Fabrication verte : pratiques durables qui boostent votre rentabilité et réputation

La « fabrication verte » est devenue une expression courante utilisée par beaucoup dans la plus grande industrie d'Amérique. Elle est définie par Goodwin College comme « le renouvellement des processus de production et l'établissement d'opérations respectueuses de l'environnement dans le domaine de la fabrication ». Prendre le temps de repenser les processus datés peut vous faire gagner du temps, de l'argent, et aider à construire votre réputation en tant qu'entreprise à la pointe de la technologie. L'établissement de processus d'usinage respectueux de l'environnement est un énorme pas dans la bonne direction pour créer une entreprise écologique.

Comment démarrer avec la fabrication verte

La première étape que vous devriez prendre sur votre marche vers un atelier d'usinage plus durable, et la fabrication verte, est une évaluation de l'impact environnemental de vos installations. La méthode la plus courante pour l'évaluation de l'impact environnemental du processus de fabrication est l'Analyse du Cycle de Vie ou ACV. L'ISO 14040 définit l'ACV comme la compilation et l'évaluation des entrées, sorties, et des impacts environnementaux potentiels d'un système de produit tout au long de son cycle de vie.

4 questions à se poser :

1. Définition des objectifs et du périmètre – Que suis-je en train d'essayer d'atteindre dans cette investigation ?
2. Analyse d'inventaire – Quelles sont les entrées quantifiées (énergie, eau, matériaux, etc.) et les sorties (émissions atmosphériques, eaux usées) ?
3. Évaluation d'impact – Comment ces choses affectent-elles l'environnement ?
4. Interprétation – Qu'est-ce que je peux changer pour rendre mes processus plus efficaces et écologiques ?

Il existe des bases de données disponibles pour aider avec l'analyse d'inventaire. Ces bases de données collectent des informations telles que le débit d'avance, la vitesse de coupe, le diamètre de l'outil, le temps de coupe, les propriétés du fluide de coupe, et calculent ensuite toutes les entrées et sorties de matière et d'énergie.

Comprendre l'impact des fluides de coupe

Les fluides de coupe sont très probablement le polluant numéro un dans votre atelier d'usinage, et se mettent en travers de votre chemin pour atteindre la fabrication verte. Selon Modern Manufacturing Processes, les fabricants nord-américains ont consommé plus de 2 milliards de gallons en 2002, et le marché des fluides de travail des métaux n'a fait que croître depuis. Les fluides de coupe ont un certain nombre d'avantages pour le processus d'usinage, impliquant principalement le refroidissement de la zone de coupe, la lubrification et l'évacuation des copeaux.

Contaminants

Tirer le meilleur parti de votre fluide de refroidissement est un facteur clé d'efficacité des coûts dans tout atelier d'usinage. Par conséquent, l'un des plus grands problèmes que vous êtes susceptible de rencontrer, ou que vous rencontrez actuellement, est la détérioration de la performance du fluide de coupe due aux contaminants. Les types de contaminants les plus courants incluent :

1. Huiles libres (huile de tramp ou huile de carter) – Liquide qui lubrifie les engrenages et l'équipement de la machine CNC s'infiltrant dans le fluide de coupe
2. Particules grossières – Déchets solides relativement plus gros, copeaux et sciures
3. Particules fines – Pièces extrêmement petites de la pièce ou de l'outil de coupe qui consistent généralement en métaux lourds tels que le cobalt, cadmium, chrome, aluminium et plomb
4. Microorganismes – Bactéries et champignons qui grandissent à l'intérieur des parois et tuyaux de la machine CNC

Les particules grossières telles que les copeaux et sciures sont généralement facilement extraites en utilisant une chaîne en H, chaîne et racleur, barre de poussée, ou un système de flume. Les particules fines sont plus difficiles car elles nécessitent soit une séparation soit une filtration sous forme de bassins de décantation, séparateurs à mousse, séparation centrifuge, ou séparateurs magnétiques. L'huile libre peut aussi être éliminée par filtration mais peut aussi être prise en charge rapidement et facilement avec un écumeur.

Les microorganismes sont les plus difficiles à éliminer car ils peuvent être dix fois plus petits que les particules fines. « L'odeur du lundi matin » est un effet secondaire courant des bactéries anaérobies excrétant du sulfure d'hydrogène pendant leurs processus métaboliques. Ces organismes sont l'une des principales raisons pour lesquelles le fluide de refroidissement doit être vidangé et changé d'une machine tous les quelques mois. Les avancées technologiques au cours des dernières décennies ont rendu possible pour les systèmes de microfiltration par membrane de séparer la biomasse, ainsi que l'huile des fluides de refroidissement. Avec ces types de systèmes, les opérateurs n'auront plus à utiliser de biocides problématiques car ceux-ci ont des effets sur la santé troublants pour l'environnement et les employés. Cependant, il est important de noter que la plupart des microorganismes ne grandissent pas dans le fluide de coupe mais sur les parois/tuyaux de la machine ou enfouis dans les résidus de copeaux au fond du réservoir.

Quelques façons de réduire l'accumulation de microorganismes dans votre atelier incluent :

• Garder les machines propres – boues, sciures et copeaux peuvent être un terrain de reproduction pour les bactéries
• Réduire la contamination organique – salive, sueur, jus de tabac, et matière organique sont toutes une source de nourriture pour les microorganismes
• Réduire la quantité d'huile de tramp – Cela peut aussi être une source de nourriture

Types de fluides de coupe

Un bon fluide de coupe devrait avoir un point d'éclair élevé, une bonne adhésivité, une haute stabilité thermique, et une haute stabilité oxydative. Un point d'éclair élevé est nécessaire car le fluide ne devrait pas s'enflammer à haute température (l'essence a un point d'éclair bas). Une bonne adhésivité permet au fluide de coller à la surface de la pièce. Cela crée une couche entre l'outil de coupe et la pièce, aidant à les séparer et ainsi, réduisant le frottement. Des quantités plus grandes de frottement mènent à des forces de coupe plus élevées, ce qui mène à des températures de coupe plus élevées.

Les températures de coupe élevées sont problématiques, car cela cause l'usure plus rapide de l'outil de coupe et peut aussi causer l'écrouissage de votre pièce. Une haute stabilité thermique signifie qu'à haute température, le fluide devrait avoir une faible viscosité (un exemple de fluide à haute viscosité serait du miel à température ambiante). Une viscosité plus faible dans la zone de coupe permet une quantité de frottement plus faible, et donc des quantités plus faibles de chaleur et de force de coupe. La stabilité oxydative d'un fluide de coupe décide ultimement de la durée pendant laquelle ce fluide de coupe peut être utilisé. Après un moment, l'huile commence à s'oxyder, ce qui cause alors l'augmentation de sa viscosité et de la quantité de dépôts de boue.

Pour les besoins de cet article, les fluides de coupe seront placés dans deux catégories larges : biodégradables et non-biodégradables.

Fluides de refroidissement non-biodégradables

Les fluides de refroidissement non-biodégradables sont à base de pétrole. Ils ont une toxicité humaine et écologique élevée, ce qui entraîne des risques pour la santé professionnelle. Ils ont aussi des processus d'élimination compliqués.

Fluides de refroidissement biodégradables

Les fluides de refroidissement biodégradables sont à base de plantes. Ceux-ci sont généralement fabriqués à partir de légumes tels que le soja, la noix de coco et le colza, ou de plantes non comestibles telles que le neem, le karanja et le jatropha. Ce facteur en fait une ressource renouvelable et moins toxique pour les humains, ainsi que pour l'environnement.

Ces dernières années, certaines huiles végétales modifiées ont surpassé les huiles à base de pétrole en performance en ce qui concerne la finition de surface, la suppression de la chaleur et la lubrification. Une étude, publiée dans Science Direct, centrée sur le tournage d'acier inoxydable 304 a révélé que l'huile de noix de coco avec un additif d'acide borique était significativement meilleure pour lutter contre l'usure de flanc d'outil et la rugosité de surface comparée à deux autres fluides de coupe. Cela était dû à la haute stabilité thermique de la solution à base de végétaux.

Une autre étude, publiée dans IOP Science, a trouvé qu'une combinaison d'huile de neem et de karanja était supérieure à l'huile SAE 20W40 (à base de pétrole) en ce qui concerne la lubrification lors du perçage d'acier doux. Les résultats ont montré que la solution d'huile à base de végétaux réduisait la force de coupe de l'opération en raison de sa viscosité et adhésivité plus élevées. Cela a ultimement mené à une meilleure finition de surface sur la pièce.

Résumé des changements de fluide de coupe rentables que vous pouvez faire

• Réduire l'accumulation de microorganismes dans vos machines en gardant les machines propres et en réduisant la quantité de contamination extérieure
• Installer un système de microfiltration par membrane
• Passer à un fluide de coupe plus efficace et biodégradable

L'impact positif de l'usinage à sec sur l'usinage vert

L'usinage à sec devrait être utilisé chaque fois que l'opportunité se présente, car les coûts et les problèmes environnementaux associés à l'obtention, la gestion et l'élimination des fluides de coupe sont éliminés. Un autre avantage de l'usinage à sec est l'absence de choc thermique. Lorsque la fraise sort de la coupe mais que le fluide de refroidissement continue de souffler, la grande fluctuation de température (choc thermique) causera la dégradation plus rapide du tranchant que s'il tournait à chaud en permanence. L'usinage à sec est le plus répandu dans les opérations d'usinage avec des coupes interrompues ou lors de la coupe d'aciers trempés. Il est particulièrement populaire dans les opérations de fraisage avec des vitesses et avances élevées. La coupe avec des paramètres de fonctionnement élevés permet à la plupart de la chaleur d'être dispersée dans les copeaux plutôt que dans la pièce. C'est aussi le cas lors de l'usinage d'aciers trempés.

Outillage idéal pour l'usinage à sec

L'outil de coupe idéal devrait être plus résistant à la chaleur, et moins générateur de chaleur. Le carbure est un bon substrat car il est extrêmement dur et résistant. Les outils revêtus sont la meilleure option pour l'usinage à sec car ils ont une isolation thermique améliorée ainsi qu'une auto-lubrification améliorée.

L'effet positif de la lubrification à quantité minimale (MQL)

• Consommation de fluide significativement réduite
• Fluides de coupe et lubrifiants plus sûrs
• Risques pour la santé des employés réduits
• Environnement d'atelier plus propre
• Maintenance réduite

Puisqu'une si petite quantité de fluide est utilisée en MQL, cela en fait une application parfaite pour utiliser des huiles à base de végétaux légèrement plus chères. Le MQL s'est avéré le plus efficace dans les opérations de sciage et de perçage.

Les avantages de la fabrication verte

Repenser vos opérations d'usinage actuelles à travers une lentille écologiste peut vous faire gagner du temps, de l'argent, et créer un lieu de travail moins dangereux pour vos employés. En utilisant les techniques ci-dessus, on peut approximer l'efficacité de l'atelier et faire les changements appropriés pour le bénéfice des générations actuelles et futures.