Fluidi refrigeranti basati su soluzioni biologiche

Tradizionalmente i fluidi lubrorefrigeranti sono interamente basati su oli minerali derivati dal petrolio. Una ricerca recente, mossa dall’esigenza sempre più impellente per un’industria manifatturiera green, ha messo in luce le prestazioni eccellenti di un’alternativa biologica.

I lubrorefrigeranti, divisi in emulsionati (solubili in acqua) e oli interi, sono da sempre uno dei componenti principali della filiera produttiva dell’industria metalmeccanica. Tutto quello che riguarda la trasformazione dei metalli tramite asportazione del truciolo vede coinvolto nel processo produttivo un lubrorefrigerante, che riveste la stessa importanza della macchina utensile e del materiale che deve essere lavorato.

I problemi legati ai tradizionali oli minerali

La contaminazione dei lubrorefrigeranti da sostanze esterne, inclusi batteri e funghi, causa da sempre un rischio ambientale e salutare per gli operatori macchine. Per evitare ciò, spesso vengono introdotti pesticidi, rendendo gli oli esausti ancora più dannosi per l’ambiente e soprattutto costosi da smaltire.

Il mondo occidentale sta adottando una sempre più stringente regolamentazione dei rifiuti, incentivando le imprese manifatturiere a minimizzare gli scarti di lavorazione e premiando economicamente quelle più ecologiche. In quest’ottica il mondo della ricerca sta cercando delle soluzioni alternative: le più convincenti sono orientate verso l’utilizzo di nanoparticelle in sospensione fluida, sviluppo di oli biologici e l’utilizzo diretto di microrganismi.

Fluidi lubrorefrigeranti vivi

Ricerche recenti, integrando elementi della tecnosfera ed elementi della biosfera, hanno messo in luce un particolare microorganismo, l’alga spirulina. Si tratta di una specie di microalghe appartenente alla classe dei cianobatteri in grado di produrre un bio-olio con importante potenziale di lubrificazione. È inoltre facilmente reperibile, essendo coltivata a livello globale per le ottime caratteristiche nutrizionali. L’utilizzo di questo microrganismo è quindi completamente sostenibile e i benefici ambientali possono essere riassunti nei seguenti punti:

• L’impatto ambientale in termini equivalenti di anidride carbonica e acqua è nettamente inferiore, un chilogrammo di biomassa richiede l’assorbimento di 1.83 kg di CO₂.
• Lo smaltimento del fluido da taglio a base microbica può essere più facilmente e soprattutto più economicamente attuato mediante processi come la digestione anaerobica.
• Attraverso l’uso di bioraffinerie, il fluido esausto può essere utilizzato come fluido vettore nei processi termoconvettori; può essere inoltre riciclato per la produzione di prodotti come bio-plastiche e bio-fibre.

La produzione di questo cianobatterio si ottiene mediante coltivazione in vasche aperte o in particolari macchinari (fotobioreattori), attraverso l’agitazione di acqua dolce e nutrienti necessari alla crescita dell’alga. Raggiunta una concentrazione di 0.5 g/l di soluzione è possibile raccogliere la specie e, utilizzando dei processi di filtraggio, arrivare a ottenere una biomassa con il 10% di massa a secco per litro.

A queste concentrazioni, le proprietà lubrificanti raggiungono risultati decisamente promettenti. Il metodo che si ritiene più efficace per l’implementazione del fluido a base di quest’alga è l’SQL (dall’inglese Small Quantity Lubrication). Le performance di questo fluido, utilizzando pressioni nel range di 4-7 bar e portate volumetriche di 20-40 ml/min, sono comparabili con quelle dei moderni oli da taglio in termini di finitura del pezzo (nel caso dell’acciaio) e sensibilmente migliori rispetto a un taglio a secco. Si è stimato che l’usura degli utensili da lavoro, in condizioni di taglio quasi ortogonale, sia del 30% e del 10% più bassa rispettivamente rispetto al taglio asciutto e all’utilizzo di fluidi convenzionali.

La nota negativa

Le cellule del microrganismo subiscono danni in seguito alla lavorazione; a basse velocità l’analisi al microscopio rivela la presenza di molte cellule lisate, ma anche una buona parte integre. Diverso quando le velocità di taglio raggiungono valori alto-moderati, in questa situazione si nota una distruzione su larga scala del microrganismo dovuta all’incremento dello stress, con solo una piccola parte delle cellule rimaste intatte.

Oli da taglio arricchiti con nano particelle

Nell’industria manifatturiera è difficile ottenere le proprietà desiderate del prodotto allo stato secco. La lavorazione a secco può limitare i parametri di lavorazione a causa dell’elevata generazione di calore nella zona di lavorazione. Per evitare questi problemi nel taglio dei metalli, il fluido da taglio svolge un ruolo fondamentale nel ridurre la temperatura di lavorazione e nel fornire la lubrificazione tra l’utensile e il pezzo.

Per superare i problemi durante la lavorazione in condizioni asciutte, è necessaria una nuova classe di tecniche rispettose dell’ambiente. Una di queste tecniche è la lavorazione quasi a secco (NDM) o la quantità minima di lubrificazione (MQL). In questa tecnica, una piccola quantità di refrigerante viene miscelata con aria compressa e spruzzata sotto forma di nebbia sull’utensile da taglio. Pertanto, è necessario un fluido da taglio altamente efficiente, che può migliorare le prestazioni del fluido da taglio convenzionale.

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di fluido come il “nano fluido” (aggiunta di nanoparticelle nel fluido convenzionale). Sulla base della letteratura scientifica, è stato stabilito che il miglioramento della conducibilità termica dei fluidi da taglio nano-arricchiti è il parametro più importante per migliorare le prestazioni di vari processi di lavorazione. L’aggiunta di particelle di dimensioni nanometriche nei fluidi convenzionali riduce significativamente:

• l’energia specifica
• la potenza
• la temperatura di taglio
• le forze
• la rugosità superficiale
• la coppia di foratura
• l’usura dell’utensile e il coefficiente di attrito

Al contempo, aumenta  la precisione dimensionale del pezzo durante la lavorazione. I ricercatori si sono concentrati maggiormente sugli aspetti delle migliori proprietà tribologiche (attrito, usura e lubrificazione dei materiali a contatto) e della maggiore conduttività termica dei fluidi da taglio nano-arricchiti. L’aggiunta di singole nanoparticelle in liquidi da taglio convenzionali per diversi processi di lavorazione è una delle aree attualmente oggetto di interesse.

Migliorare le prestazioni del processo di asportazione

Un’altra area è la miscelazione di più di una nanoparticella (nano fuido ibrido) per migliorare le prestazioni del processo di asportazione di materiale metallico. Le variabili che influenzano le performance sono la dimensione delle nanoparticelle, la forma delle nanoparticelle, la frazione di nanoparticelle, la portata volumetrica del fluido, mezzo di spruzzatura, angolo di orientamento dell’ugello, distanza di spruzzatura e pressione dell’aria.

I vantaggi possono essere brevemente riassunti nei seguenti punti:

• Elevata stabilità nella soluzione.
• Per ottenere uno stesso grado di dispersione di calore è necessaria molto meno potenza di pompaggio rispetto alla soluzione di base.
• Miglioramento delle caratteristiche termiche.
• I nano fluidi soffrono molto meno del fenomeno dell’ostruzione del sistema di raffreddamento, quindi è possibile minimizzarne la grandezza.
• La concentrazione e la dimensione delle nano particelle hanno effetti benefici anche sulla qualità del pezzo finito.

Di seguito si riportano alcuni esempi dei risultati ottenuti a seconda del nano fluido utilizzato:

• L’inclusione di nano-diamanti nel processo di foratura in paraffina e olio vegetale riduce la coppia e le forze necessarie e in generale la qualità dell’operazione.
• L’inclusione di allumina con diametro medio di 40nm (Al₂O₃) in acqua deionizzata, mostra temperature minime e migliore qualità superficiali nel processo di rettifica, anche rispetto all’inclusione di nano-diamanti.
• L’inclusione di nano particelle di SiO₂ a basse concentrazioni nell’olio ECONUT SSN 332 assicura una minimizzazione delle forze di taglio utilizzando la tecnica MQL (Minimum Quantity Lubrication); i migliori risultati di finitura superficiale son ottenuti invece con una concentrazione minore.
• L’inclusione di nano particelle di CuO (Ossido cuprico) in acqua assicura nel processo di tornitura, un profilo di temperature più uniforme, aumentando dunque la vita dell’utensile; includendo invece le stesse nano particelle nel grasso si ottiene un deciso miglioramento della finitura superficiale.