Verlängerung der Standzeit von Kühlschmierstoffen

Reduktion der biologischen Kontamination

Kühlschmieremulsionen zum Kühlen
Bild 1: Einsatz von Kühlschmieremulsionen zum Kühlen, Schmieren und Schützen der Werkstücke und Werkzeuge bei der Metallbearbeitung.

Kühlschmierstoffe (KSS) dienen der Schmierung, Kühlung und dem Schutz vor Korrosion von Metalloberflächen während ihrer Bearbeitung (Bild 1). Im Laufe der Zeit verschlechtert sich die Qualität der KSS-Emulsionen, was sich in der Trennung der Öl-Wasser-Emulsion manifestiert. Dies verkürzt deren Lebensdauer, erhöht die Abfallmenge und Einkaufskosten, verringert die Standzeit von Schneidwerkzeugen und wirkt sich zudem negativ auf Fertigungstoleranzen aus.

Hauptgrund für den Leistungsabfall der KSS ist das Wachstum von Bakterien und Pilzen, welche die organischen Bestandteile des emulgierten Kühlschmierstoffs (Mineralöle, Tenside etc.) angreifen und abbauen. Sind krankheitserregende Keime darunter, können sie beim Personal zu Erkrankungen der Atemwege und zu Hautreizungen führen oder allergische Reaktionen auslösen. Die Hersteller von Kühlschmierstoffen setzen daher toxische Biozide ein, die die Aktivität der Mikroben unter Kontrolle halten.

 

Eingeschränkter Einsatz von Bioziden und Spaltchemikalien

In Zukunft wird es aufgrund verstärkter Beschränkungen hinsichtlich der KSS-Inhaltsstoffe, der Implementierung der REACH-Direktive und strengerer Richtlinien im Abwasserbereich nicht mehr möglich sein, die Stabilität von KSS-Emulsionen ausschließlich durch die Zugabe gefährlicher Chemikalien zu gewährleisten. Auch bei der Entsorgung ist die Zudosierung von Chemikalien zur Spaltung der KSS-Emulsion unter ökologischen wie ökonomischen Gesichtspunkten nicht mehr zeitgemäß: Nach der Spaltung in die Emulsionsphasen müssen sie in einem weiteren Schritt aufwändig entfernt und entsorgt werden.

 

Umweltfreundliche Technologien für verlängerte Lebensdauer

Ziel der Forschung am Fraunhofer IGB ist daher die Entwicklung effektiver, kostengünstiger und sauberer Technologien, um die Standzeit von Kühlschmierstoffen ohne toxische Chemikalien zu verlängern und deren Qualität zu verbessern. Zudem soll die Entsorgung so gestaltet werden, dass ein Teil der KSS recycelt werden kann. Hierzu untersuchen wir in der Abteilung Physikalische Prozesstechnik neue physikalische Technologien wie fokussierte Ultraschallkavitation, die Anwendung gepulster elektrischer und elektromagnetischer Felder sowie sonochemische und nassoxidative Verfahren.

 

Fokussierter Ultraschall zerstört Bakterien in KSS

Erste Untersuchungen zeigen, dass eine Reduktion der mikrobiologischen Kontaminationen am Beispiel des Gram-positiven Testorganismus Sarcina lutea durch die fokussierte Ultraschallkavitation möglich ist. In Bild 2 ist der Verlauf der Bakterienkonzentration in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer mit fokussiertem Ultraschall dargestellt. Die Ergebnisse wurden kontinuierlich mit einem Energieeintrag von weniger als 200 W/l mit einer Schallkombination von 23 kHz und 40 kHz bei konstanter Temperatur erzielt. Bild 3 zeigt, dass die Zellen von Sarcina lutea in KSS durch die Behandlung mit fokussiertem Ultraschall massiv geschädigt werden: Die Auflösung der Zellwände ist deutlich zu erkennen.

Zellkonzentration von Sarcina lutea
Bild 2: Verlauf der Zellkonzentration von Sarcina lutea in KSS in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer mit fokussiertem Ultraschall (gleichzeitiger Eintrag von US mit 23 kHz und 40 kHz mit 200 W/l). Als Kontrolle dienten unbehandelte Zellen.
REM-Aufnahme vitaler Zellen von Sarcina lutea in KSS bei Versuchsbeginn
Bild 3a: REM-Aufnahme vitaler Zellen von Sarcina lutea in KSS bei Versuchsbeginn.
Bild 3b: REM-Aufnahme mit Schallimpulsen geschädigte/aufgelöste Zellen von Sarcina lutea
Bild 3b: REM-Aufnahme mit Schallimpulsen geschädigte/aufgelöste Zellen von Sarcina lutea in KSS.

Aufspaltung von KSS durch energetische Felder

Aufspaltung von Emulsionen mittels energetischen Feldern
Mit äußeren energetischen Feldern können Emulsionen zum weiterführenden Recycling der Bestandteile in zwei Phasen (rechts) oder drei Phasen (links) aufgespalten werden.

Neben der Reduktion der mikrobiologischen Kontaminationen in KSS ist das Recycling von besonderem Interesse. Zur Weiter- und Wiederverwertung müssen die verbrauchten Emulsionen in ihre Einzelphasen (Wasser, Öl, Additive) aufgetrennt werden. Wir konnten zeigen, dass eine Aufspaltung der Emulsion chemikalienfrei durch äußere energetische Felder möglich ist (Bild).

Förderung

Wir bedanken uns bei der Europäischen Union (EU), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF) für die Förderung verschiedener Projekte zur Verlängerung der Standzeit von Kühlschmierstoffen.