Het gebruik van elektrostatistische atomisatie (EMQL) in bewerkingen zoals slijpen, frezen en boren biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele koelings- en smeringsmethoden. In een onderzoek uitgevoerd door Jia et al. werd aangetoond dat de piektemperatuur bij slijpen van het titaniumlegering Ti–6Al–4V onder conventionele koeling lager was dan bij MQL (Minimum Quantity Lubrication). Dit komt doordat de viscositeit van plantaardige oliën de efficiëntie van warmteoverdracht beperkt. Bij lage luchtdrukomstandigheden nam de warmteoverdracht door convectie af, wat leidde tot een verhoogde slijptemperatuur bij MQL. Het gebruik van elektrostatistische atomisatie, waarbij een corona-wind wordt gegenereerd door luchtdruk en een elektrisch veld, versnelt de rotatie van het snijmiddel en verstoort de thermische geleidbaarheid, wat resulteert in de laagste slijptemperatuur en de kleinste verdelingsschaal van de warmteflux onder EMQL-condities.

In verschillende onderzoeken is gebleken dat het toepassen van EMQL op een spanning van -5 kV resulteert in een levensduur van de snijgereedschappen die tot wel 77,8% langer is in vergelijking met droog bewerken en 60% langer dan bij conventionele MQL-smeermethoden. Dit werd bevestigd door Bartolomeis et al., die een verhoging van de gereedschapsduur van 72% waarnamen bij het frezen van Inconel 718. In vergelijkbare tests, zoals bij het draaien van AISI-304, werd het gereedschapsverslijtpatroon onder MQL waargenomen en was er een lichte toename in slijtage in vergelijking met droog bewerken. In tegenstelling tot MQL resulteerde het gebruik van EMQL bij een spanning van +20 kV in een volledige reductie van gereedschapsverslijtage.

Het gebruik van EMQL bij het frezen van titaniumlegering Ti–6Al–4V leidde tot een aanzienlijke vermindering van gereedschapsverslijtage, met een afname van maar liefst 42,4% ten opzichte van conventionele lucht-geassisteerde MQL. In de boorbewerking van gehard staal SCM-440 werd bij het boren van 1000 gaten een vermindering van gereedschapsverslijtage van respectievelijk 34,6% en 19,2% waargenomen voor ESL (Electrostatic Lubrication) en MQL in vergelijking met droog bewerken.

Een ander belangrijk resultaat van EMQL is de invloed op de kwaliteit van het werkstukoppervlak. Bij slijpen van de nikkel-gebaseerde legering GH4169 werd aangetoond dat EMQL de oppervlakteruwheid aanzienlijk verbeterde in vergelijking met droog slijpen, waarbij de Ra- en RSm-waarden respectievelijk met 31,1% en 37,3% werden verlaagd. In vergelijking met conventioneel MQL had EMQL een verbeterd resultaat, waarbij de oppervlakteruwheid van het werkstuk met respectievelijk 17,1% en 25% werd verlaagd. Deze verbetering wordt toegeschreven aan het effect van elektrostatische atomisatie, die zorgt voor een betere smering en koeling, wat de wrijving vermindert en de temperatuur in de snijkamer verlaagt.

De effectiviteit van EMQL wordt verder benadrukt in onderzoeken die de slijpresultaten van staal 45 analyseerden. Hieruit bleek dat bij het slijpen met EMQL bij een spanning van 4 kV de oppervlakteruwheid aanzienlijk lager was dan bij MQL. Dit was niet alleen zichtbaar in de ruwe afmetingen, maar ook in de chemische samenstelling en de microstructuur van het werkstukoppervlak. Er werd een afname in het gehalte van C-elementen en een toename van Fe-elementen waargenomen, wat te maken heeft met de invloed van de negatieve lading op het werkstukoppervlak, die de koolstofatomen naar de korrelgrenzen trekt, wat leidt tot veranderingen in de metaallegering.

De metallografische analyse van het slijpoppervlak liet ook een afname van het cementietgehalte zien, wat samenhangt met de positieve spanning die de migratie van negatieve vacuüms versnelt en zo de diffusie van koolstofatomen bevordert. Dit effect, dat de inhoud van cementiet vermindert, resulteert in een lagere hardheid van het oppervlak, wat voordelen kan bieden bij het verlengen van de levensduur van gereedschappen en het verbeteren van de bewerkingskwaliteit.

Naast de bovengenoemde voordelen, zoals een verbeterde oppervlaktekwaliteit en gereedschapslevensduur, is het belangrijk om te begrijpen dat de effectiviteit van EMQL sterk afhankelijk is van de juiste afstemming van de spanningsinstellingen en de gebruikte snijvloeistof. Het optimaal functioneren van elektrostatistische atomisatie vereist een nauwkeurige controle van de elektroforetische effecten en de interactiviteit tussen het elektrisch geladen medium en het werkstukmateriaal. Het gebruik van EMQL kan verder worden geoptimaliseerd door de juiste keuze van nanodeeltjes in de vloeistof, die de slijtage kunnen verminderen en de smeerprestaties verbeteren. Nanodeeltjes zoals SiO2 kunnen bijvoorbeeld de oppervlakteruwheid verder verminderen, wat de algehele kwaliteit van de bewerking verhoogt.

Hoe beïnvloedt de bewerkingsconditie de oppervlaktekwaliteit van CFRP?

De mechanische eigenschappen van CFRP (koolstofvezelversterkte kunststoffen) kunnen sterk variëren afhankelijk van de bewerkingsomstandigheden, zoals de slijptechniek en het type smeermiddel dat wordt gebruikt. Bij het slijpen van CFRP met behulp van droogbewerking, MQL (Minimum Quantity Lubrication), of NMQL (Nano-lubrication met CNT-nanodeeltjes), worden verschillende invloeden op de oppervlaktekwaliteit waargenomen, die van belang zijn voor het uiteindelijke gebruik van het materiaal in engineeringtoepassingen.

Wanneer een koolstofvezelversterkte kunststof wordt geslepen, is de invloed van de resinmatrix (de hars die de vezels bindt) cruciaal voor het uiteindelijke resultaat. De kracht die door het slijpkorrel wordt uitgeoefend, verandert de fysische eigenschappen van de matrix, vooral door temperatuurstijgingen tijdens het slijpen. Wanneer de resinmatrix verzwakt door de toegenomen temperatuur, is de beperking op de koolstofvezels zwakker, waardoor de vezels meer in een "verdrukte" staat komen te verkeren. Dit resulteert in een effect waarbij meerdere vezels gelijktijdig worden afgesneden door het slijpkorrel. Het gevolg hiervan is dat de breukmodus van de vezels veranderd is, waarbij de vezels eerder een trekbreuk vertonen. Dit leidt tot een verhoogde energiebehoefte tijdens het slijpen, omdat het materiaal meer energie moet absorberen om de vezels te breken en af te snijden, wat resulteert in een grotere slijpkracht.

In tegenstelling tot droogbewerking, waar de harsmatrix vaak smelt en zich hecht aan het slijpmiddel, kunnen de MQL- en NMQL-methoden de slijpresultaten aanzienlijk verbeteren door de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd tijdens het slijpen te verminderen. MQL, met behulp van een minimum hoeveelheid smeermiddel, en NMQL, waarin nanodeeltjes van koolstofnanotbuizen (CNT) worden toegevoegd aan het smeermiddel, verminderen de wrijving en slijtage door het creëren van een dunne olieachtige film op het slijpoppervlak. Dit leidt tot een aanzienlijke afname van de oppervlakteruwheid, zowel in de vezelrichting als in de toevoerrichting, en voorkomt schade aan de vezels door overmatige wrijving.

De oppervlakteruwheid wordt doorgaans gemeten met behulp van parameters zoals Ra, Rz en RSm. De Ra-waarde, die de rekenkundige gemiddelde afwijking van de contour weergeeft, wordt vaak gekozen om de oppervlakteruwheid te karakteriseren. Voor CFRP-slijpprocessen werd waargenomen dat de Ra-waarde onder MQL- en NMQL-omstandigheden respectievelijk met 18,8% en 17,7% afnam ten opzichte van droogbewerking in de toevoerrichting. De Rz-waarden, die de piekhoogte van het profiel reflecteren, vertoonden ook een aanzienlijke vermindering, met een afname van respectievelijk 21,7% en 20,8% onder MQL en NMQL in de toevoerrichting. Dit toont aan dat de kwaliteit van het slijpen verbetert met de toepassing van geschikte smeermethoden, waarbij de oppervlakteruwheid vermindert, wat leidt tot een verbeterde afwerking en minder beschadiging van de koolstofvezels.

Microscopische beelden van de oppervlakte-morfologie onthullen interessante details over de effectiviteit van verschillende slijptechnieken. Bij droogbewerking worden de vezels vaak uit de matrix getrokken of breken ze, wat leidt tot een ruwe en beschadigde oppervlakte. In MQL- en NMQL-slijpen zijn de vezels daarentegen veel minder beschadigd, en de matrix vertoont minder tekenen van verzachting en verontreiniging. Bij het gebruik van CNT-nanodeeltjes blijkt uit SEM-beelden (scanning elektronenmicroscopie) dat deze deeltjes een beschermende film creëren die de vezels helpt behouden door de matrix te versterken. Hierdoor worden de vezels beter ingesloten en komt de slijpwerking meer gecontroleerd tot stand, wat resulteert in een minder beschadigd oppervlak en een hogere precisie in het slijpresultaat.

Bovendien is het belangrijk te begrijpen dat oppervlakte-ruwheid niet altijd de ware topografie van het oppervlak volledig weerspiegelt. De intrinsieke kenmerken van een bewerkte oppervlakte zijn afhankelijk van de meetapparatuur en de metingen zelf, die weer afhankelijk zijn van de resolutie van het instrument en de instellingen van de monstername. Daarom wordt er steeds meer gebruikgemaakt van fractale dimensies om de oppervlakken van engineeringmaterialen te karakteriseren. Deze benadering helpt bij het beter begrijpen van de zelf-gelijkenis en multischalige eigenschappen van de ruwe oppervlakken, die moeilijk te vangen zijn met traditionele meetmethoden. Het gebruik van fractale dimensies biedt inzicht in de gedetailleerde structuur van het oppervlak over verschillende schalen, wat van belang kan zijn voor toepassingen waar een zeer gedetailleerde oppervlaktetopografie vereist is.

De effectiviteit van de slijptechnieken en de gebruikte smeermiddelen kunnen dus aanzienlijke invloed hebben op zowel de mechanische eigenschappen van CFRP als de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit. Het juiste gebruik van smeermiddelen, met name wanneer CNT-nanodeeltjes worden toegevoegd, zorgt niet alleen voor minder slijtage en beschadiging van de vezels, maar ook voor een efficiënter slijpproces met lagere energiebehoeften en hogere precisie. Het is essentieel om de invloed van temperatuur, slijpkracht, en smeermethoden goed te begrijpen om de oppervlaktekwaliteit van CFRP te optimaliseren en de prestaties van dit materiaal in technische toepassingen te verbeteren.

Wat is de invloed van temperatuur, concentratie en deeltjesgrootte op de viscositeit van nano-versterkte vloeistoffen?

De viscositeit van nano-versterkte emulsies en suspensies (NPECs) is een complex samenspel van verschillende factoren, waarbij temperatuur, concentratie van de nano-fasen, de grootte en vorm van de deeltjes een cruciale rol spelen. Deze eigenschappen bepalen niet alleen de prestaties van de vloeistof in industriële toepassingen, maar ook de dynamica van de interacties tussen moleculen en de effectiviteit van de vloeistof in koel- en smeerprocessen.

Temperatuur heeft een rechtstreekse invloed op de viscositeit van NPEC’s. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de viscositeit doorgaans af. Dit komt doordat de interacties tussen de moleculen van de vloeistof verzwakken bij hogere temperaturen, wat resulteert in een verminderde interne weerstand tegen stroming. Deze afname in viscositeit wordt versterkt door de afname van de interdeeltjesinteracties, die bij hogere temperaturen eveneens minder sterk zijn. Dit effect kan echter worden tegengegaan door de concentratie van nano-versterkte fasen te verhogen. Hoe hoger de concentratie van de nanodeeltjes, des te groter de kans op clustering van de deeltjes, wat de moleculaire mobiliteit belemmert en de viscositeit doet toenemen. Dit impliceert dat, hoewel hogere temperaturen de viscositeit verminderen, een hogere concentratie van de deeltjes dit juist kan verhogen door obstakels in de moleculaire beweging.

Een ander essentieel aspect is de grootte van de deeltjes in de NPEC's. Verschillende studies hebben de relatie tussen deeltjesgrootte en viscositeit onderzocht, maar de resultaten zijn niet altijd consistent. Een studie van Hu et al. toonde bijvoorbeeld aan dat de viscositeit van Al2O3-gebaseerde NPEC's toenam naarmate de deeltjes groter werden, tot een bepaalde drempelgrootte van 50 nm. Bij deeltjes die groter waren dan 50 nm, keerde de trend zich om en nam de viscositeit verder toe, vooral bij hogere concentraties van de deeltjes. Dit suggereert dat de interactie tussen de deeltjes niet alleen afhangt van hun grootte, maar ook van de specifieke concentratie en andere nanostructurele eigenschappen. Andere onderzoekers, zoals Minakov et al., rapporteerden juist dat grotere deeltjes de viscositeit verlaagden, mogelijk omdat grotere deeltjes minder wrijving met de omringende vloeistof creëren. Dit illustreert hoe de deeltjesgrootte, in combinatie met andere factoren zoals concentratie en de specifieke aard van de vloeistof, de algehele viscositeit kan beïnvloeden.

Naast de deeltjesgrootte speelt ook de vorm van de deeltjes een belangrijke rol in de viscositeit van NPEC’s. In een studie van Timofeeva et al. werd aangetoond dat cilindrische en lamellaire deeltjes een grotere viscositeit veroorzaakten in vergelijking met andere deeltjesvormen, zoals sferische deeltjes. Dit effect kan deels worden toegeschreven aan de verhoogde oppervlakte-volumeverhouding van niet-sferische deeltjes, wat de interacties tussen de deeltjes en de vloeistof versterkt en de weerstand tegen stroming verhoogt. Dit geeft aan dat de morfologie van de nanodeeltjes niet alleen van invloed is op de fysische eigenschappen van de vloeistof, maar ook op de functionele prestaties ervan in specifieke toepassingen.

Bovendien blijkt dat verschillende types van nano-versterkte fasen verschillende effecten hebben op de viscositeit. Bijvoorbeeld, in een experiment waarbij verschillende nano-fasen zoals HBN, GNP, MOS2 en MoO3 werden vergeleken, toonden de resultaten aan dat GNP-gebaseerde NPEC's de hoogste viscositeit vertoonden, terwijl HBN-gebaseerde NPEC's de laagste viscositeit hadden, hoewel deze nog steeds hoger was dan die van het pure basismateriaal. Dit benadrukt het belang van het kiezen van de juiste nano-fase, afhankelijk van de gewenste toepassing en de effectiviteit van de vloeistof.

Bij het gebruik van NPEC’s in smering en koeling is ook de oppervlakte spanning van groot belang. De interactie van de vloeistof met het werkoppervlak beïnvloedt de manier waarop druppels zich verspreiden en hechten, wat cruciaal is voor effectieve smering en koeling. Lager oppervlakte spanning kan de druppels helpen zich beter te verspreiden, wat resulteert in efficiënter gebruik van de smeervloeistof en verbeterde warmteoverdracht. In onderzoeken werd aangetoond dat nano-versterkte vloeistoffen de oppervlaktespanning verlaagden, wat leidde tot verbeterde koel- en smeringseigenschappen, vooral in toepassingen die intensieve temperaturen genereren, zoals bij slijpen.

Bij de toepassing van NPEC’s is het dus essentieel niet alleen te letten op de grootte en concentratie van de deeltjes, maar ook op hun vorm, type en het effect daarvan op de eigenschappen van de vloeistof. Deze eigenschappen bepalen niet alleen de effectiviteit van de vloeistof in industriële toepassingen, maar beïnvloeden ook de nauwkeurigheid en prestaties van de bewerkingsprocessen. Het zorgvuldig afstemmen van deze factoren kan leiden tot aanzienlijke verbeteringen in zowel de koeling als de smering tijdens mechanische bewerkingen, wat uiteindelijk de productkwaliteit en de levensduur van het gereedschap verhoogt.

Wat veroorzaakte de paniek van 1907 en wat kunnen we ervan leren?
Wat zijn Directe Vloeibare Brandstofcellen en hun Potentieel voor de Energieovergang?
Hoe parseer je een maand en jaar correct in een programma met foutafhandeling en flexibiliteit?
Wat zijn de invloeden van microkanalen op de warmteoverdracht en stromingsverhoudingen bij het koken van water en emulsies?
Hoe de pH, Temperatuur en Vochtigheid de Groei van Planten Beïnvloeden
Waarom Star Trek niet alleen een sci-fi show is, maar een levenslange inspiratie voor fans