Schmierstoffe für Nachhaltigkeit

Schmierstoffe

Industrieunternehmen setzen sich immer intensiver mit der Nachhaltigkeit ihrer Produkte und Fertigungsprozesse auseinander. Beste Beispiele hierfür sind Programme von Automobilherstellern, die den Verbrauch von Energie, Wasser und die Erzeugung von CO2 in zweistelligen Größenordnungen reduzieren wollen.

17. März 2014

Wie die OEMs versuchen auch ihre Zulieferer, Ressourcenverbrauch und Emissionen zu minimieren. Entsprechend stellen sie ihre Fertigungsstrukturen und Produktprogramme auf den Prüfstand. Vor diesem Hintergrund fasst das Hagener Unternehmen Bechem gleich mehrere Schmierstofftechnologien zum Thema ›Produkt- und Prozessinnovationen durch nachhaltige Schmierstofftechnologien‹ zusammen und will diese auf mehreren Fachmessen präsentieren.

Bechem macht darauf aufmerksam, dass auch Hilfsstoffe wie der Schmierstoff in die Prozessanalyse einzubeziehen ist. Mittels verschiedener Produktentwicklungen möchte das Unternehmen zeigen, dass Schmierstoffe über den eigentlichen Metallbearbeitungsprozess hinaus große Auswirkungen auf den gesamten Fertigungsprozesss haben können. Als Beispiele führt es den ›Wechsel von Bearbeitungsöl zu viskosem Wasser‹, den Einsatz von ›Emulsionen im Bereich Aluminiumgrobzug‹ oder das jüngste Thema ›phosphatfreie Beschichtung‹ an (siehe bbr 7/2012).

Wenn ein Produkt das Potenzial hat, eine etablierte Beschichtungstechnologie wie die Phosphatierung abzulösen, kann man sogar von einem Paradigmenwechsel sprechen. Den Anfang für eine derartige Entwicklung hat das Hagener Unternehmen zusammen mit Projektpartnern gemacht.

Bevor in der Massivumformung aus einem Vor-ein Fertigprodukt hergestellt wird, wie eine Schraube, bringt man auf dem Draht eine Beschichtung aus Zinkphosphat auf. Dieses Phosphatierung genannte Verfahren, das die Massenfertigung in der Kaltmassivumformung erst ermöglichte, ist alt, aber immer noch Stand der Technik. Das kann sich aber schon bald ändern.

Mit einer neuen Produktreihe von Bechem wird ein vollständiger Verzicht auf phosphathaltige Verbindungen als Schmiermittelträgerschicht möglich, auch bei komplexen Umformoperationen. Die Dispersionen eignen sich für alle nicht phosphatierten Drahtoberflächen und -güten wie auch auf rostfreiem Stahl und Aluminium. Sie können im sogenannten Schlusszug beim Drahtzug mittels eines Ziehkastens aufgebracht werden.

Auch Drahthersteller und Endanwender können hierzu Positives berichten. In einer Diskussionsrunde im Hause Bechem tauschten sich Drahtverarbeiter und Drahthersteller zu der Produktserie mit dem Namen ›Beruforge 150‹ aus.

Der Projektpartner und Hersteller von Präzisionskaltformteilen, Schrauben Betzer aus Lüdenscheid, hat demnach aufgrund seiner guten Erfahrungen bereits große Teile seiner Fertigung, insbesondere die kleiner Schraubendurchmesser, auf phosphatfrei beschichteten Draht umgestellt.

Das aufwendige Entfernen der Zinkphosphatschicht mit den damit verbundenen Kosten fällt weg: »Große Mengen Chemie und Energie können zurückgefahren werden.« Positive Rückmeldungen kamen auch von den Drahtherstellern Max W. Claas GmbH und Brüninghaus Draht aus Altena.

Laut Aussagen der Schmierstoffexperten kommt es durch den Wechsel vom herkömmlichen Mehrschicht- (Phosphatierung) zum Einschichtverfahren zu einem deutlich geringeren Feststoffeintrag beim Umformprozess mit der Folge einer stark verbesserten Sauberkeit in der Maschine.

»Die stark reduzierte Verschmutzung des Umformöls bewirkt neben einer Standzeiterhöhung des Öls auch eine deutliche Erhöhung der Standzeit der Umformwerkzeuge«, erläutert Bechem-Vertriebsingenieur Jürgen Schoppe und ergänzt: »In der Praxis sind Erhöhungen der Werkzeugstandzeiten größer 20 Prozent realisierbar.« Diese Angaben bestätigt auch der Maschinenhersteller und Entwicklungspartner Jankowski GmbH+Co. KG.

Erstmals Inline-Fertigung prozesssicher vorstellbar

Die Produkte sind mittlerweile in verschiedenen Industrieanwendungen mit Erfolg im Einsatz, ob in der Walzdrahtproduktion oder bei der Herstellung von Schrauben und anderen Kaltformteilen. Das neue Medium kann durch Einzelteilbeschichtung, beispielsweise einzelner Drahtabschnitte, oder durch Tauchen kompletter Walzdraht-Coils wie auch durch Ziehen von Kaltstauchdrähten aufgetragen werden.

Die spezielle Mischung organischer und anorganischer Bestandteile bewirkt einen ausgezeichneten Korrosionsschutz, der lange Lagerzeiten ohne Qualitätseinbußen ermöglicht. Aber es geht auch ohne Zwischenlagerung. »Erstmals ist eine Inline-Fertigung prozesssicher vorstellbar«, erklärt Dr. Jens Ostrowski, Leiter F+E im Bereich Öl/Umformtechnik. Hierbei wird unbehandeltes Halbzeug mechanisch gesäubert und im Anschluss an einen Kalibrierzug unter Verwendung des neuen Beschichtungssystems in den Umformprozess geführt.

»Neben den technischen Vorteilen steckt das größte Potenzial in der Prozessoptimierung«, so Ostrowski. In vielen Fällen ist mit der Anwendung eine erhebliche Reduzierung deklarierungspflichtiger Entsorgungskosten verbunden.

Betrachtet man das große Marktvolumen von Stahldrahthalbzeugen in den verschiedenen Branchen und die Bestrebungen der Industrie hinsichtlich Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz, wird das große Marktpotenzial deutlich. Was die Einsatzmöglichkeiten dieses Schmierstoffs in der Umformtechnik betrifft, steht man noch am Anfang. Die Dimensionen sind aber schon jetzt klar erkennbar und weisen auf mögliche große Veränderungen nicht nur in der Technik der Drahtherstellung hin.

Ein weiteres Beispiel ist das Produktkonzept ›Berufluid‹. Das viskose wasserbasierende Fluid ist laut Einteilung des Herstellers quasi eine neue Schmierstoffkategorie. So sehen es auch die Erfinder vom Fraunhofer-Institut, die gemeinsam mit Bechem und weiteren Projektpartnern für diese Entwicklung ausgezeichnet wurden.

Das noch junge Kühlschmierkonzept wurde in erster Linie in verschiedenen Zerspanungsanwendungen eingesetzt (zum Beispiel Schleifen, Bohren, Fräsen, Verzahnungsstoßen und Tiefbohren). Zunehmend kommen Umformoperationen, etwa in der Blechbearbeitung hinzu. Bislang als Ersatzprodukt für Mineralöl im Fokus, überzeugte das Produkt in vielen Anwendungen durch exzellente Zeitspanvolumina und überragende Werkzeugstandzeiten.

»Immer sollte der ganze Prozess betrachtet werden«, betont der Leiter des Bechem-Geschäftbereichs Prozessfluide, Dr. Bernd Weyershausen und ergänzt: »Oft ist es ein ganzer Vorteilsmix, der sich durch die Umstellung auf Berufluid ergibt.« Beispielsweise sind bei Umstellungen von Emulsionen auf Berufluid, neben der beabsichtigten Produktivitätssteigerung und Standzeitverlängerung von Werkzeug und Kühlschmierstoff, Wartungsaufwand und Stillstandszeiten von Maschinen geringer.

Zudem verändert sich das Arbeitsumfeld positiv: Das geruchsneutrale Produkt ist weder bakterien- noch pilzanfällig und wird hinsichtlich Allergien als unbedenklich betrachtet.

Kostenvorteile durch Prozessveränderungen

»Durch Prozessveränderungen können sich enorme Kostenvorteile ergeben, die durch umgestellte Kühlschmierstoffsysteme erst möglich werden«, sagt Weyershausen und führt ein Beispiel aus der Automobilindustrie an: »Zur Verringerung des Brandrisikos hat ein Zerspaner auf das wasserbasierende Berufluid umgestellt.

Dies gab ihm erst die Möglichkeit, zuvor auf zwei separaten Maschinen durchgeführte Prozesse (Fräsen und Feinschleifen) durch zwei aufeinander folgende Schleifoperationen (Schruppen und Feinschleifen) auf einer einzigen Schleifmaschine zu ersetzen.«

Die Summe der Vorteile aus Standzeitverlängerung für Werkzeug und Kühlschmiermedium sowie der Verbesserung der Arbeitsabläufe ergab eine Produktivitätssteigerung im hohen zweistelligen Prozentbereich, zusätzlich verbesserte Arbeitsbedingungen.

Dieser Weg zeigt auch, dass man durch Berufluid der Verschleppungsproblematik begegnen kann. Der Austausch von Öl durch Berufluid löst auch die Schnittstellenproblematik, also den wechselseitigen Eintrag nicht kompatibler Metallbearbeitungsfluide, etwa eines mineralölbasierenden KSS in ein wässriges Reinigungsmedium.

Schnell hohe Beträge bei der Energieeinsparung

Entfällt die Fertigung mit Öl, kann auch der Brandschutz mit seinen Wartungs- und Versicherungsaufwendungen entfallen. »Den indirekten Kosten wird bei Umstellungen des Kühlschmierstoffs zu wenig Beachtung geschenkt«, erläutert Dr. Heinz Dwuletzki, Leiter F+E im Hause Bechem.

»Der Energieverbrauch der Ölpumpen ist je nach Prozess und Viskositätslage des Bearbeitungsöls sehr hoch. Das gleiche gilt für die Rückkühleinrichtungen. Abhängig von der Maschinenanzahl und dem Schichtbetrieb können sich sehr schnell sechsstellige Beträge bei der jährlichen Energieeinsparung ergeben.«

Die Synergien und fertigungstechnischen Möglichkeiten, die sich durch die Umstellungen auf den wasserbasierenden, mineralölfreien Schmierstoff ergeben, sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Im Rahmen weiterer Projekte wird Bechem sein Angebot mineralölfreier Produkte mit darauf abgestimmten Additivpaketen weiter entwickeln.

Das gleiche gilt für die phosphatfreien Beschichtungstechnologien. Dass Produkte und Prozessinnovationen nicht ›von der Stange erhältlich‹ gleich in allen Anwendungen funktionieren und die positiven Ergebnisse erarbeitet werden müssen, scheint klar zu sein.

Zu groß ist die Vielfalt an Prozess- und Werkstoffanforderungen. Doch am Ende verschiedener Entwicklungsprojekte mit Kunden zeigen sich im Fertigungsprozess deutlich Effekte, die hinsichtlich Nachhaltigkeit eine zentrale Rolle spielen.

Wire Halle 15, D25

Erschienen in Ausgabe: 02/2014