Moldando o Amanhã: Inovações em Fluidos de Corte, Lubrificantes e Refrigerantes

O que o futuro reserva para refrigerantes, lubrificantes e fluidos de usinagem? Conversamos com veteranos da indústria para entender melhor a evolução do cenário atual de refrigerantes e as inovações de amanhã.

O que há de novo e próximo para fluidos de usinagem? Depende de algumas condições essenciais: Que material está sendo cortado? Quais são os regulamentos e necessidades localizadas que regem os fluidos no momento do uso? E quais inovações em ferramentas e manufatura em geral criarão raízes e poderão mudar a própria natureza do resfriamento?

Do ponto de vista de mercado, o mercado de fluidos de usinagem deve crescer globalmente para US$ 15 bilhões até 2025, segundo a Global Market Insights, empresa de pesquisa e consultoria. Em 2016, a Markets and Markets Research estimava que o mercado de fluidos atingiria US$ 9,74 bilhões até 2020 a uma taxa de crescimento anual composta de 3,2%.

Para muitos metais sendo cortados, como aço e ferro, a lubrificidade — com água ou óleo (ou ambos) — importa para remover detritos de cavaco, e aditivos ajudam a evitar deformação dos metais e ferrugem — e esses fluidos ajudam a resfriar temperaturas superficiais e manter a vida da ferramenta. No entanto, preocupações de saúde e segurança surgem sempre que fluidos estão em jogo, então fabricantes de fluidos estão consistentemente ajustando e readjustando suas formulações e composições químicas para maximizar desempenho e minimizar desperdício. Clientes querem poder reciclar refrigerantes para reduzir custos — e também querem refrigerante já usado para durar o máximo possível no tanque sem causar problemas de saúde.

Não é uma tarefa fácil. O maior problema de saúde em geral é irritação cutânea — algo que todos os fabricantes trabalham para evitar, mas os sistemas certos, como coletores de névoa, e equipamentos de proteção, como luvas, proteção ocular e máscaras faciais, também precisam ser usados, dizem os fabricantes.

A inovação está acontecendo equilibrando necessidades de desempenho na fabricação de peças com resultados de saúde desejados. Está ficando mais fácil atender a essas necessidades, mas foi um longo caminho para chegar aqui. Há a mudança para lubrificação de quantidade mínima — que é exatamente o que parece: use a menor quantidade de lubrificidade com a menor quantidade de químicos, aditivos e emulsionantes. A preocupação com outros problemas de saúde baseados em químicos fez muitos reguladores e regiões inteiras frequentemente banirem o uso de certos químicos completamente.

No horizonte, há murmúrios distantes, de anos por vir, de fluidos talvez se tornando obsoletos. Ainda há um longo caminho antes que isso aconteça, mas é o suficiente para que as empresas entrevistadas estejam cientes da possibilidade — assim como analistas de pesquisa que observam o mercado.

Os perigos associados aos fluidos são tão perigosos quanto alguns reguladores acreditam? Os fabricantes de fluidos entrevistados empatizam muito com as preocupações de saúde e segurança, mas concordam que vão além para abordá-las.

Fluidos de Usinagem, Refrigerantes e Lubrificantes de Máquina: Onde Estávamos, Onde Estamos Agora

À medida que a tecnologia ajudou a acelerar a usinagem e a pressão para fazer peças mais rápido tomou conta, houve um momento eureka, diz Bruce Koehler, gerente sênior de produto na Cimcool Fluid Technology da Milacron: Descobriu-se que a água reduz calor mais que óleo puro. E óleo puro queima e água não.

"Passamos de apenas usar óleo para usar água e óleo ou usar apenas água sozinha", diz Koehler. Hoje, há menos fluidos sendo usados do que antes. "A lista de químicos para usar em fluidos de usinagem está ficando cada vez menor baseada em questões de segurança e saúde."

Muitos fabricantes passaram de ter sistemas de tanque de 10.000 galões que serviam 50 máquinas para usar tanques de 50 galões por máquina dentro de uma célula de cinco máquinas. Além disso, as formulações e compostos químicos estão sempre mudando baseados em questões como disponibilidade de matéria-prima e necessidades localizadas dos clientes.

"Há muita reformulação de química acontecendo e capacidade de ajustar rapidamente devido a regulamentos e necessidades locais", diz Koehler. "Do ponto de vista de formulação, às vezes sua química é um subproduto de um processo."

Trinta anos atrás, fluidos sintéticos ganharam má reputação pelos resíduos agressivos que deixavam — e os resíduos eram extremamente pegajosos, danificando pintura e outras partes da máquina. Não mais tanto, afirmam os especialistas.

"Avançamos muito, nos últimos 13 anos ou mais que estou aqui, no desenvolvimento de muitos fluidos semissintéticos para melhorar biostabilidade, estabilidade de emulsão, e melhorar vida do tanque e desempenho", diz Brian Halstead, engenheiro de aplicações na Castrol Industrial. "Para nós, nosso objetivo é reduzir uso, reduzir desperdício e melhorar saúde e segurança."

Todas as tecnologias auxiliares usadas com refrigerantes — como sistemas de refrigerante de média e alta pressão, tanques, desnatadores e sistemas de filtração — todos influenciaram o uso e manutenção dos fluidos.

"Quando comecei (36 anos atrás), a pressão normal saindo de um fuso onde o fluido sai do tanque e vai para a zona de trabalho era no máximo 300 psi", diz Koehler. "Agora estamos falando de pressões onde o material está sendo trabalhado até 1.200 psi: Isso é quatro vezes a pressão."

Precisa de orientação sobre manutenção e descarte de refrigerante? Leia "4 Dicas para Otimizar Manutenção de Fluido de Máquina e Descarte de Refrigerante."

À medida que menos aditivos químicos são usados, significa que a qualidade e composição da água se tornaram outro fator chave em como o refrigerante performa e sua química. "Indiana é conhecida por sua água dura, enquanto a água do Kentucky é mole, por exemplo", diz Koehler. Então você está sempre lidando com uma variedade de condições que mudam o que acontece em uma máquina e os elementos que podem ser introduzidos pela água específica disponível na localidade do fabricante. As formulações têm que mudar de acordo com o abastecimento de água.

Mas aditivos, emulsionantes e qualidades lubrificantes no refrigerante ainda são necessários. No mundo da usinagem de peças automotivas, aeroespaciais e médicas, a tendência é usar materiais mais fortes que são mais leves. Ligas de alta temperatura e cromas estão rodando mais rápido e aumentando o calor na operação de usinagem — e a melhor forma de remover calor da operação é com fluidos sintéticos que ajudam a lubrificidade para que cortes possam ser feitos mais facilmente — especialmente com materiais mais duros.

Na aeroespacial, em particular, produtos contendo óleo ainda são usados, mas estão sendo diluídos em 90 a 95% de água. A indústria está mudando da série 6000 de alumínio para titânio — que tende a funcionar melhor com fluidos sintéticos, diz Koehler.

"O que adoro nos sintéticos é sua vida no tanque — eles não desenvolvem bactérias muito bem", diz Koehler. "Duram muito tempo do ponto de vista biológico. Não espumam. E ficam claros, então um operador de máquina pode fechar a porta da máquina e olhar para dentro e ver o corte sem interrupções visuais."

Para Onde Vão os Fluidos de Usinagem?

Um elemento importante na direção e futuro do refrigerante e sistemas de refrigerante reside no material e sua aplicação. Grande parte do material que será usado no futuro não é necessariamente conhecido pelos fabricantes de fluidos — tanto quanto é conhecido pelos fabricantes. Mas isso não está impedindo os fabricantes de tentar inovar em direção a uma linha de produtos sem desperdício.

"Temos uma área que chamamos de 'química congruente' que para fluidos à base de água serve a um duplo propósito que também é um limpador que lava as peças e ajuda a manutenção do tanque tornando todos os elementos no refrigerante compatíveis", diz Halstead.

O truque? Não há necessidade de desnatamento de óleo; o desperdício é apenas quando você vai trocar o sistema. A Castrol Industrial afirma estar vendo cerca de 40% de redução no uso de produto com algumas linhas de produtos de tecnologias de fluidos mais antigas.

Koehler diz que uma área que a Milacron Cimcool tem observado de perto é nanotecnologia, onde nanopartículas sólidas microscópicas poderiam ser usadas para lubrificar em vez de fluido à base de água como hoje. Embora haja potencial para promessa aqui, não há pesquisa suficiente sobre como isso poderia afetar os pulmões de um operador — então ainda é uma abordagem de esperar para ver, admite Koehler.

"Também estamos tentando melhorar as propriedades de molhabilidade em refrigerantes à base de água, para que escorram melhor das peças nas máquinas, deixando menos resíduo para trás e melhorando a vida no tanque", diz Halstead. "Também estamos melhorando na estabilidade de concentração, então se você está usando menos, precisará que a concentração mantenha e estabilize, e não se esgote e não precise de mais para compensar a diferença."

Mas, em última análise, o principal fabricante de fluidos está tentando simplesmente fazer uma coisa: Criar estabilidade global de produto que possa ser usada mundialmente, então localizada para as necessidades dos clientes. O desafio então é pegar o conhecimento construído a partir de testes e otimização de refrigerantes para então trabalhar com leis locais e regionais e condições de qualidade de água para ajudar a personalizar para essas necessidades.

Para ficar por cima de mudanças inevitáveis de materiais, os principais fabricantes de fluidos trabalham com seus parceiros clientes em suas plantas e também realizam testes em seus laboratórios nos centros de usinagem de hoje em condições o mais próximas possível do mundo real. Alguns trabalham diretamente com seus clientes e prospects em materiais com patente pendente — para testar novas fórmulas de refrigerante ou trabalhar com novos materiais metálicos e experimentar o que funciona.

A Castrol Industrial, por exemplo, trabalha com a General Electric em Greenville, Carolina do Sul, onde o fabricante de fluidos é exposto a materiais aeroespaciais com patente pendente sendo desenvolvidos. A Castrol também trabalha com a Ford Motor Company — e outras montadoras, como GM e Toyota, em várias aplicações de fluidos.

Remoção de Cloro e DCHA

Cloro, DCHA (ou dicicloexilamina) e boro estão sendo removidos dos refrigerantes pelos fabricantes. Cloro é frequentemente usado para matar bactérias mas pode ser perigoso para pulmões e pele. DCHA, que é uma "amina secundária", é usada como estabilizador de pH, mas como estudos mais recentes descobriram, exposição perigosa a ela pode ocorrer através da pele. Então, muitas aminas secundárias estão sendo eliminadas das fórmulas de refrigerante, dizem fabricantes. Ao usar apenas amina primária, você tem menos químicos no produto, então há menos chance de causar irritações cutâneas e outros problemas de saúde.

A Mudança para Refrigerantes Livres de Boro

Por quê? Porque boro em certos níveis pode acumular resíduos e ser prejudicial às ferramentas ao aderir a peças, fusos, transportadores e ferramentas de corte, o que pode esgotar o desempenho da vida da ferramenta, diz Halstead. A Castrol Industrial descobriu isso através de testes em máquinas CNC em laboratórios com ferramentas de corte de metal e revestimentos. Como químico anticorrosivo, o boro ajuda, mas em níveis de concentração mais altos, pode ser perigoso, que é a prioridade número um na agenda da empresa.

Há lado bom e ruim nas propriedades do boro, diz Halstead. "O boro tem efeito de buffer de pH e estabilização, e a proteção contra ferrugem, ou 'RP', que é frequentemente vista positivamente." Mas mesmo em níveis baixos onde o desperdício de refrigerante fica no tanque cada vez mais tempo, ele se concentrará com o tempo, então algumas empresas querem eliminá-lo completamente.

O Papel da Usinagem a Seco e Manufatura Aditiva

Com o aumento de técnicas de usinagem a seco e processos de manufatura aditiva que não precisam usar refrigerante, o negócio de fluidos enfrenta competição potencial de longo prazo — incluindo de fabricantes de ferramentas. Além disso, preocupações ambientais e de saúde têm muitos reguladores forçando fabricantes a moverem para usar a quantidade mínima de lubrificação, também conhecida como MQL.

"Preocupações crescentes sobre o impacto ambiental de lubrificantes, combinadas com sucesso em usinagem a seco em temperaturas de até 1.800 graus Fahrenheit, estão impulsionando esta tendência", escreve Aaron Stone para Fuels & Lubes International. "O surgimento de ferramentas avançadas de cerâmica, diamante e nitreto de boro cúbico, permitiu usinagem de alta temperatura com lubrificação limitada ou zero, sem gerar desgaste excessivo."

Independentemente da direção final da indústria, fabricantes de fluidos concordam em uma coisa: As concentrações dos fluidos são destinadas a serem usadas a 5 a 10%.

"Será o mesmo quando eu me aposentar como era quando comecei", diz Koehler. "Todos sempre acham que mais é melhor ou querem economizar dinheiro e usar menos... Se você roda a 3%, terá preocupações biológicas, crescimento de mofo e corrosão, e se usar muito rico, estamos falando de irritação cutânea ou espuma. É a única coisa consistente neste negócio."

Seu conselho? Mantenha limpo e mantenha a concentração onde precisa estar e você terá uma operação de fluido de usinagem bem-sucedida.

Quais fluidos de usinagem você usa? Para onde você vê o futuro destes produtos indo? Compartilhe seus pensamentos.