Biobasierte Polymere – Kunststoffe der Zukunft Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Malberg Geschäftsfeld Biogene Rohstoffe Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung Giggenhauserstr. 35 85354 Freising Telefon 08161 / 491 – 417
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26. September 2012 Quelle: Bechem
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Geschäftsfelder IVV
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Geschäftsfeld Biogene Rohstoffe
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Was ist ein Kühlschmierstoff? Definition:
Ein Stoff der zum Kühlen und Schmieren beim Trennen und teilweise beim Umformen von Werkstoffen, insbesondere von Metallen benutzt wird. Aufbau:
Kühlschmierstoff
=
Basisfluid
+
Mengenmäßig größter flüssiger Anteil des Schmierstoffs, z.B.: Öl, Ester, Polyglykole, Wasser
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Additiv Zusätze, die die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Basisfluids beeinflussen
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Anforderungsprofil
Kühlleistung Verschleißminderung Spanabfuhr Leichte Werkstückreinigung Betriebssichere Anwendung Umweltschonend Geringes Gefährdungspotenzial für Mitarbeiter
Quelle: Bechem
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Anforderungsprofil
Kühlleistung Verschleißminderung Spanabfuhr Leichte Werkstückreinigung Betriebssichere Anwendung Umweltschonend Geringes Gefährdungspotenzial für Mitarbeiter
Quelle: Bechem
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Erfüllt Mineralöl diese Anforderungen? Medium
Wasser Grundöl
Reichert-Reib-Verschleß (RRV) Bruggerverschleißmessung Verschleißellipse Flächenpressung mm² N/cm² N/mm² 35 690 20 40 748 20
Nein, weil grundsätzlich schlechte Schmiereigenschaften Nein, weil hoher Additivbedarf Nein, weil hoher Reinigungsaufwand an Bauteilen und Werkstücken Nein, weil gesundheitsschädlich für Mitarbeiter
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Idee und Forschungsansatz Entwicklung eines mineralölfreien und kostengünstigen Kühlschmierstoffs (KSS), der aus wässrigen Lösungen pflanzlicher Biopolymere besteht. Der neue KSS soll durch Variation der Viskosität und des Schmierverhaltens die etablierten, mineralölbasierten Kühlschmierstoffe in einer Vielzahl von Anwendungen vollwertig ersetzen können.
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Die Projekte Laufzeiten: 1.07.2005 bis 30.06.2008 (Phase 1 – Entwicklung) 1.07.2009 bis 30.06.2011 (Phase 2 – Integration) FuE-Einrichtungen: Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) Industriepartner: Carl Bechem GmbH FMA-Elstermann Till Hydraulik GmbH Volkswagen AG (in Projekt Nr. 1)
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ableitung der Basispolymerlösung - Analytik
Medium
Wasser Grundöl Bioplymerer Kühlschmier -stoff
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Reichert-Reib-Verschleß (RRV) Bruggerverschleißmessung Verschleißellipse Flächenpressung mm² N/cm² N/mm² 35 690 20 40 748 20 16
1900
35,5
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
© Fraunhofer IVV
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Entsorgung– wesentliche Ergebnisse 70
Massenreduktion [%]
60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
Zeit [min] Berufluid NE 5 © Fraunhofer IVV
FSE 724
50
60
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ergebnisse Stabilität der Biopolymere Untersuchungen thermischen und physikalischen Stabilität
Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche Schleifversuche und Zerspanungsversuche bei Projektpartnern
Analytik Tribologische Untersuchungen
Kreislaufführung Aufreinigung von Spänen (Abwaschen, Abpressen, Abschleudern)
Entsorgung Eindampfen
Umsetzung
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Umsetzung
Quelle: Bechem
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Umsetzung Hochgeschwindigkeitsschleifen Zahnradbearbeitung Tiefbohren Umformen
Quelle: Bechem, DANA
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Umsetzung
Standzeiten des Schleifmediums erhöhten sich von 12 auf 20 Monate Höhere Produktivität von bis zu 30 % Reduzierter Werkzeugverschleiß Sehr gute Filtrierbarkeit, sauberes Medium Hohe Mitarbeiterakzeptanz, hautfreundlich, sehr positiv bezüglich Geruch Deutlich niedrigere Werkstücktemperatur
Quelle: Bechem, DANA
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Umsetzung
Die Idee und die erfolgreiche Umsetzung wurde schließlich mit zwei renommierten Preisen ausgezeichnet: Deutsche Rohstoffeffizienzpreis 2011 Joseph von Fraunhofer Preis 2012
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Entsorgung– wesentliche Ergebnisse 150
Viskosität [mm²/s ]
120
90
60
30
0 0
10
20
30
40
Zeit [min] Berufluid NE5
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FSE 724
50
60
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Entsorgung– wesentliche Ergebnisse 25000
CSB [mg/l]
20000
15000
10000
5000
0 0
10
20
30
40
Zeit [min] Berufluid NE 5
© Fraunhofer IVV
FSE 724
50
60
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Kreislaufführung - Schmierstoffrückgewinnung Untersuchungen zum Abpressen 50 45
Abpressrate [Mass.-%]
40 35 30 25 20 15 10 5 0 Aluspäne-IVV
Spanprobe 1 FSE 724 Berufluid NE5
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Spanprobe 2
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Kreislaufführung - Schmierstoffrückgewinnung Untersuchungen zum Abflussverhalten 200 180
Abflussmenge [ml]
160 140 120 100 80 60 40
200
20
180 160
0 20
40
60
80
100
Zeit [s] Sp1
Sp2
Sp3
120140
Abflussmenge [ml]
0
140
160
180
120 100 80 60 40 20 0 0
20
40
60
80
100
120
140
Zeit [s] Sp1-NE5
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Sp2-NE5
Sp1-FSE724
Sp2-FSE724
160
180
Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Qualitätssicherung – wesentliche Ergebnisse Brix-Zahl als Instrument zur Überwachung der Viskosität geeignet Logarithmische funktionelle Zusammenhänge Ergebnisse aus Laboruntersuchungen in Praxis übertragbar Schmierstoffnachjustierung problemlos möglich jedoch kein Verzicht auf weitere Kontrollparameter
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Biopolymere für ölfreie Kühlschmierstoffe Ableitung der Basispolymerlösung – erste Versuche
Schleifversuche am IWF (TU Braunschweig) Ausweitung der Versuche auf S40 und S120 Zerspanungsversuche bei VW (Coaching) Tiefbohren am IWF (TU Braunschweig)
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