Nachhaltigkeit bei Kühlschmierstoffen

Wer denkt beim Thema Kühlschmierstoff (KSS) schon an Nachhaltigkeit. Wenn überhaupt, kommen andere Parameter in den Sinn. Aber Nachhaltigkeit ist der wichtigste Megatrend dieser Dekade. Für eine nachhaltige Entwicklung hat die UN 17 Ziele definiert. Das sind die Sustainable Development Goals (SDG) (siehe Infokasten).

Diese Ziele erstrecken sich über drei Dimensionen der Entwicklung. Über die Ökonomie, Ökologie und soziale Gerechtigkeit. Heruntergebrochen auf die Produktion stellt sich die Frage der Nachhaltigkeit folglich auch bei der Herstellung von Bauteilen. Sei dies durch Umformung oder durch spanende Bearbeitung.

Für Nachhaltigkeit Produkte und Prozesse gleichermassen betrachten

Der Kühlschmierstoffhersteller Oemeta Chemische Werke GmbH hat sich schon vor vielen Jahren daran gemacht, Nachhaltigkeitsaspekte zu definieren, einzustufen und zu berücksichtigen – beim Einsatz von Bearbeitungsmedien für das Umformen oder die zerspanende Bearbeitung. Doch was heisst das ganz konkret? Schliesslich hat das Traditionsunternehmen schon in den 1980er-Jahren einen mineralölfreien esterbasierten Hochleistungs-Bearbeitungsschmierstoff entwickelt. Es hat damit gezeigt, dass es sich seit Längerem um die Umweltverträglichkeit seiner Produkte Gedanken gemacht. Allerdings geht es nicht nur um Produkte. Es geht immer auch um die Prozesse, in denen diese Kühlschmiermittel eingesetzt werden.

UN-Ziele und Kyoto-Protokoll strukturieren und drängen

Für jedes Unternehmen werden die Aspekte der Nachhaltigkeit immer zwingender. Das hat mehrere Gründe. Einerseits gibt es eine Strukturierung durch die UN-Ziele für eine nachhaltige Entwicklung. Anderseits durch den Meilenstein in der internationalen Zusammenarbeit, welche im Kyoto-Protokoll definiert sind. Die Folgen davon könnten sein, dass über kurz oder lang die Planung und Durchführung von Produktionsprozessen ohne Nachhaltigkeits-Check nicht mehr möglich sein wird. So stellt sich die Nachhaltigkeitsfrage auch für die Herstellung von Bauteilen durch zerspanende Bearbeitung:

• Wie können Produktionsprozesse nachhaltig gestaltet werden?
• Welche SDGs können in der Prozesskette der Zerspanung adressiert und verfolgt werden?
• Und welche Bewertungsmassstäbe können zu diesem Zweck genutzt werden? 

Zunächst sollen hier Nachhaltigkeitsstrategien für Anwender von Bearbeitungsmedien aufgezeigt werden. Anschliessend zeigen Praxisbeispiele, wie in der Prozesskette «Zerspanung» Nachhaltigkeitsaspekte im Rahmen der Strategien sinnvoll berücksichtigt werden können. So werden bei Oemeta im Wesentlichen die SDGs 3, 6, 12 und 13 für den Kontext von Kühlschmierstoffen herangezogen. Für die Umgestaltung der EU-Wirtschaft für eine nachhaltige Zukunft wird als Aktionsplan der EU Green Deal herangezogen und somit auf den Klima- und Umweltschutz fokussiert.

• Förderung einer effizienteren Ressourcennutzung durch den Übergang zu einer sauberen und kreislauforientierten Wirtschaft.
• Wiederherstellung der Biodiversität und Bekämpfung der Umweltverschmutzung. Mit dem Hauptziel: 2050 sollen keine Netto-Treibhausgasemissionen in der EU mehr freigesetzt werden.
• Die Schmierstoffindustrie geht diesen Weg mit der Initiative NaSch (Nachhaltige Schmierstoffe). Dabei sollen alle Stakeholder bei der Suche nach Lösungen in der Lieferkette integriert werden. Aber auch Industrieverbände, wie der Verband Schmierstoffindustrie (VSI), Politik und NGOs.

Geändertes Prozessdesign und moderne Produkte punkten

Einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit in zerspanenden Bearbeitungsprozessen kann schon das Prozessdesign leisten. Lässt es sich energieoptimiert und ressourcenschonend auslegen, kann das starke Nachhaltigkeitseffekte mit sich bringen. So können Kreislaufprozesse, In-Process Recycling, und Systeme zur Entölung von Spänen verbrauchte und ausgeschleppte Bearbeitungsmedien zurückgewinnen.

Hier liegt es auch in der Verantwortung des KSS-Herstellers, nicht nur seine Produkte bereitzustellen. Er kann auch entsprechend beraten. Oder er kann an die Entscheidungsfreudigkeit sowie Entschlossenheit der Prozessverantwortlichen appellieren. Wird das Design der Prozesskette angepasst, kann das die Umwelt entlasten und zugleich Prozesskosten reduzieren.

Biozidfreie Bearbeitungsmedien mit teilweise sogar längerer Lebensdauer

Ein grosser Hebel steckt jedoch im Produkt selbst. So hat Oemeta in der letzten Dekade biozidfreie Bearbeitungsmedien entwickelt; diese haben die gleiche Leistung wie die biozidhaltigen Vorgängerprodukte – und weisen teilweise sogar längere Lebensdauer auf. Allein diese Umstellung im Bearbeitungsprozess

• reduziert die Gefährdung der Mitarbeiter,
• gefährdet die Umwelt weniger
• und mindert den Verbrauch.

Das wirkt direkt auf die SDGs 3, 6 und 12, ohne dass das Prozesskettendesign grundsätzlich verändert werden muss.

Die grössten Nachhaltigkeitseffekte hat der Hersteller durch den Verzicht auf Mineralöl erreicht. Die Entwicklung eines mineralölfreien Kühlschmierstoffs auf Esterbasis zu einem 2-Komponenten Multifunktionsöl (MFO) überzeugt allerdings nicht nur, weil es auf fossile Stoffe verzichtet. Es verbindet nämlich darüber hinaus Reinigungs- und Bearbeitungsprozesse.

Dabei sind Multifunktionsöle optimiert für verschiedenste Anwendungen in der Werkzeugmaschine und der Prozesskette. So fungiert es gleichermassen als Hydrauliköl, KSS, Schneidöl oder auch als Reiniger.

Werden verschiedene MFOs des gleichen Systems in ein und derselben Prozesskette zugleich in verschiedenen Funktionen eingesetzt, ist der ungewollte Kontakt der verschiedenen Medien völlig unproblematisch. Der Grund: Die Produkte sind voll kompatibel.

Kann das Design einer Prozesskette auf die Eigenschaften des MFO angepasst werden, erreichen Anwender schnell sehr überzeugende Nachhaltigkeitseffekte. Diese Effekte sind hervorzuheben:

• Der Verbrauch an Kühlschmierstoff verringert sich erheblich
• Reinigungsprozesse entfallen
• Hydraulik- und Führungsbahnöle können recycelt werden
• Der Energieverbrauch reduziert sich
• Nachwachsende Rohstoffe ersetzen fossile, petrochemische Rohstoffe

Das veränderte Prozessdesign – und vor allem die Umstellung auf Ester-Grundöle mit ihrer sehr geringen Umweltbelastung – wirken sich direkt auf die SDGs 12 und 13 aus.

Reraffinate und Multifunktionsöle bringen riesige Effekte

Zwei Beispiele sollen belegen, dass das Thema Nachhaltigkeit auch bei Bearbeitungsmedien wie Kühlschmierstoffe das Erreichen der UN-Ziele forcieren kann:

Die aktuellen Aufbereitungsverfahren von Ölen bringen Zweitraffinate hervor. Deren Qualität steht denen der Erstraffinate in nichts nach. Mit ihnen lassen sich auch niedrige Viskositäten realisieren. Ein Getriebehersteller hat daher einen grossen Teil der gesamten Zahnradherstellung auf ein reraffinatbasiertes Hochleistungsbearbeitungsöl umgestellt.

Das Öl hat eine Viskosität von 15 mm2/s und wurde für alle üblichen Zahnradbearbeitungsprozesse konzipiert. Etwa ein Jahr wird ausführ­lich getestet. Danach wird komplett umgestellt. Seitdem wird das Öl ohne erkennbare Nachteile gegenüber dem früheren Erstraffinat eingesetzt. Die Emission ist pro Tonne Öl um eine Tonne CO₂ geringer. Der Jahresbedarf an Bearbeitungsmedium beträgt mehrere 100 t. Das Beispiel zeigt Folgendes: Durch enge Kooperation des Ölherstellers mit dem Anwender lässt sich die CO₂-Emission erheblich reduzieren. Und das kosten- und leistungsneutral.

Beispiel Premium-Automobilhersteller

Anfang der 2000er-Jahre stellt ein Premium-Automobilhersteller seine Kurbelwellenfertigung auf das esterbasierte mineralölfreie MFO-Produktsystem «HYCUT» von Oemeta um.

Das Layout der Produktionslinie für die Kurbelwellen weist häufige Wechsel zwischen Bearbeitungsöl und Emulsion auf. Also wird die Produktionskette auf die Eigenschaften der kompatiblen Schmierstoffe ausgelegt. Die wassergemischten Flüssigkeiten sind hier mit den nicht wassergemischten zu einhundert Prozent kompatibel. Das heisst: In der Kurbelwellenlinie gibt es keine Unverträglichkeiten an den Wasser- und Öl-Grenzflächen.

Dank dieses Wechsels entfallen drei Zwischenwäscher, die bei konventionellen Medien hätten installiert werden müssen. Das senkt die Investitionskosten erheblich. Recyclingmassnahmen bringen weitere Vorteile: So wird die Reinigungsflüssigkeit aus dem verbleibenden Zwischenwäscher für weitere Verwendung aufbereitet. Vor der Induktivhärteanlage wird ein ölfreies MFO-Produkt zur Teilereinigung eingesetzt. Über die Teile eingebrachtes MFO-Tiefbohröl wird im Waschmedium emulgiert. Dadurch entsteht eine wertvolle Hochleistungsemulsion, die wiederverwertet werden kann.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile:

• Niedrigere Investitionskosten
• Bessere Prozesssicherheit
• Geringerer Flüssigkeitsverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Produkten

Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig bestätigte in einer Studie – nach der genormten LCA-Methode – Folgendes: Nach mehrjährigem Einsatz weist das mineralölfreien Multifunktionsöl HYCUT bis zu 60 % bessere Umweltwerte auf. Und es kann die Einsparung von 470 t CO₂-Äquivalent innerhalb eines Jahres aufweisen.

Der Einsatz des mineralölfreien Multifunktionsöls HYCUT führt in der Metallbearbeitung also zu deutlich geringeren Umweltwirkungen als ein nutzengleiches konventionelles, mineralölbasiertes KSS-System.

Umwelt, Wirtschaft und soziale Akzeptanz im Blick

Vielleicht denken beim Kühlschmierstoff jetzt ein paar mehr Verantwortliche von Bearbeitungsprozessen an das Thema Nachhaltigkeit. Die geschilderten Möglichkeiten, Fakten und Beispiele machen es wert. Und wirtschaftlich zahlt es sich auch aus. Ganz zu schweigen von der immer bedeutender werdenden sozialen Akzeptanz von Unternehmen im Lichte wichtiger UN-Ziele.