Particularmente en el mecanizado de materiales metálicos y plásticos difíciles de mecanizar, la refrigeración criogénica con CO2 ofrece ventajas económicas y ecológicas decisivas. Estas se pueden aprovechar de manera efectiva en la práctica industrial mediante un innovador módulo de refrigeración CO2, que se integra completamente en centros de mecanizado CNC y tornos en términos de maquinaria, control y seguridad. La nueva unidad de refrigeración, desarrollada en el marco de un proyecto de investigación, opera en la refrigeración externa e interna con cambio automático de herramienta, comparable a instalaciones para refrigerantes convencionales, y se puede combinar con estos si es necesario.
Materiales de alta resistencia, mayores exigencias en la calidad de las piezas, el deseo de un volumen de mecanizado máximo, mayores requisitos en términos de eficiencia energética y de recursos, reducción de la huella de CO2 y, no menos importante, la creciente presión de costos presentan nuevos desafíos para la tecnología de mecanizado. La refrigeración criogénica con CO2 se considera clave para resolver estas tareas de manera eficiente. 'La refrigeración criogénica permite desplazar los límites tecnológicos en el mecanizado y así lograr mejoras significativas en productividad, rentabilidad, sostenibilidad y protección laboral', explica Lucas Günther, ingeniero de proyectos en el grupo de investigación de tecnología de mecanizado en el equipo del Prof. Dr.-Ing. Uwe Teicher en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zwickau (WHZ) y en el Centro de Investigación y Transferencia e.V. (FTZ) de la universidad. Su colega Andreas Zinke añade: 'Debido al gran interés tanto en la industria de máquinas-herramienta como entre los usuarios por una solución de sistema de refrigeración completamente integrada, la WHZ y el FTZ, junto con el fabricante de sistemas de refrigeración acp systems, el fabricante de máquinas Chiron, el fabricante de tecnología de sujeción y pasajes rotativos Ott-Jakob y otros socios industriales de los sectores de fabricación de herramientas y tecnología de seguridad, han iniciado un proyecto de investigación. También estuvo involucrado el grupo de trabajo industrial Zerspanen con CO2, fundado en Zwickau en 2015.
Refrigeración criogénica controlada por CNC completamente integrada
El objetivo era desarrollar una solución de refrigeración criogénica para la refrigeración externa e interna que pudiera integrarse completamente en centros de mecanizado y tornos en términos de suministro de medios, control y tecnología de seguridad, y que pudiera ser controlada por CNC, como es el caso de las instalaciones para refrigerantes convencionales. Para ello, había que superar varios desafíos. El primero se refería al tamaño de construcción o al espacio requerido del módulo de refrigeración. Independientemente de que se desarrolló para su uso en un Chiron Mill 800 con la interfaz de herramienta HSK 63, debe ser adaptable sin grandes esfuerzos a los conceptos de máquina de otros fabricantes y a otros sistemas de interfaz.
Además, hemos desarrollado un distribuidor de medios adecuado para la integración técnica de la máquina. Esto permite que la refrigeración criogénica se seleccione como refrigeración externa en la herramienta o como refrigeración interna a través de la herramienta, de manera análoga a las soluciones de refrigeración convencionales', describe Lucas Günther otro desafío. Esto incluye la posibilidad de operar un centro de mecanizado combinado, tanto criogénico como con refrigeración por emulsión o lubricación en mínima cantidad. La integración de la planta en términos de control y tecnología de seguridad se realizó a través de interfaces estandarizadas y sensores de seguridad de CO2. 'La planta de refrigeración criogénica se puede controlar completamente a través del centro de mecanizado', concreta Andreas Zinke. 'Además, la tecnología de seguridad del centro de mecanizado y de la planta de refrigeración está interconectada. Si uno de los sistemas se apaga, el otro también se apaga automáticamente.'
Se respeta el límite de 5.000 ppm de CO2 de manera segura
Además del módulo de refrigeración, se ha desarrollado en el FTZ un concepto para la operación segura de máquinas-herramienta con refrigeración criogénica de CO2, basado en extensas investigaciones y pruebas. Para determinar el potencial de riesgo para los empleados en la producción, los investigadores trabajaron con dos escenarios de prueba: en el primero, el CO2 se utilizó en cantidades pequeñas, medianas y grandes en máquinas-herramienta con espacio de trabajo abierto o semiabierto.
En el segundo montaje experimental, el espacio de trabajo estaba cerrado, y aquí también se utilizaron diferentes cantidades de CO2. Se midieron las concentraciones de CO2 en el entorno de la máquina y del taller, tanto con la extracción externa encendida como apagada.
'A partir de esto, hemos definido qué tecnología de seguridad es necesaria, cómo se debe utilizar para una operación segura y dónde debe colocarse. En consecuencia, acp systems ha integrado sensores de monitoreo de CO2 para la medición de concentración y tecnología de apagado en el sistema total', informa Andreas Zinke. 'El límite de exposición laboral para CO2 de 5.000 ppm en el aire ambiente se cumple de manera confiable. En principio, las cantidades de CO2 utilizadas en el mecanizado se consideran bajas.'
Aumentar la productividad, rentabilidad y sostenibilidad de manera fría
Se ha investigado sobre la refrigeración criogénica en la WHZ y en el FTZ durante 15 años. Amplios estudios fundamentales con diferentes materiales y en diversas aplicaciones de mecanizado han demostrado la efectividad de la refrigeración criogénica de CO2. Especialmente en materiales metálicos difíciles de mecanizar, incluidos aceros inoxidables, aleaciones de níquel, cobalto y titanio, así como en plásticos, materiales compuestos y polieteretercetona (PEEK), se han logrado volúmenes de corte más altos, menor desgaste de herramientas y tiempos de vida útil de herramientas más largos en comparación con refrigerantes convencionales (KSS).
Estas ventajas han sido confirmadas por diversos proyectos relacionados con aplicaciones y piezas con socios industriales. Además, la refrigeración se realiza sin residuos, lo que minimiza el esfuerzo de limpieza en piezas y máquinas-herramienta, así como facilita significativamente el reciclaje de virutas. 'Además, el uso de CO2 a menudo muestra una mejor calidad de superficie y una menor formación de rebabas', añade Lucas Günther.
La tecnología de refrigeración también ofrece ventajas desde el punto de vista ecológico y de protección laboral. El CO2 líquido reciclado utilizado para la refrigeración criogénica se produce en procesos de producción química y en la generación de energía a partir de biomasa. En contraste, el KSS convencional es un producto químico que debe ser desechado al final de su vida útil. Además, puede representar un riesgo para los empleados debido a los componentes del refrigerante, como aditivos o bactericidas. En cuanto a la huella de CO2, la refrigeración criogénica también tiene un mejor desempeño.
"Las primeras investigaciones y cálculos comparativos sobre el consumo de energía han demostrado que, al utilizar sistemas de refrigeración con aceite/emulsión de tamaño medio, la toma de corriente se sitúa en el rango de varios kilovatios, mientras que en los sistemas de refrigeración de alta presión puede llegar incluso a 10 kW. En cambio, la refrigeración criogénica consume menos de 100 vatios", informa Andreas Zinke. Esto permite ahorrar mucha energía, lo que tiene un efecto positivo en la huella de carbono.
Con el nuevo módulo de refrigeración de CO2 desarrollado por acp systems, la mecanización ahora dispone de una solución que se puede integrar completamente en la máquina herramienta o el centro de mecanizado, independientemente del fabricante, y operar de manera segura y controlada por CNC. Esto permite una capacidad de rendimiento significativamente mayor en comparación con la refrigeración convencional con KSS, además de realizar las ventajas tecnológicas, económicas y ecológicas de la refrigeración criogénica.
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