El trabajo realizado ha permitido desarrollar la tecnología BeCold, capaz de usar el CO2 como fluido de corte combinado con micropartículas de aceite biodegradable como CryoMQL

La refrigeración criogénica es una alternativa al uso de taladrinas como fluido de corte con la que se busca alcanzar procesos de mecanizado medioambientalmente sostenibles sin que afecte a la competitividad del proceso. Esta tecnología se mostró por primera vez en la EMO de 2011 donde MAAG lanzó una línea completa de máquinas-herramienta con refrigeración criogénica mediante el uso de nitrógeno líquido (LN2). Además de presentar sus máquinas ‘All in one’, MAAG con el fin de alcanzar el mayor número de clientes, MAAG también lanzó un portaherramientas capaz de soportar las temperaturas criogénicas producidas por el LN2 en su interior y así lograr una adaptación de las máquinas ya existentes a su tecnología.

Sin embargo, los derroteros de la refrigeración criogénica en estos años desde un punto de vista industrial y práctico han ido por otros caminos, concretamente en la utilización del dióxido de carbono como fluido de corte. Desde la Universidad del País Vasco, junto con Tecnalia, se apostó desde el principio por este gas, incluso por delante de otras soluciones como el LN2. Las razones que llevaron a utilizar el CO2 como fluido de corte en un primer momento fueron:

Figura 1. MAAG en 2011 fue el primero en apostar por la refrigeración criogénica con LN2.

Durante estos 10 años de investigación la intensidad de los trabajos ha desembocado en el desarrollo de una tecnología propia denominada BeCold, la cual es capaz no sólo de utilizar el CO2 como fluido de corte sino de combinarlo con micropartículas de aceite biodegradable como CryoMQL, logrando un efecto simultáneo de refrigeración y lubricación de la zona de corte.

Figura 2. 2021, sistema BeCold desarrollado para entornos industriales Actualmente, el sistema BeCold está industrializado por HRE Hidraulic que junto con Laip como fabricante de portaherramientas y Nippon Gases como suministrador de CO2 abarcan toda la cadena de valor para que sea una tecnología ‘Plug & Play’.

En estos 10 años, las pruebas y avances con la refrigeración criogénica han sido muchos y diversos con lo que paso a paso se ha ido consolidando una tecnología capaz de dar respuesta a diversas situaciones con el fin de integrarlo en entornos industriales, pero ¿cómo fue este camino?

El primer paso que se tuvo que dar fue comprobar si realmente el CO2 aportaba un valor añadido al ya conocido por entonces MQL (mínima cantidad de lubricación) en cuanto a vida de herramienta se refería. Para ello se optó por una operación de planeado de acero templado con una dureza de 45 HRc con una velocidad de corte de 90 m/min, un avance por diente de 0,075 mm/z, una profundidad de pasada de 1 mm y un ancho de pasada de 18 mm (90% del diámetro de la pieza). Los resultados mostraron cómo el desgaste en el filo se redujo a la mitad, logrando así una mayor vida de herramienta. En la figura 3 se resumen los resultados de esos ensayos.

Figura 3. Resultados obtenidos en acero templado. Tecnologías: MQL vs. CO2+MQL.

Una vez demostrada la mejora sustancial que se daba frente al MQL, que era la tecnología medioambientalmente sostenible por excelencia en ese momento, la siguiente cuestión a comprobar fue si tecnológicamente el CO2 frente al LN2 también existía una mejora tangible. En este caso se torneó un acero inoxidable AISI 304L, caracterizado por tener una microestructura que tiende a la dureza superficial durante el mecanizado y por tanto considerado de difícil maquinabilidad. Las condiciones de corte utilizadas en este caso fueron las recomendadas por el fabricante y las presiones de inyección fueron 10 bares para el CO2 y 1,5 bares para el LN2. Los resultados logrados mostraron que el uso de CO2 implica una mejora en la vida de herramienta de un 17% como se muestra en la figura 4. Consecuentemente, desde el punto de vista puramente tecnológico el uso de CO2 está justificado frente al LN2.

Figura 4. Resultados obtenidos en AISI304L. Tecnologías: CO2 vs. LN2.

Posteriormente, después de realizadas estas pruebas previas que mostraban cómo la refrigeración criogénica con CO2 supone una ventaja competitiva frente a las alternativas ‘ecofriendly’ que se conocían en aquel entonces se procedió a dar el siguiente paso: la realización de ensayos en materiales representativos que den respuesta a diferentes sectores industriales.

El primer material que se comprobó la eficacia del CO2 fue en el torneado de aceros rápidos (64 HRc) con insertos de PCBN (nitruro de boro cúbico policristalino) con el fin de aumentar la vida de herramienta debido a su alto coste. Las condiciones de corte utilizadas se basaron en condiciones industriales y fueron una velocidad de corte de 160 m/min, un avance de 0,05 mm/z y una profundidad de pasada de 0,05 mm. En este caso se analizó el comportamiento de dos tipos de insertos, uno positivo y otro negativo. Además, se analizó la microestructura del material con el fin de buscar el efecto de ‘capa blanca’ y si este era inferior a 2 micrómetros. Los resultados, resumidos en la figura 5, mostraron cómo la vida de herramienta aumentaba un ≈20% en el caso de los insertos negativos y un ≈70% si se utilizaban insertos positivos. Este fenómeno vino dado por la consecución de virutas más cortas que se traducía en un menor tiempo de deslizamiento de la viruta por la cara de desprendimiento de la herramienta. En cuanto al fenómeno de ‘capa blanca’, siempre estuvo por debajo de 2 micrómetros, lo que valida su uso para piezas en entornos industriales.

Figura 5. Resultados obtenidos en acero HSS (64 HRc). Tecnologías CO2 vs. Seco.

Posteriormente se decidió comprobar su uso en Inconel 718, una aleación termorresistente de difícil maquinabilidad (45HRc) durante operaciones de recanteado con fresa enteriza de metal duro. De los ensayos realizados, cabe destacar uno en el que además de comparar la durabilidad de la herramienta frente a la taladrina se analizó el comportamiento de la herramienta al utilizar la refrigeración criogénica de forma externa (convencional) e interna a la herramienta, respectivamente. Las condiciones de corte en este caso fueron de 40 m/min, un avance por diente de 0,03 mm/z, una profundidad radial de 0,2 mm y una profundidad axial de 10 mm. Los resultados obtenidos, mostrados en la Figura 6, demostraron por un lado como el uso del CO2 por el interior de la herramienta al aplicar el CryoMQL implicaba un aumento de la vida de herramienta de un 20% frente a su uso externo y a su vez, el usar este CryoMQL interno sólo reducía un 10% la vida de herramienta frente a la taladrina, lo que se traduce en que es una alterativa factible con la cual obtener resultados similares.

Otro material con el que se realizaron diversas campañas de mecanizado fue con la aleación Ti6Al4V. De esa batería de ensayos cabe destacar los realizados en taladrado de stacks de Ti6Al4V-CFRP o más recientemente el torneado de Ti6Al4V de grado médico. En el caso del taladrado al aplicar CO2 como fluido de corte, además de lograr una mejor conservación de la vida de herramienta se consiguió una mayor estabilidad térmica de la pieza que se tradujo en unas desviaciones del valor del diámetro nominal mucho menores, lo que implicó la consecución de un proceso mucho más robusto que el utilizado convencionalmente en la industria. En la figura 7 se muestra un resumen de los resultados obtenidos:

Figura 7. Resultados obtenidos en Ti6Al4V-CFRP. Tecnologías CO2 vs. Seco.

En cuanto al torneado de Ti6Al4V de grado médico, el aumento de vida de herramienta es exponencial en el caso de utilizar CO2 frente al uso de taladrina, MQL o incluso el CryoMQL. En este caso se probaron condiciones de corte industriales en las que la profundidad de pasada fue modificada de 0,5 mm a 1 mm con el fin de duplicar el volumen de viruta desalojado y obtener a la vez vidas de herramientas análogas. Los resultados mostraron que se obtuvo siempre una mayor vida de herramienta al utilizar CO2. Concretamente comparando el uso de taladrina con la profundidad de pasada de 0,5 mm y el uso de CO2 en modo ‘stand alone’ con la misma profundidad de pasada se observa que existe una diferencia en los desgastes de un ≈500%. Dicha diferencia se acorta cuando se mecaniza con una profundidad de pasada de 1 mm. En este caso, la diferencia se acorte hasta alcanzar una diferencia superior del ≈42%. No obstante, hay que tener en cuenta que el inserto en el caso del CO2 lleva ≈30 minutos mecanizados y en el de la taladrina sólo ≈20 minutos. Un resumen de los resultados obtenidos se muestra en la figura 8.

Figura 8. Resultados obtenidos en Ti6Al4V. Tecnologías CO2 vs taladrina.

Además de los ensayos expuestos como ejemplo en este artículo, en estos 10 años, la cantidad de pruebas realizadas, así como resultados obtenidos en diferentes aleaciones han demostrado cómo hay aplicaciones donde la refrigeración criogénica tiene su nicho de mercado y puede ser una opción al uso de taladrina sin olvidar que además presenta una ventaja ineludible: talleres y máquinas más limpios.

En la figura 9 se muestra un resumen gráfico del camino andado durante estos 10 años donde la refrigeración puede ser una solución real en función del material y operación a mecanizar.

Figura 9. resumen de ensayos realizados con refrigeración criogénica.

Recientemente una de las aplicaciones de la refrigeración criogénica y más concretamente la criolubricación CryoMQL (CO2+MQL) ha mostrado una ventaja competitiva frente al uso tradicional de taladrinas ha sido el fresado de Ti6Al4V Grado 5 con fresas de PCD (diamante policristalino). Esta línea de investigación ha sido desarrollada bajo el paraguas de la convocatoria HAZITEK. En ella se llevó una optimización de las herramientas de PCD con el fin de conducir el CO2 por su interior de una forma robusta con el fin de convertir la herramienta en un intercambiador de calor, consiguiendo así un control eficaz de la temperatura de corte. Los resultados mostraron cómo no sólo es que se mantuviese la integridad de los filos de corte sino que también se logró duplicar la velocidad de corte frente a las condiciones de corte industriales, lo que se traduce de forma directa y tangible en un aumento real de la productividad del proceso. En la figura 10 se resumen los resultados obtenidos.

Figura 10. Resultados en fresado Ti6Al4V. CryoMQL+ fresas PCD vs. Taladrina.

Otro proyecto en el que se está participando esta anualidad consiste en cuantificar la reducción de huella ambiental que se produce al cambiar el uso de taladrinas por la refrigeración BeCold. Este estudio está englobado dentro de un proyecto de la convocatoria ‘Ayudas a la realización de proyectos de ecodiseño y demostración en economía circular” de IHOBE. Para ello se ha realizado una extensa batería de ensayos de torneado en acero inoxidable austenítico con taladrina, en seco, con MQL y CryoMQL donde se ha monitorizado las fuerzas de corte, el desgaste de herramienta, rugosidad superficial de la pieza e incluso el consumo eléctrico de cada uno de los motores que entran en juego durante el proceso. Gracias a ello actualmente se está terminando un análisis de ciclo de vida con el que por fin poder saber específicamente, cuál es el impacto ambiental de cada una de las tecnologías y que sea fácilmente exportable a cualquiera que sea el proceso donde se quiera realizar la evaluación medioambiental.

Finalmente, este año bajo uno de las convocatorias KONEXIO se está terminando de desarrollar un portaherramientas criogénico compatible con el sistema BeCold que permita el cambio automático de herramienta con el fin de evitar costosas inversiones de adecuación. Este portaherramientas logra combinar de una forma totalmente novedosa el CO2 y las micropartículas de aceite biodegradable no vista hasta la fecha, la cual revolucionará y optimizará el uso de CO2 a través de una reducción drástica de su consumo. Actualmente se están terminando de realizar las últimas pruebas en laboratorio para lanzar el producto al mercado, alcanzando una verdadera ‘Fabricación ECO2 (economía+ecología)’.

La situación actual es que cada vez por parte de la sociedad se reclaman procesos más verdes, reducir la huella ambiental y caminar hacia la economía circular. La refrigeración criogénica desarrollada en el País Vasco bajo el acrónimo BeCold es una tecnología que está llamada a cumplir esas expectativas. Se sustituye a las taladrinas, el principal elemento contaminante de los procesos de mecanizado, por dióxido de carbono reciclado y micropartículas de aceite biodegradable. Consecuentemente se utiliza un fluido de corte que es deshecho de procesos primarios y a la vez se combina con un ínfimo caudal de aceite de origen vegetal y que por tanto también capturó CO2 ambiental mientras fue ‘una planta’ que realizaba la fotosíntesis. Esto hace que sea la tecnología mejor posicionada a la hora de cumplir la agenda 2030 en cuanto a reducción de consumo de materias primas y sobre todo derivados del petróleo. Los resultados tecnológicos también han mostrado que hay nichos de mercado donde no sólo se iguala la vida de herramienta o productividad del proceso, sino que se mejora sustancialmente, aportando una clara ventaja. Por tanto, estudiar cada caso con el fin de optimizarlo antes de su implementación es necesario ya que otra ventaja que presenta esta tecnología es que no por utilizar más CO2 va a durar más la herramienta, sino que controlar el caudal es crítico y por lo general ‘menos es más’, es decir, alcanzar el punto de equilibrio es la diferenciación que lleve su implementación al éxito.

Los autores quieren agradecer el soporte recibido por el Gobierno Vasco y los Fondos FEDER a través de las diferentes convocatorias HAZKITEK (BeCool, Hematex, HardCraft…) gracias a las cuales esta tecnología se ha ido madurando junto con el Programa KONEXIO patrocinado por la SPRI e IHOBE por la convocatoria 2020 ‘Ayudas a la realización de proyectos de ecodiseño y demostración en economía circular y de ecoinnovación estratégica’ con el cual se está cuantificando el impacto real de esta tecnología en el medio ambiente. Asimismo, se quiere agradecer al programa Bizialab del Vicerrectorado de Desarrollo Científico-Social y Transferencia por el apoyo recibido estos años.

1. A. Rodríguez, A. Calleja, L.N. López de Lacalle, O. Pereira, A. Rubio-Mateos, G. Rodríguez. Drilling of CFRP-Ti6Al4V stacks using CO2-cryogenic cooling. Journal of Manufacturing Processes, 64. 2021. pp. 58-66.

2. O. Pereira, A. Celaya, G. Urbikaín, A. Rodríguez, A. Fernández-Valdivielso, L.N. López de Lacalle. CO2 cryogenic milling of Inconel 718: cutting forces and tool wear. J. of Materials Research and Technology, 9. 2020. pp. 8459-8468.

3. O. Pereira, A. Rodríguez, A. Calleja-Ochoa, A. Celaya, L.N. López de Lacalle, A. Fernández-Valdivielso, H. González. Simulation of Cryo-cooling to improve super alloys cutting tools. Int. J. of Precision Engineering and Manufacturing Green Technology. 2020. https://doi.org/10.1007/s40684-021-00313-y

4. N. Khanna, P. Shah, L.N. López de Lacalle, A. Rodríguez, O. Pereira. In pursuit of sustainable cutting fluid strategy for machining Ti-6Al-4V using life cycle analysis. Sustainable Materials and Technologies, 29. 2021. e00301.

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