmert. Om deze technische obstakels te overwinnen, richten onderzoekers zich op het verbeteren van de precisie van smeermiddelvoorziening door de ontwikkeling van smeermiddelen met hoge prestaties die de koeling en smering verbeteren.
Verdere vooruitgangen op dit gebied omvatten biostabiliteit, waarbij onderzoek wordt gedaan naar milieuvriendelijke sterilisatietechnieken om vervuiling te verminderen en biologische compatibiliteit te bevorderen. Daarnaast worden plantaardige oliën geoptimaliseerd door chemische modificatie en toevoeging van additieven om de uitdagingen van oxidatie en extreem hoge drukken te overwinnen. Nano-bio-smeermiddelen krijgen ook aandacht, aangezien hun anti-slijtage mechanismen en warmtetransfer-eigenschappen verder worden bestudeerd. Door de juiste samenstelling van deze smeermiddelen kunnen belangrijke verbeteringen in bewerkingsprestaties worden bereikt.
Multi-energie veldassistentie speelt ook een cruciale rol. Het gebruik van magnetische velden, ultrasoon geluid, elektrostatische verneveling, lage temperaturen en koude plasma’s kan helpen bij het regelen van verneveling, doordringing en de wrijving/thermische eigenschappen van smeermiddelen. Dit biedt mogelijkheden voor het verbeteren van de effectiviteit van smeermiddelen, zelfs in moeilijke bewerkingsomstandigheden, zoals bij moeilijk te bewerken materialen zoals CFRP-composieten, titaniumlegeringen, nikkellegeringen en hoogsterkte staalsoorten.
De ontwikkeling van theoretische modellen voor de koppeling van kracht en warmte en de evaluatie van prestaties bij het bewerken van deze materialen zijn essentieel. Onderzoekers voeren experimenten uit om de prestaties van slijpen en de oppervlakte-integriteit te valideren, wat leidt tot een bredere toepassing van schone, efficiënte en economisch haalbare productietechnieken.
Het verbeteren van smeermiddeltechnologieën, vooral in combinatie met hybride-energie systemen, maakt het mogelijk om zowel de milieueffecten als de kosten van bewerkingsprocessen te verlagen. Deze vooruitgangen ondersteunen de overgang naar een groenere industrie die beter in staat is om de eisen van duurzaamheid, economische haalbaarheid en technologische innovatie te combineren.
Hoe kunnen biolubricanten de slijpbaarheid van titaniumlegeringen verbeteren?
Bij het slijpen van titaniumlegeringen, zoals Ti–6Al–4V, speelt de slijpbaarheid een cruciale rol bij het behouden van de integriteit van het werkstuk en het optimaliseren van het slijpproces. Titaniumlegeringen worden veel gebruikt in veeleisende toepassingen zoals vliegtuigonderdelen, motorbladen en compressorwielen vanwege hun uitzonderlijke sterkte en lage dichtheid. Echter, de bewerkbaarheid van titanium wordt bemoeilijkt door de lage thermische geleidbaarheid, de verhoogde mechanische activiteit en de verlaagde elasticiteitsmodulus, wat leidt tot verhoogde slijpkrachten en warmteontwikkeling tijdens het proces.
De slijpdruk en de coëfficiënt van wrijving (CoF) zijn de belangrijkste parameters die de slijpbaarheid bepalen. De slijpkrachten omvatten de kracht voor materiaalverwijdering, de kracht voor ploegen en de wrijvingskracht aan het contactoppervlak tussen het slijpgereedschap en het werkstuk. Het wrijvingscomponent van deze krachten kan tot wel 80% van de totale kracht uitmaken, waardoor wrijving de primaire bron van de opgewekte warmte is. Onder verschillende smeeromstandigheden kan de vermindering van wrijvingskracht het slijpproces aanzienlijk verbeteren door de geproduceerde warmte te beperken en de slijpdruk te verlagen.
Onderzoek heeft aangetoond dat biolubricanten, zoals plantaardige oliën, in minimaal-hoeveelheid-smering (MQL) aanzienlijke voordelen bieden ten opzichte van traditionele minerale smeermiddelen. Sadeghi et al. (2015) ontdekten dat het gebruik van biolubricanten de normale en tangentiële slijpkrachten met respectievelijk 72,2% en 61,9% verlaagde bij het slijpen van Ti–6Al–4V, in vergelijking met het gebruik van oplosbare olie. De uitstekende smeereigenschappen van biolubricanten, vooral in termen van lage wrijving en verbeterde efficiëntie bij het verwijderen van slijpafval, dragen bij aan een aanzienlijke verbetering van de slijpprestaties.
Bovendien heeft het gebruik van synthetische esters in MQL ook positieve effecten, hoewel ze minder efficiënt zijn dan biolubricanten. Li et al. (2017) rapporteerden dat synthetische esters de slijpkrachten verlaagden, maar minder sterk dan biolubricanten, wat aantoont dat plantaardige oliën vanwege hun moleculaire structuur effectiever kunnen zijn. Biolubricanten hebben lange moleculaire ketens en polaire groepen, wat bijdraagt aan het vermogen om een slijploogfilmlaag te vormen die beter bestand is tegen hoge temperaturen dan minerale oliën.
Een belangrijk aspect bij het gebruik van biolubricanten is de viscositeit van de olie. Bij het slijpen van Ti–6Al–4V–ELI werd aangetoond dat canola-olie de laagste slijpkrachten en de laagste CoF had in vergelijking met andere oliën zoals sojabonenolie en olijfolie. Dit komt doordat de lange moleculaire ketens van erucinezuur in canola-olie een effectievere smering en lagere wrijving bevorderen. De viscositeit speelt hierbij een belangrijke rol, aangezien de olie in staat moet zijn om effectief als smeermiddel te functioneren bij hoge slijpsnelheden en temperaturen.
Daarnaast hebben recentere innovaties, zoals het toevoegen van nanodeeltjes aan biolubricanten, de prestaties verder verbeterd. Het gebruik van graphene nanodeeltjes in biolubricanten resulteerde in een aanzienlijke vermindering van zowel de normale als tangentiële slijpkrachten. Hetzelfde effect werd waargenomen bij het gebruik van Al2O3 nano-versterkte biolubricanten. Deze nanodeeltjes dragen bij aan de antifrictionale eigenschappen en verbeteren de warmteoverdracht, wat resulteert in lagere slijpkrachten en een lagere CoF. Onderzoek heeft aangetoond dat de combinatie van nano-versterkers en biolubricanten het slijpproces verder optimaliseert, vooral op het gebied van de temperatuurregeling en het verminderen van de slijpdruk.
Het gebruik van biolubricanten in de slijptechnologie biedt niet alleen milieuvoordelen door het gebruik van hernieuwbare bronnen, maar verbetert ook de prestaties van het slijpproces, wat cruciaal is voor de bewerking van moeilijk te slijpen materialen zoals titaniumlegeringen. De voordelen zijn onder andere lagere slijpkrachten, verbeterde koeling en een lager energieverbruik tijdens het slijpen. De moleculaire structuur van plantaardige oliën maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij slijtvastheid en lage wrijving vereist zijn.
Bij de toepassing van biolubricanten is het belangrijk dat de juiste olie gekozen wordt op basis van de specifieke eigenschappen van het te bewerken materiaal, de slijpcondities en de gewenste prestatiekenmerken. Onderzoek heeft aangetoond dat de combinatie van de juiste olie met de juiste slijpomstandigheden (zoals snijsnelheid, voedingssnelheid en slijpdruk) het slijpproces aanzienlijk kan verbeteren.
In de toekomst zal het verder ontwikkelen van nanotechnologie in combinatie met biolubricanten waarschijnlijk de prestaties van het slijpen van titaniumlegeringen nog verder verbeteren. Nanodeeltjes zoals graphene en andere oxiden zouden kunnen zorgen voor betere thermische stabiliteit, een lager energieverbruik en een grotere duurzaamheid van het slijpgereedschap, wat leidt tot kosteneffectieve productieprocessen.