Moldeando el Mañana: Innovaciones en Fluidos, Lubricantes y Refrigerantes para Metalmecánica

¿Qué traerá el futuro a los refrigerantes, lubricantes y fluidos para metalmecánica? Hablamos con veteranos de la industria para comprender mejor la evolución del panorama actual de refrigerantes y las innovaciones del mañana.

Lo que es nuevo y próximo para los fluidos de metalmecánica depende de algunas condiciones esenciales: ¿Qué material se está cortando? ¿Cuáles son las regulaciones y necesidades localizadas que rigen los MWF en el momento en que se usan? Y, ¿qué innovaciones en tooling y en la fabricación en general echarán raíces y podrían cambiar la propia naturaleza del enfriamiento?

Desde una perspectiva de mercado, se espera que el mercado de fluidos de metalmecánica crezca globalmente a $15 mil millones para 2025, según Global Market Insights, una firma de investigación y consultoría. En 2016, Markets and Markets Research estimó que el mercado MWF sería de $9.74 mil millones para 2020 a una tasa de crecimiento anual compuesta del 3.2 por ciento.

Para muchos metales que se cortan, como acero y hierro, la lubricidad —con agua o aceite (o ambos)— importa para remover residuos de viruta, y los aditivos ayudan a evitar la deformación de los metales y la oxidación, y estos fluidos ayudan a enfriar las temperaturas superficiales y mantener la vida de la herramienta. Sin embargo, surgen preocupaciones de salud y seguridad siempre que los MWF están en juego, por lo que los fabricantes de fluidos ajustan y readjustan consistentemente sus formulaciones y composiciones químicas para ayudar a maximizar el rendimiento y minimizar el desperdicio. Los clientes quieren poder reciclar refrigerantes para reducir costos, y también quieren que el refrigerante ya usado viva en el tanque (sump) el mayor tiempo posible sin causar problemas de salud.

No es una tarea fácil. El mayor problema de salud en general es la irritación de la piel, algo en lo que todos los fabricantes trabajan para ayudar a evitar, pero los sistemas adecuados, como colectores de niebla, y equipos de protección, como guantes, protección ocular y mascarillas, también deben usarse, encuentran los fabricantes de fluidos.

La innovación ocurre equilibrando las necesidades de rendimiento en la fabricación de piezas con los resultados de salud deseados. Se está volviendo más fácil satisfacer estas necesidades, pero ha sido un largo camino para llegar aquí. Está el movimiento hacia la lubricación de cantidad mínima (MQL) —que es exactamente lo que suena: usar la menor cantidad de lubricidad con la menor cantidad de químicos, aditivos y emulsionantes. La preocupación por otros problemas de salud basados en químicos tiene a muchos reguladores y regiones enteras a menudo prohibiendo el uso de ciertos químicos por completo.

En el horizonte, hay lejanos rumores de años venideros sobre fluidos que quizás se vuelvan obsoletos. Todavía queda un largo camino antes de que eso suceda, pero es suficiente para que las empresas entrevistadas sean conscientes de la posibilidad, al igual que los analistas de investigación que observan el mercado.

¿Son los peligros asociados con los MWF tan peligrosos como algunos reguladores creen que pueden ser? Los fabricantes de fluidos entrevistados empatizan profundamente con las preocupaciones de salud y seguridad, pero concuerdan en que se pasan de la raya para abordarlas.

Fluidos de Metalmecánica, Refrigerantes y Lubricantes de Máquina: Dónde Estábamos, Dónde Estamos Ahora

A medida que la tecnología ayudó a acelerar el mecanizado y la presión por fabricar piezas más rápido tomó fuerza, hubo un momento eureka, dice Bruce Koehler, gerente senior de producto en Cimcool Fluid Technology de Milacron: Se descubrió que el agua reduce el calor más que el aceite puro. Y el aceite puro arde y el agua no.

"Hemos pasado de solo usar aceite a usar agua y aceite o usar solo agua por sí sola", dice Koehler. Hoy hay menos MWF en uso que antes. "La lista de químicos para usar en fluidos de metalmecánica se está volviendo cada vez más corta basada en problemas de seguridad y salud."

Muchos fabricantes han pasado de tener sistemas de tanque de 10,000 galones que servían a 50 máquinas a usar tanques de 50 galones por máquina dentro de una celda de cinco máquinas. Además, las formulaciones y compuestos químicos siempre están cambiando basados en problemas como disponibilidad de materias primas y necesidades localizadas de los clientes.

"Hay mucha reformulación química ocurriendo y poder ajustar sobre la marcha debido a regulaciones y necesidades locales", dice Koehler. "Desde el punto de vista de la formulación, a veces tu química es un subproducto de un proceso."

Hace treinta años, los fluidos sintéticos ganaron mala reputación por los residuos agresivos que solían dejar atrás, y los residuos eran extremadamente pegajosos, y dañaban la pintura y otras partes de la máquina. Ya no tanto, afirman los expertos.

"Hemos avanzado mucho, en los últimos 13 años más o menos que he estado aquí, desarrollando muchos fluidos semisintéticos para mejorar la biostabilidad, estabilidad de emulsión, y mejorar la vida del tanque y el rendimiento", dice Brian Halstead, ingeniero de aplicaciones en Castrol Industrial. "Para nosotros, nuestro objetivo es reducir el uso, reducir el desperdicio y mejorar la salud y seguridad."

Todas las tecnologías auxiliares usadas con refrigerantes —como sistemas de refrigerante de media y alta presión, tanques, desnatadores y sistemas de filtración— todos han influido en el uso y mantenimiento de los MWF.

"Cuando empecé (hace 36 años), la presión normal saliendo de un husillo donde el fluido sale de un tanque y va a la zona de trabajo era como máximo, 300 psi", dice Koehler. "Ahora estamos hablando de presiones donde el material se trabaja hasta 1,200 psi: eso es cuatro veces la presión."

¿Necesita orientación sobre mantenimiento y disposición de refrigerante? Lea "4 Consejos para Optimizar el Mantenimiento de Fluidos de Máquina y Disposición de Refrigerante".

A medida que se usan cada vez menos aditivos químicos, significa que la calidad y composición del agua se ha convertido en otro factor clave en cómo funciona el refrigerante y su química. "Indiana es conocida por su agua dura, mientras que el agua de Kentucky es blanda, por ejemplo", dice Koehler. Así que siempre está lidiando con una variedad de condiciones que cambian lo que sucede en una máquina y los elementos que podrían introducirse por el agua específica disponible en la localidad de un fabricante. Las formulaciones tienen que cambiar según el suministro de agua.

Pero los aditivos, emulsionantes y cualidades lubricantes en el refrigerante siguen siendo necesarios. En el mundo del mecanizado de piezas automotrices, aeroespaciales y médicas, la tendencia es hacia el uso de materiales más fuertes que son más ligeros. Aleaciones de alta temperatura y cromados están corriendo más rápido y aumentando el calor en la operación de mecanizado, y la mejor forma de remover calor de la operación es con fluidos sintéticos que ayudan a la lubricidad para que los cortes puedan hacerse más fácilmente, especialmente con materiales más duros.

En aeroespacial, en particular, los productos que contienen aceite aún se usan, pero se están diluyendo con 90 a 95 por ciento de agua. La industria se está moviendo de aluminio serie 6000 a titanio, que tiende a funcionar mejor con fluidos sintéticos, dice Koehler.

"Lo que me encanta de los sintéticos es su vida en el tanque —no crecen bacterias muy bien", dice Koehler. "Duran mucho tiempo desde el punto de vista biológico. No hacen espuma. Y se mantienen claros, así que un operador de máquina puede cerrar la puerta de la máquina y mirar adentro y ver el corte sin interrupciones visuales."

¿Hacia Dónde se Dirigen los Fluidos de Metalmecánica?

Un elemento importante en la dirección y futuro del refrigerante y sistemas de refrigerante reside en el material y su aplicación. Gran parte del material que se usará en el futuro no es necesariamente conocido por los fabricantes de fluidos, tanto como por los fabricantes. Pero eso no está deteniendo a los fabricantes de intentar innovar hacia una línea de productos libre de desperdicio.

"Tenemos un área que llamamos 'química congruente' que para fluidos a base de agua sirve un doble propósito que también es un limpiador que lava las piezas y ayuda al mantenimiento del tanque al hacer que todos los elementos en el refrigerante sean compatibles", dice Halstead.

¿El truco? No hay necesidad de desnatarse aceite en absoluto; el desperdicio es solo cuando va a cambiar el sistema. Castrol Industrial afirma que está viendo una reducción de alrededor del 40 por ciento en el uso de producto con algunas líneas de producto de tecnologías de fluidos más antiguas.

Koehler dice que un área en la que Milacron Cimcool ha estado manteniendo un ojo cercano es la nanotecnología, donde sólidos microscópicos, nanopartículas, podrían usarse para lubricar en lugar de fluido a base de agua como es hoy. Si bien hay potencial para promesa aquí, no hay suficiente investigación aún sobre cómo podría afectar los pulmones de un operador, así que sigue siendo un enfoque de esperar y ver, admite Koehler.

"También estamos tratando de mejorar las propiedades de mojado en refrigerantes a base de agua, para que se deslicen mejor de las piezas en las máquinas, dejando menos residuos atrás y mejorando la vida en el tanque", dice Halstead. "También estamos mejorando la estabilidad de concentración, así que si usa menos, necesitará que la concentración se mantenga y estabilice, y no se agote y no necesite más para compensar la diferencia."

Pero en última instancia, el principal fabricante de fluidos está tratando de hacer simplemente una cosa: Crear estabilidad de producto global que pueda usarse en todo el mundo, luego localizada para las necesidades de los clientes. El desafío entonces es tomar el conocimiento acumulado de pruebas y optimización de refrigerantes para luego trabajar con leyes locales y regionales y condiciones de calidad de agua para ayudar a personalizar a esas necesidades.

Para mantenerse al tanto de los inevitables cambios de material, los principales actores de fluidos trabajan con sus socios clientes en sus plantas y también realizan pruebas en sus laboratorios en centros de mecanizado actuales en condiciones lo más cercanas posible al mundo real. Algunos trabajan directamente con sus clientes y prospectos en materiales con patente pendiente, para probar nuevas fórmulas de refrigerante o trabajar con nuevos materiales metálicos y experimentar con lo que funciona.

Castrol Industrial, por ejemplo, trabaja con General Electric en Greenville, Carolina del Sur, donde el fabricante de fluidos está expuesto a materiales aeroespaciales con patente pendiente en desarrollo. Castrol también trabaja con Ford Motor Company y otros fabricantes de automóviles, como GM y Toyota, en varias aplicaciones de fluidos.

Eliminación de Cloro y DCHA

El cloro, DCHA (o diciclohexilamina) y boro están siendo eliminados de los refrigerantes por los fabricantes de fluidos. El cloro a menudo se usa para matar bacterias pero puede ser peligroso para pulmones y piel. DCHA, que es una "amina secundaria", se usa como estabilizador de pH, pero como estudios más recientes han encontrado, la exposición peligrosa a él puede ocurrir a través de la piel. Así que muchas aminas secundarias están siendo eliminadas de las fórmulas de refrigerante, dicen los fabricantes de fluidos. Al ir solo con la amina primaria, tiene menos químicos en el producto, por lo que hay menos posibilidad de causar irritaciones de la piel y otros problemas de salud.

El Movimiento Hacia Refrigerantes Libres de Boro

¿Por qué? Porque el boro en ciertos niveles puede acumular residuos y ser perjudicial para las herramientas al adherirse a piezas, husillos, transportadores y herramientas de corte, lo que puede agotar el rendimiento de la vida de la herramienta, dice Halstead. Castrol Industrial descubrió esto a través de pruebas en máquinas CNC en laboratorios con herramientas de corte de metal y recubrimientos. Como químico anticorrosivo, el boro ayuda, pero en niveles de concentración más altos, puede ser peligroso, lo cual es primero y principal en la agenda de la empresa.

Hay lo bueno y lo malo con las propiedades del boro, dice Halstead. "El boro tiene el amortiguamiento de pH y un efecto estabilizador, y la protección contra óxido, o 'RP', que a menudo se ve positivamente." Pero incluso en niveles bajos donde el desperdicio de refrigerante se queda en el tanque cada vez más tiempo, se concentrará con el tiempo, así que algunas empresas lo quieren eliminar por completo.

El Papel del Mecanizado en Seco y la Fabricación Aditiva

Con el auge de las técnicas de mecanizado en seco y procesos de fabricación aditiva que no necesitan usar refrigerante, el negocio de MWF enfrenta una competencia potencial a largo plazo, incluyendo de fabricantes de tooling. Además, preocupaciones ambientales y de salud tienen a muchos reguladores obligando a los fabricantes a moverse hacia el uso de la cantidad mínima de lubricación, también conocida como MQL.

"Las crecientes preocupaciones sobre el impacto ambiental de los lubricantes, junto con el éxito en mecanizado en seco a temperaturas de hasta 1,800 grados Fahrenheit, están impulsando esta tendencia", escribe Aaron Stone para Fuels & Lubes International. "La aparición de tooling cerámico avanzado y de diamante, y nitruro de boro cúbico, ha permitido el mecanizado a alta temperatura con lubricación limitada o nula, sin generar desgaste excesivo."

Independientemente de la dirección final de la industria, los fabricantes de fluidos concuerdan en una cosa: Las concentraciones de los fluidos están destinadas a usarse al 5 al 10 por ciento.

"Será lo mismo cuando me jubile que cuando empecé", dice Koehler. "Todos siempre piensan que más es mejor o quieren ahorrar dinero y usar menos... Si lo usa al 3 por ciento, tendrá preocupaciones biológicas, crecimiento de moho y corrosión, y si lo usa demasiado rico, estamos hablando de irritación de la piel o espuma. Es la única cosa consistente en este negocio."

¿Su consejo? Manténgalo limpio y mantenga la concentración donde debe estar y tendrá una operación exitosa de fluido de metalmecánica.

¿Qué fluidos de metalmecánica usa? ¿Hacia dónde ve dirigido el futuro de estos productos? Comparta sus pensamientos.