In particolare, nella lavorazione di materiali metallici e plastiche difficili da lavorare, il raffreddamento criogenico con CO2 offre vantaggi economici ed ecologici decisivi. Questi possono essere sfruttati in modo efficace nella pratica industriale grazie a un innovativo modulo di raffreddamento a CO2, completamente integrato in centri di lavorazione CNC e torni dal punto di vista della macchina, del controllo e della sicurezza. Il nuovo gruppo di raffreddamento, sviluppato nell'ambito di un progetto di ricerca, funziona sia per il raffreddamento esterno che interno con cambio automatico degli utensili, in modo comparabile agli impianti per lubrificanti refrigeranti classici, ed è combinabile con questi se necessario.
Materiali ad alta resistenza, crescenti requisiti per la qualità dei componenti, il desiderio di un massimo volume di asportazione, maggiori esigenze in termini di efficienza energetica e delle risorse, riduzione dell'impronta di carbonio e, non da ultimo, la crescente pressione sui costi pongono nuove sfide alla tecnologia di asportazione. Il raffreddamento criogenico con CO2 è considerato la chiave per affrontare queste problematiche in modo efficiente. "Il raffreddamento criogenico consente di superare i limiti tecnologici nell'asportazione, ottenendo così significativi miglioramenti in termini di produttività, economicità, sostenibilità e sicurezza sul lavoro", spiega Lucas Günther, ingegnere di progetto nel gruppo di ricerca sulla tecnologia di asportazione nel team del Prof. Dr.-Ing. Uwe Teicher presso l'Università della Sassonia Occidentale di Zwickau (WHZ) e presso il Centro di ricerca e trasferimento e.V. (FTZ) dell'università. Il suo collega Andreas Zinke aggiunge: "A causa dell'interesse significativo sia nell'industria delle macchine utensili che tra gli utenti per una soluzione di impianto di raffreddamento completamente integrata, la WHZ e il FTZ, insieme al produttore di impianti di raffreddamento acp systems, al costruttore di macchine Chiron, al produttore di tecnologie di serraggio e passaggi rotativi Ott-Jakob e ad altri partner industriali nei settori della produzione di utensili e della tecnologia di sicurezza, hanno avviato un progetto di ricerca. È stato coinvolto anche il gruppo di lavoro industriale Zerspanen con CO2, fondato a Zwickau nel 2015".
Raffreddamento criogenico CNC controllato, completamente integrato
L'obiettivo era lo sviluppo di una soluzione di raffreddamento criogenico per il raffreddamento esterno e interno, completamente integrata nei centri di lavorazione e nelle macchine utensili in termini di fornitura dei fluidi, controllo e tecnologia di sicurezza, e che possa essere gestita tramite CNC come avviene per gli impianti di refrigeranti convenzionali. Per questo, sono state affrontate diverse sfide. La prima riguardava le dimensioni costruttive e lo spazio necessario per il modulo di raffreddamento. Indipendentemente dal fatto che sia stato sviluppato per l'uso in una Chiron Mill 800 con interfaccia utensile HSK 63, deve poter essere adattato senza grandi sforzi ai concetti di macchina di altri produttori e ad ulteriori sistemi di interfaccia.
Inoltre, abbiamo sviluppato un distributore di media adatto per l'integrazione della tecnologia delle macchine. Questo consente di selezionare il raffreddamento criogenico analogamente alle soluzioni di raffreddamento convenzionali, sia come raffreddamento esterno sugli utensili che come raffreddamento interno attraverso l'utensile", descrive Lucas Günther un'altra sfida. Ciò include la possibilità di gestire un centro di lavorazione in modo combinato - sia criogenico che con raffreddamento a emulsione o lubrificazione a minima quantità. L'integrazione dell'impianto di controllo e sicurezza è avvenuta tramite interfacce standardizzate e sensori di sicurezza CO2. "L'impianto di raffreddamento criogenico può quindi essere completamente controllato tramite il centro di lavorazione", specifica Andreas Zinke. "Inoltre, la tecnologia di sicurezza del centro di lavorazione e dell'impianto di raffreddamento è collegata. Se uno dei sistemi si spegne, anche l'altro si spegne automaticamente."
Il limite di 5.000 ppm di CO2 sarà sicuramente rispettato.
In aggiunta al modulo di raffreddamento, presso l'FTZ è stato sviluppato un concetto per il funzionamento sicuro delle macchine utensili con raffreddamento a CO2 criogenico, basato su ampie indagini e test. Per determinare il potenziale di rischio per i dipendenti nella produzione, i ricercatori hanno lavorato con due scenari di test: nel primo, il CO2 è stato utilizzato in piccole, medie e grandi quantità in macchine utensili con spazio di lavoro aperto o semi-aperto.
Nel secondo allestimento sperimentale, l'area di lavoro era chiusa; anche qui sono state utilizzate diverse quantità di CO2. Sono state misurate le concentrazioni di CO2 rispettivamente con l'aspirazione esterna accesa e spenta nell'ambiente della macchina e dell'area.
„Sulla base di ciò, abbiamo definito quale tecnologia di sicurezza è necessaria, come deve essere utilizzata per un funzionamento sicuro e dove deve essere posizionata. Di conseguenza, acp systems ha integrato sensori di monitoraggio del CO2 per la misurazione della concentrazione e la tecnologia di spegnimento nel sistema complessivo“, riferisce Andreas Zinke. „Il valore limite di esposizione al CO2 di 5.000 ppm nell'aria ambiente viene rispettato in modo affidabile. In linea di principio, le quantità di CO2 utilizzate nella lavorazione meccanica possono essere considerate basse.“
Aumentare freddamente produttività, economicità e sostenibilità
La ricerca sul raffreddamento criogenico è in corso presso la WHZ e il FTZ da 15 anni. Ampie indagini di base con diversi materiali e in varie applicazioni di lavorazione hanno dimostrato l'efficacia del raffreddamento criogenico con CO2. In particolare, per materiali metallici difficili da lavorare, tra cui acciai inossidabili, leghe di nichel, cobalto e titanio, così come per plastiche, materiali compositi e polietereterchetone (PEEK), sono stati ottenuti volumi di truciolo più elevati, minore usura degli utensili e tempi di vita degli utensili più lunghi rispetto ai refrigeranti convenzionali (KSS).
Questi vantaggi sono stati confermati da diversi progetti applicativi e relativi ai componenti con partner industriali. Inoltre, il raffreddamento avviene senza residui, il che riduce al minimo lo sforzo di pulizia dei componenti e delle macchine utensili, facilitando notevolmente il riciclaggio dei trucioli. "Inoltre, l'uso di CO2 spesso porta a una qualità superficiale migliorata e a una riduzione della formazione di bave", aggiunge Lucas Günther.
I vantaggi della tecnologia di raffreddamento si manifestano anche sotto aspetti ecologici e di protezione del lavoro. Il CO2 liquido riciclato utilizzato per il raffreddamento criogenico proviene da processi di produzione chimica e dalla produzione di energia da biomassa. Al contrario, il refrigerante convenzionale è un prodotto chimico che deve essere smaltito al termine del suo ciclo di vita. Inoltre, gli ingredienti del refrigerante, come additivi o battericidi, possono rappresentare un rischio per i dipendenti. Anche per quanto riguarda l'impronta di carbonio, il raffreddamento criogenico si comporta meglio.
"Le prime indagini e i calcoli comparativi sul consumo energetico hanno dimostrato che l'uso di impianti di raffreddamento a olio/emulsione di dimensioni medie comporta un assorbimento di corrente nell'ordine di diversi kilowatt, mentre negli impianti di raffreddamento ad alta pressione può arrivare fino a 10 kW. Al contrario, il raffreddamento criogenico consuma meno di 100 watt", riporta Andreas Zinke. Ciò consente di risparmiare molta energia, con un effetto positivo sull'impronta di CO2.
Con il nuovo modulo di raffreddamento CO2 sviluppato da acp systems, la lavorazione dispone ora di una soluzione che può essere completamente integrata in essa, indipendentemente dal produttore della macchina utensile o del centro di lavorazione, e gestita in modo sicuro e controllato da CNC. Ciò consente una capacità di prestazione significativamente superiore rispetto al raffreddamento convenzionale con KSS, realizzando anche i vantaggi tecnologici, economici ed ecologici del raffreddamento criogenico.
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