Façonner l'avenir : innovations dans les fluides de coupe, lubrifiants et réfrigérants

Que nous réservent l'avenir pour les réfrigérants, lubrifiants et fluides de coupe ? Nous avons interrogé des vétérans de l'industrie pour mieux comprendre l'évolution du paysage des réfrigérants actuels et les innovations de demain.

Quoi de neuf et qu'est-ce qui vient pour les fluides de coupe ? Cela dépend de quelques conditions essentielles : Quel matériau est usiné ? Quelles sont les réglementations et besoins locaux régissant les fluides au moment de leur utilisation ? Et quelles innovations dans l'outillage et la fabrication en général prendront racine et pourraient changer la nature même du refroidissement ?

D'un point de vue marché, le marché des fluides de coupe devrait croître globalement pour atteindre 15 milliards de dollars d'ici 2025, selon Global Market Insights, cabinet de recherche et de conseil. En 2016, Markets and Markets Research estimait que le marché des fluides atteindrait 9,74 milliards de dollars d'ici 2020, avec un taux de croissance annuel composé de 3,2 %.

Pour de nombreux métaux usinés, comme l'acier et la fonte, la lubrifiance — avec de l'eau ou de l'huile (ou les deux) — est importante pour l'évacuation des copeaux, et les additifs aident à empêcher la déformation des métaux et à éviter la rouille. Ces fluides aident aussi à refroidir les températures de surface et à maintenir la durée de vie d'outil. Pourtant, des préoccupations de santé et sécurité surgissent dès que les fluides sont en jeu, si bien que les fabricants ajustent constamment leurs formulations et compositions chimiques pour maximiser la performance et minimiser les déchets. Les clients veulent pouvoir recycler les réfrigérants pour réduire les coûts — et ils veulent aussi que le réfrigérant usagé reste dans la cuve le plus longtemps possible sans causer de problèmes de santé.

Ce n'est pas une tâche facile. Le plus grand problème de santé est l'irritation cutanée — chose que tous les fabricants s'efforcent d'éviter, mais les bons systèmes, comme les collecteurs de brouillard, et les équipements de protection, comme les gants, protections oculaires et masques, doivent aussi être utilisés, soulignent les fabricants de fluides.

L'innovation se fait en équilibrant les besoins de performance de la fabrication de pièces avec les résultats de santé souhaités. Cela devient plus facile à atteindre, mais le chemin a été long. Il y a le mouvement vers la lubrification à quantité minimale (MQL) — qui est exactement ce que cela semble : utiliser la quantité minimale de lubrifiance avec le minimum de produits chimiques, additifs et émulsifiants. L'inquiétude et la préoccupation concernant d'autres problèmes de santé liés aux produits chimiques ont conduit de nombreux régulateurs et régions entières à interdire purement et simplement l'utilisation de certains produits chimiques.

À l'horizon, on entend de lointains murmures, pour dans des années, sur la possibilité que les fluides deviennent obsolètes. Il reste encore un long chemin avant que cela n'arrive, mais c'est suffisant pour que les entreprises interrogées en soient conscientes — tout comme les analystes de recherche qui surveillent le marché.

Les dangers associés aux fluides de coupe sont-ils aussi dangereux que certains régulateurs le pensent ? Les fabricants de fluides interrogés font preuve d'une grande empathie pour les préoccupations de santé et sécurité, mais conviennent qu'ils vont au-delà pour les adresser.

Fluides de coupe, réfrigérants et lubrifiants machine : où nous en étions, où nous en sommes maintenant

Alors que la technologie accélérait l'usinage et que la pression pour produire plus vite s'intensifiait, il y a eu un moment « eurêka », raconte Bruce Koehler, responsable produit senior chez Milacron Cimcool Fluid Technology : on a découvert que l'eau réduit la chaleur bien plus que l'huile pure. Et l'huile pure brûle, l'eau non.

« Nous sommes passés de l'utilisation de l'huile pure à l'utilisation d'eau et d'huile, ou d'eau seule », dit Koehler. Aujourd'hui, on utilise moins de fluides qu'avant. « La liste des produits chimiques utilisables dans les fluides de coupe devient de plus en plus courte, en raison des problèmes de santé et sécurité. »

De nombreux fabricants sont passés de cuves de 10 000 gallons servant 50 machines à des cuves de 50 gallons par machine au sein d'îlots de 5 machines. De plus, les formulations et composés chimiques changent constamment selon la disponibilité des matières premières et les besoins locaux des clients.

« Il y a beaucoup de reformulation chimique et la capacité de s'adapter à la volée face aux réglementations et besoins locaux », dit Koehler. « D'un point de vue formulation, parfois votre chimie est un sous-produit d'un processus. »

Il y a trente ans, les fluides synthétiques avaient mauvaise réputation à cause des résidus agressifs qu'ils laissaient — des résidus extrêmement collants qui abîmaient la peinture et d'autres parties de la machine. Plus autant aujourd'hui, affirment les experts.

« Nous avons fait du chemin, ces 13 dernières années environ où je suis ici, en développant de nombreux fluides semi-synthétiques pour améliorer la biostabilité, la stabilité d'émulsion, et améliorer la durée de vie en cuve et la performance », dit Brian Halstead, ingénieur d'application chez Castrol Industrial. « Pour nous, l'objectif est de réduire l'utilisation, réduire les déchets et améliorer la santé et la sécurité. »

Toutes les technologies annexes utilisées avec les réfrigérants — systèmes de réfrigérant à moyenne et haute pression, cuves, écumeurs et systèmes de filtration — ont toutes influencé l'utilisation et la maintenance des fluides.

« Quand j'ai commencé (il y a 36 ans), la pression normale sortant d'une broche où le fluide sort de la cuve pour aller à la zone de travail était au maximum de 300 psi », dit Koehler. « Maintenant on parle de pressions où la matière est travaillée jusqu'à 1 200 psi : c'est quatre fois la pression. »

Besoin de conseils sur la maintenance et l'élimination des réfrigérants ? Lisez « 4 Tips to Optimize Machine Fluid Maintenance and Coolant Disposal. »

Alors que de moins en moins d'additifs chimiques sont utilisés, la qualité et la composition de l'eau sont devenues un autre facteur clé de la performance du réfrigérant et de sa chimie. « L'Indiana est connue pour son eau dure, tandis que le Kentucky a une eau douce, par exemple », dit Koehler. Vous avez donc toujours affaire à une variété de conditions qui changent ce qui se passe dans une machine et les éléments qui pourraient être introduits par l'eau spécifique disponible localement. Les formulations doivent s'adapter à l'approvisionnement en eau.

Mais les additifs, émulsifiants et qualités lubrifiantes dans le réfrigérant sont toujours nécessaires. Dans l'usinage de pièces automobiles, aérospatiales et médicales, la tendance est vers l'utilisation de matériaux plus résistants et plus légers. Les alliages haute température et les chromes tournent plus vite et augmentent la chaleur dans l'opération d'usinage — et la meilleure façon d'éliminer la chaleur est avec des fluides synthétiques qui aident la lubrifiance pour que les coupes puissent être faites plus facilement — surtout avec des matériaux plus durs.

Dans l'aérospatiale en particulier, les produits contenant de l'huile sont encore utilisés, mais ils sont dilués à 90-95 % d'eau. L'industrie passe des séries 6000 d'aluminium au titane — qui fonctionne mieux avec des fluides synthétiques, dit Koehler.

« Ce que j'aime avec les synthétiques, c'est leur durée de vie en cuve — ils ne développent pas bien les bactéries. Ils durent longtemps d'un point de vue biologique. Ils ne moussent pas. Et ils restent clairs, donc un opérateur peut fermer la porte de la machine, regarder à l'intérieur et observer la coupe sans interruption visuelle. »

Vers où vont les fluides de coupe ?

Un élément important dans la direction et l'avenir du réfrigérant et des systèmes de réfrigérant réside dans le matériau et son application. Une grande partie des matériaux qui seront utilisés à l'avenir n'est pas nécessairement connue des fabricants de fluides — autant qu'elle l'est des fabricants. Mais cela n'empêche pas les fabricants d'essayer d'innover vers une gamme de produits sans déchets.

« Nous avons un domaine que nous appelons "chimie congruente" qui, pour les fluides à base d'eau, sert un double objectif : c'est aussi un nettoyant qui lave les pièces et aide la maintenance de la cuve en rendant tous les éléments du réfrigérant compatibles », dit Halstead.

Le point clé ? Il n'y a pas besoin d'écumer l'huile du tout ; le déchet n'intervient que lors du changement de système. Castrol Industrial affirme observer une réduction de 40 % de l'utilisation de produit avec certaines gammes par rapport aux anciennes technologies de fluides.

Koehler dit qu'un domaine que Milacron Cimcool surveille de près est la nanotechnologie, où des nanoparticules solides microscopiques pourraient être utilisées pour lubrifier au lieu du fluide à base d'eau d'aujourd'hui. Bien qu'il y ait un potentiel prometteur, il n'y a pas encore assez de recherches sur l'impact sur les poumons des opérateurs — c'est donc encore une approche « attendre et voir », admet Koehler.

« Nous essayons aussi d'améliorer les propriétés de mouillage dans les réfrigérants à base d'eau, pour qu'ils s'écoulent mieux sur les pièces dans les machines, laissant moins de résidus et améliorant la durée de vie en cuve », dit Halstead. « Nous améliorons aussi la stabilité de concentration, donc si vous utilisez moins, vous aurez besoin que la concentration se maintienne et se stabilise, et ne s'épuise pas et n'ait pas besoin de plus pour compenser. »

Mais ultimement, le grand fabricant de fluides essaie simplement de faire une chose : créer une stabilité de produit globale utilisable dans le monde entier, puis la localiser pour les besoins des clients. Le défi est alors de prendre les connaissances accumulées des tests et optimisations de réfrigérants pour travailler avec les lois locales et régionales et les conditions de qualité de l'eau afin de personnaliser selon ces besoins.

Pour rester au fait des changements inévitables de matériaux, les grands acteurs des fluides travaillent avec leurs partenaires clients dans leurs usines et effectuent aussi des tests dans leurs laboratoires sur les centres d'usinage d'aujourd'hui, dans des conditions aussi proches que possible du réel. Certains travaillent directement avec leurs clients et prospects sur des matériaux en instance de brevet — pour tester de nouvelles formules de réfrigérant ou travailler avec de nouveaux matériaux métalliques et expérimenter ce qui fonctionne.

Castrol Industrial, par exemple, travaille avec General Electric à Greenville, Caroline du Sud, où le fabricant de fluides est exposé aux matériaux aérospatiaux en instance de brevet en développement. Castrol travaille aussi avec Ford Motor Company — et d'autres constructeurs automobiles comme GM et Toyota, sur plusieurs applications de fluides.

Élimination du chlore et du DCHA

Le chlore, le DCHA (ou dicyclohexylamine) et le bore sont retirés des réfrigérants par les fabricants. Le chlore est souvent utilisé pour tuer les bactéries mais peut être dangereux pour les poumons et la peau. Le DCHA, qui est une « amine secondaire », est utilisé comme stabilisateur de pH, mais des études plus récentes ont montré qu'une exposition dangereuse peut se produire par la peau. Donc, de nombreuses amines secondaires sont éliminées des formules de réfrigérant, disent les fabricants. En ne gardant que l'amine primaire, vous avez moins de produits chimiques dans le produit, donc moins de risque d'irritation cutanée et autres problèmes de santé.

Le mouvement vers des réfrigérants sans bore

Pourquoi ? Parce que le bore à certains niveaux peut accumuler des résidus et être préjudiciable aux outils en adhérant aux pièces, broches, convoyeurs et outils de coupe, ce qui peut épuiser la performance de durée de vie d'outil, dit Halstead. Castrol Industrial l'a découvert par des tests sur machines CNC en laboratoire avec des outils de coupe métalliques et des revêtements. En tant que produit chimique anticorrosif, le bore aide, mais à des concentrations plus élevées, il peut être dangereux, ce qui est la priorité absolue de l'entreprise.

Il y a du bon et du mauvais avec les propriétés du bore, dit Halstead. « Le bore a l'effet tampon de pH et stabilisant, et la protection antirouille, ou « RP », souvent vue positivement. » Mais même à de faibles niveaux où les déchets de réfrigérant restent dans la cuve de plus en plus longtemps, ils se concentreront avec le temps, donc certaines entreprises veulent l'éliminer complètement.

Le rôle de l'usinage à sec et de la fabrication additive

Avec l'essor des techniques d'usinage à sec et des procédés de fabrication additive qui n'ont pas besoin de réfrigérant, l'activité des fluides de coupe fait face à une concurrence potentielle à long terme — y compris de la part des fabricants d'outillage. De plus, les préoccupations environnementales et de santé ont conduit de nombreux régulateurs à forcer les fabricants à passer à l'utilisation de la quantité minimale de lubrification, aussi appelée MQL.

« Les préoccupations croissantes sur l'impact environnemental des lubrifiants, couplées au succès de l'usinage à sec à des températures jusqu'à 1 800 degrés Fahrenheit, alimentent cette tendance », écrit Aaron Stone pour Fuels & Lubes International. « L'émergence d'outillages en céramique avancée, diamant et nitrure de bore cubique a permis l'usinage à haute température avec une lubrification limitée ou nulle, sans générer d'usure excessive. »

Quelle que soit la direction finale de l'industrie, les fabricants de fluides s'accordent sur une chose : les concentrations des fluides sont prévues pour être utilisées à 5-10 %.

« Ce sera la même chose quand je prendrai ma retraite que quand j'ai commencé », dit Koehler. « Tout le monde pense toujours que plus c'est mieux ou veut économiser et utiliser moins... Si vous tournez à 3 %, vous aurez des problèmes biologiques, développement de moisissures et corrosion, et si vous l'utilisez trop riche, on parle d'irritation cutanée ou de mousse. C'est la seule chose constante dans ce métier. »

Son conseil ? Gardez-le propre et maintenez la concentration où elle doit être et vous aurez une opération de fluide de coupe réussie.

Quels fluides de coupe utilisez-vous ? Où voyez-vous l'avenir de ces produits ? Partagez vos réflexions.