Ergebnisse der Zerspanversuche mit Algenextrakt Die Auswertung des resultierenden Biegemoments M, der Torsion T und der Zug-/ Druckkraft F sind unter den gegebenen Prozessparametern in ihrer Aussagekraft nicht so eindeutig wie der ermittelte Werkzeugverschleiß. Daher sind als relevante Resultate der Untersuchungen in der Metallzerspanung im Folgenden die Ergebnisse des Werkzeugverschleiß in Form der verschlissenen Flächen an den Wendeschneidplatten der Fräswerkzeuge dargestellt (s. Teil 1). Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Nachhaltige Schmierstoff-Additive auf Basis von Mikroalgen in der Umformung und Zerspanung Teil 2 Thomas Koch, Ralf Gläbe, Dominik Wenzel, Shannon Mesing, Kenneth Wilke, Roland Larek* Mikroalgen bieten eine sehr gute Basis zur Nutzung als nachhaltige Rohstoffquelle für technische Anwendungen, da sich aus Ihnen eine Vielzahl geeigneter chemischer Verbindungen gewinnen lassen. In dem Forschungsvorhaben ALBINA (Algenbasiert - biologisch - nachwachsend) sind Bestandteile von Mikroalgen aufbereitet worden, um sie als Additive für Schmierstoffanwendungen zu testen. Die Ergebnisse der technischen Prüfung in der Zerspanung und Umformung zeigen ein großes Potential der Algenextrakte hinsichtlich ihres Einsatzes als EP/ AW Additive. Bei dem Einsatz der Extrakte als Leistungsadditiv in der Metallzerspanung wird unter den gegebenen Prozessparametern eine Werkzeugstandzeit erzielt, die der konventioneller Leistungsadditive entspricht. In der Metallumformung sind durch den Einsatz von Algenextrakten positive Ergebnisse in den Verfahren Ringstauchen und Tiefziehen erzielt worden. In Teil 1 der Veröffentlichung sind die technischen Parameter und chemischen Analysen aus den Untersuchungen beschrieben, im hier vorliegenden Teil 2 stehen die erzielten Ergebnisse der technischen Prüfungen im Fokus. Schlüsselwörter Mikroalgen, Additive, Strukturanaloga, Extrazelluläre Polymere Substanz (EPS), HSC-Fräsen, Ringstauchen, Tiefziehen Micro-algae based additives for sustainable lubricants in metal forming and machining Microalgae offer a very good basis for use as a sustainable source of raw materials for technical applications, since a large number of suitable chemical compounds can be obtained from them. In the research project ALBINA (German acronym for: Algae-based - Biological - Renewable), components of microalgae have been processed in order to test them as additives for lubricant applications. The obtained results of the technical tests in machining and forming show a great potential of the algae extracts regarding their use as EP/ AW additives. Under the premise of certain process parameters, in metal cutting it is possible to achieve an equivalent tool life time compared to conventional additives, when algae substances are used. In metal forming, positive results have been obtained by using algae extracts in the ring compression test and deep drawing process. Part 1 of the publication describes the technical parameters and chemical analyses from the investigations, this Part 2 focuses on the results obtained from the technical tests. Keywords microalgae, additives, structural analogues, extracellular polymer substance (EPS), HSC-milling, ring compression test, deep drawing Kurzfassung Abstract * Dr.rer.nat. Thomas Koch 1 Prof. Dr.-Ing. Ralf Gläbe 1 B.Eng. Dominik Wenzel 1 M.Eng. Shannon Mesing 2 B.Eng Kenneth Wilke 2 Prof. Dr.-Ing. Roland Larek 2 1 Hochschule Bremen, Fakultät 5 Natur und Technik, Neustadtswall 30, 28199 Bremen 2 Hochschule Wismar, Maschinenbau/ Verfahrens- und Umwelttechnik, Phillip-Müller-Str. 14, 23966 Wismar In Bild 1 ist die Auswertung der Verschleißmessung der HSC-Fräsbearbeitung des Vergütungsstahl 42CrMo4 nach einem Fräsweg von 1.000 mm dargestellt. Mit Ausnahme des Referenzstoffes Carrageen ist für alle weiteren getesteten Referenzstoffe und Algenextrakte eine leichte Verminderung des Werkzeugverschleiß in der Größenordnung von ca. 10 % zu verzeichnen. Bei allen Additivvarianten liegt der Werkzeugverschleiß auf einem Niveau im Rahmen der Schwankungsbreiten. In der Bearbeitung des Werkstoff TiAl6V4 ist durch den Zusatz sowohl der Referenzsubstanzen als auch der Algenextrakte eine deutliche Verminderung des Werkzeugverschleiß nach einem Fräsweg von 1.000 mm zu dokumentieren (Bild 2). Der positive Einfluss fällt für die einzelnen Additive unterschiedlich stark aus. Insbesondere die aus der Mikroalge Nannochloropsis salina gewonnenen Extrakte zeigen eine sehr deutliche Verminderung des Werkzeugverschleiß. Die Extrakte der Algen Porphyridium purpureum (EPS und homogenisiert) und Cyanothece sp. führen zu einer weniger deutlichen Reduktion des Werkzeugverschleiß, im Vergleich zu den Referenzsubstanzen ist der positive Effekt geringer. Bild 3 zeigt die verschlissenen Flächen nur für ausgewählte KSS-Formulierungen mit Additiv um die Unterschiede zwischen den verschiedenen Additiven deutlicher herauszustellen. Der Zusatz der drei Extrakte der Mikroalge N. salina und das Lyophilisat der Mikroalge P. purpureum bewirken eine sehr deutliche Abnahme des Werkzeugverschleiß nach einem Fräsweg von 1.000 mm. Bemerkenswert ist, dass das homogenisierte Material der Mikroalge P. purpureum nicht den gleichen Einfluss auf das Verschleißverhalten der Werkzeuge nimmt, wie das lyophilisierte Material dieser Alge. Durch das Homogenisieren werden in diesem Fall vermutlich Substanzen aus dem Zellinneren der Mikroalgen freigesetzt, sodass diese Bruchstücke eine antagonistische Wirkung auf den Prozess haben oder Makromoleküle so stark zerkleinert, dass ihre positive tribologische Wirkung verloren geht. Die Ergebnisse der maximalen Fräswegermittlung in der Bearbeitung von TiAl6V4 zeigen, dass das homogenisierte Extrakt der Mikroalge N. salina die gleiche Leistungsfähigkeit aufweist wie das konventionelle Additiv TPS32. Als Kriterium für den maximalen Fräsweg wur- Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Bild 1: Verschlissene Fläche an den Wendeschneidplatten in der HSC-Fräsbearbeitung des Werkstoffs 42CrMo4 für die geprüften KSS-Formulierungen, Fräsweg = 1.000 mm. Bild 2: Verschlissene Fläche an den Wendeschneidplatten in der HSC-Fräsbearbeitung des Werkstoffs TiAl6V4 für die geprüften KSS-Formulierungen, Fräsweg = 1.000 mm. rende Biegemoment am Werkzeug (Bild 5) bei Verwendung des Algenextrakts liegt auf einem Niveau mit dem konventionellen Additiv TPS32. Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 de das Überschreiten eines vorgegebenen Schneidkantenversatz festgelegt. Sowohl der maximal erreichbare Fräsweg der Werkzeuge (Bild 4), als auch das resultie- Bild 3: Verschlissene Fläche an den Wendeschneidplatten in der HSC-Fräsbearbeitung des Werkstoffs TiAl6V4, Vergleich der geprüften KSS-Additivierungen, Fräsweg = 1.000 mm. Bild 4: Gegenüberstellung der maximal erreichbaren Fräswege in der HSC-Fräsbearbeitung TiAl6V4 für drei KSS-Formulierungen: KSS ohne Additiv, konventionelles Additiv TPS32 und homogenisiertes Extrakt der Mikroalge N. salina, homogenisiert. Bild 5: Bewertungsparameter resultierendes Biegemoment über den realisierbaren Fräsweg in der HSC-Fräsbearbeitung von TiAl6V4 für drei KSS-Formulierungen: KSS ohne Additiv, konventionelles Additiv TPS32 und homogenisiertes Extrakt der Mikroalge N. salina, homogenisiert. Ergebnisse der Umformversuche mit Algenextrakt Ringstauchversuch nach Burgdorf Die Auswertung der Ringstauchversuche erfolgte anhand der Parameter Presskraft, Außen- und Innendurchmesser der gestauchten Ringe. Bild 6 zeigt die Mittelwerte der Presskräfte aus jeweils zehn Ringstauchungen je Schmierstoffvariation. Die geringste Presskraft ist für die Mischung mit dem höchsten Anteil (8 %) Algenextrakt in dem Basisöl zu verzeichnen. Eine Erhöhung des Anteils Algenextrakt von 4 % auf 8 % bzw. die Wärmebehandlung während des Lösungsprozesses führt zu einer weiteren Reduktion der Presskräfte. Bezogen auf das nicht additivierte Basisöl bewegt sich die Reduktion der Presskraft zwischen 0,75 % und 2,9 % und ist durch deutliche Schwankungsbreiten gekennzeichnet. Die Auswertung der Außendurchmesser der gestauchten Proben zeigt, dass mit zunehmendem Anteil Algenextrakt im Basisöl der mittlere Außendurchmesser der gestauchten Proben in einem geringen Maß zunimmt (Bild 7). Die Schwankungsbreiten der jeweiligen Messwerte liegen alle auf einem Niveau, was auf eine geringe tribologische Wirkung der Algenextrakte auf den Stauchprozess hindeutet. Beim Ringstauchen bildet sich im Werkstück ein Radius aus, der die Probe in Bereiche unterschiedlicher Werkstofffließrichtungen teilt, die Fließscheide. Bei guten tribologischen Eigenschaften verschiebt sich die Fließscheide nach innen, der Innendurchmesser wird größer. Aufgrund der Volumenkonstanz des Werkstücks muss sich der Außendurchmesser ebenfalls nach außen ausbilden, der äußere Durchmesser der Probe nimmt zu (Bild 8). Aus Wissenschaft und Forschung 31 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Bild 8: Geometrieänderung des Werkstoffs beim Ringstauchen. Bild 6: Mittelwerte der maximalen Presskraft in dem Versuch Ringstauchen. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Bild 7: Mittlere Außendurchmesser der Ringstauchproben bei verschiedener Additivierung des Basisöls. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Die Auswertung der Innendurchmesser der gestauchten Proben zeigt ebenfalls keinen Einfluss des Algenextrakts auf den Prozess (Bild 9). Alle ermittelten Messwerte sind nach dem Stauchen auf einem Niveau und stellen eine Verkleinerung des Inndurchmessers dar. Nach [1] müsste sich bei einem positiven Einfluss durch die Algenextrakte der Innendurchmesser im Vergleich zu dem nicht additivierten Basisöl vergrößern. Dies kann aus den ermittelten Daten nicht abgelesen werden. Somit ist eine positive Wirkung der Algenextrakte auf Innen- und Außendurchmesser bei den Ringstauchversuchen nicht zu verzeichnen. Tiefziehen Die Zugabe von Algenextrakt kann in dem Tiefziehprozess zu einer Abnahme der Stempelkraft führen. Bei einem Anteil von 4 % Algenextrakt in dem Basisöl ist noch kein signifikanter Effekt auf die Stempelkraft zu verzeichnen. Eine Wärmebehandlung der Mischung mit einem Anteil von 4 % Algenextrakt auf 65 °C für 60 Minuten bewirkt eine Reduktion der Stempelkraft. Durch einen Algenextraktanteil von 8 % in dem Basisöl wird eine deutliche Reduktion der Stempelkraft erreicht (Bild 10). Bild 11 gibt die prozentuale Änderung der Stempelkraft, bezogen auf das nicht additivierte Basisöl, wieder. Aus Bild 11 kann gefolgert werden, dass die Wärmebehandlung des Schmierstoffs zu einer verbesserten Lösung der tribologisch wirksamen Substanzen in dem Rapsöl geführt hat. Bei einem Anteil von 4 % Algenextrakt ohne Wärmebehandlung beträgt die Stempelkraftreduktion ca. 1 % Bild 9: Mittlere Innendurchmesser der Ringstauchproben bei verschiedener Additivierung des Basisöls. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Bild 10: Gemittelte Stempelkräfte beim Tiefziehen bei verschiedener Additivierung des Basisöls. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Bild 11: Relative Stempelkraftreduktion der mit Algenextrakt additivierten Ölmischungen bezogen auf das Basisöl B E10 P5 ohne Algenextrakt. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. bezogen auf das nicht additivierte Basisöl. Eine deutliche Reduktion der Stempelkraft um > 4,0 % ist bei dem Ansatz 4 % Algenextrakt mit Wärmebehandlung zu verzeichnen. Noch deutlicher ist der positive tribologische Effekt bei einem Anteil Algenextrakt von 8,0 % zu erkennen, in diesem Fall reduziert sich die für das Tiefziehen notwendige Kraft um > 7,0 %. Bild 12 stellt schematisch die Bemaßung der gezogenen Näpfe dar. Die Wandstärken der tiefgezogenen Näpfe bei z = 5,5; 8,0 und 15,0 mm sind in Bild 13 wiedergegeben. In allen Ansätzen ist zu erkennen, dass es, ausgehend von einer Materialstärke von 0,5 mm der Ronde, in den Bereichen des Napfflansches (z = 15,0 mm) zu einer leichten Materialstauchung gekommen ist. In dem mittleren Teil der Napfwandung (z = 8,0 mm) ist das Material gestreckt, die Wandstärke beträgt weniger als 0,5 mm. Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Bild 12: Schematische Darstellung des Napfs nach dem Tiefziehen und seine Bemaßung. Bild 13: Wandstärken der gezogenen Näpfe in Tiefe z = 5,5 mm, z = 8,0 mm und z = 15 mm, Wandstärke des Ausgangswerkstoffs = 0,5 mm. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Bild 14: Prozentuale Änderung der Napfwandstärke, bezogen auf die Materialstärke von 0,5 mm der Ronde für die untersuchten Schmierstoffmischungen. Positive Werte = Stauchung, negative Werte = Streckung des Materials. B = Rapsöl, E10 = Fettalkoholethoxylat 10 %, P5 = Sojalecithin 5 %, N = N. salina, Zahl = Einwaage in g/ L, Q = Wärmebehandlung der Mischung 60 Min bei 65 °C. Die prozentuale Veränderung über die Napfwand bezogen auf die Materialstärke der Ronde ist in Bild 14 dargestellt. In Übereinstimmung mit der Reduktion der und EP-Additive in der Metallbearbeitung wirken zu können. Sie erreichen in der Zerspanung das Leistungspotential konventioneller Additive. Insbesondere in der Titanbearbeitung ist der AW-Effekt deutlich. Titan ist an seiner Oberfläche mit einer Oxidschicht versehen und damit außerordentlich korrosionsbeständig. Seine hohe Reaktivität führt bei einer Schädigung der Oberfläche zu einer spontanen Selbstpassivierung. In der spanenden Bearbeitung unter Einsatz von KSS kann die hohe Reaktivität der nascenten Oberfläche zu Wechselwirkungen mit Inhaltsstoffen aus dem KSS führen. Neben Sauerstoff hat Titan auch eine hohe Affinität zu Kohlenstoff und kann unter erhöhten Temperaturen und Drücken mit diesem reagieren. Die hohe Festigkeit und die geringe Wärmeleitfähigkeit bewirken einen großen Verschleiß an dem Werkzeug. Der mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit steigende Rückfederungseffekt der Werkstoffoberfläche führt weiterhin zu einer größeren Kontaktzone an der Freifläche des Werkzeugs, die sich ebenfalls in erhöhten Verschleißraten äußert [17, 18]. Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Stempelkraft ist die Streckung des Materials in der Napfwand bei Z = 8,0 mm bei dem Schmierstoff mit 4 % Algenextrakt und Wärmebehandlung und dem Ansatz mit 8 % Algenextrakt geringer als in den Ansätzen ohne bzw. mit 4 % Algenextrakt. Die Algenextrakte haben bezüglich der tribologischen Eigenschaften einen positiven Einfluss auf den Prozess Tiefziehen. Ein negativer Effekt zeigt sich an der Oberfläche der Napfaußenwände. Die Oberflächen sind aufgeraut und weisen optisch Ähnlichkeiten mit korrodierten Flächen auf. Diese Bereiche sind durch höhere Rz-Werte gekennzeichnet und treten nur bei den mit Algenextrakt versetzten Ölen auf. Dieser Effekt wird auf die in dem Algenextrakt vorhandenen Partikel zurückgeführt, die in dem Ziehspalt eine physikalische Barriere zwischen Werkstoff und Material herstellen können und so das Material an der Oberfläche verfärben und verformen können (Bild 15). Diskussion In der aktuellen Literatur finden sich viele Veröffentlichungen und Review-Paper in denen Pflanzenöle und deren Derivate als nachhaltige Basisöle für Schmierstoffe in der Zerspanung behandelt werden [2-7]. Untersuchungen in denen der Fokus auf chemisch veränderte pflanzliche Stoffe als (Leistungs-) Additive gerichtet ist sind erst in den letzten Jahren verstärkt zu finden [8-14], Mikroalgen als Rohstoffquelle für Schmierstoffe in technischen Anwendungen sind in der aktuellen Literatur noch eine Randerscheinung [9, 15, 16]. Die in dem Forschungsvorhaben ALBINA erzielten Ergebnisse geben einen Hinweis darauf, dass die hier verwendeten Algenextrakte das Potential besitzen, als AW- Bild 15: Oberflächenaufrauungen und Verfärbungen an der Napfaußenwand vermutlich verursacht durch Biomasse-Partikel. Bild 16: Strukturformeln von einem Kohlenhydrat-Oxim (links) und die schematische Darstellung der Wechselwirkung sulfatiertes Saccharid - Metalloberfläche (rechts). Oxime sind Reaktionsprodukte von Aldehyden oder Ketonen mit einem Amin, die grundsätzliche Formel lautet C=N-OH. Die für die Wechselwirkungen wichtigen Strukturen in den Molekülen sind grau hinterlegt [16, 20, verändert]. Die in dem Forschungsvorhaben ALBINA nachgewiesene verschleißmindernde Wirkung der Algenextrakte steht im Kontext mit den Arbeiten von [9, 11, 12, 14, 15, 19]. Die eingesetzten Algenextrakte setzen sich aus Polysacchariden, Proteinen und Fettsäuren zusammen. In der Polysaccharidfraktion der Algenextrakte konnten sulfatierte Saccharide und Kohlenhydrat-Oxime, in der Proteinfraktion die Aminosäure Hydroxyprolin nachgewiesen werden (s. Teil 1). Diese Strukturen haben aufgrund ihrer hohen Ladungsdichte eine hohe Affinität zu Metalloberflächen. In Bild 16 sind die Strukturformeln eines Kohlenhydrat-Oxim und die möglichen Wechselwirkungen der aktiven Molekülteile eines sulfatierten Saccharid mit einer Metalloberfläche beispielhaft dargestellt. Einen ebenfalls positiven tribologischen Effekt erzielen Murmu et al. [11] in ihren Untersuchungen mit Stoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Mittels Vier- Kugel-Apparat prüfen sie die tribologischen Eigenschaften von Schiff’sche Basen-Derivaten von Chitosan (SBC), einem natürlich vorkommenden Polysaccharid. Sie können experimentell und in der molekulardynamischen Simulation zeigen, dass die SBC-Molekülen über Van-Der-Waals-Kräfte mit der Metalloberfläche wechselwirken und einen Tribofilm auf der Oberfläche bilden. Die Wechselwirkungen zwischen SBC und Metalloberfläche wird nach ihrer Diskussion im Wesentlichen durch die Elektronenpaare der O- und N-Heteroatome in den SBC-Molekülen angetrieben [11]. Singh et al. [13, 14] synthetisieren Ester der Schiff’sche Basen Derivate der Aminosäuren Cystin und Histidin. Sie prüfen diese Stoffe hinsichtlich ihrer Eignung als Antioxidans, Detergens, Dispergens und AW-Additiv. In allen Fällen können sie eine positive Wirkung im Vergleich zu einem nicht additivierten Bioschmierstoff nachweisen. Die Disulfidbrücke des Cystin ist nach ihren Erkenntnissen für die antioxidativen und antikorrosiven Eigenschaften verantwortlich, die reibungsmindernden und AW-Eigenschaften schreiben sie dem Esteranteil der Moleküle zu. In Bild 17 ist eine schematische Darstellung einer Schiff’schen Base gezeigt [13, 14] In seinem Review Artikel heben Borah et al. [9] die Rolle von Polysacchariden aus Makro- und Mikroalgen als bisher wenig genutzte Ressource für Bioschmierstoffe hervor. Makro- und Mikroalgen können Polysaccharide mit bemerkenswerten rheologischen und antioxidativen Eigenschaften für Schmierstoffanwendungen produzieren. Die aus Makroalgen gewonnenen Produkte wie Agar oder Carrageen verfügen nach ihren Recherchen über gute tribologische Eigenschaften, werden wirtschaftlich aber überwiegend für die Lebensmittelindustrie und den Laborbedarf benötigt. Die aus der EPS von Mikroalgen und Cyanobakterien gewonnenen Polysaccharide werden ihrer Aussage nach zukünftig an Bedeutung gewinnen und ein kommerzielles Potenzial als nachhaltige Rohstoffquelle für Bioschmierstoffe haben [9]. Li et al. [19] untersuchen den tribologischen Einfluss hoher bakterieller Lasten (Pseudomonas pseudoalcaligenes, KBE bis 10 8 / mL) und bakterieller EPS in einem KSS im Tapping Torque Test und in einem Bruker UMT Tribometer. Sie können einen direkten Zusammenhang zwischen dem EPS-Anteil und der reibungsmindernden Wirkung nachweisen. Eine Zudosierung von 0,07 % EPS, bewirkt eine deutliche Reduktion des Reibungskoeffizienten im UMT Tribometer. Der Konzentrationsbereich der eingesetzten EPS liegt in den Untersuchungen von [19] in der gleichen Größenordnung wie in den Zerspanuntersuchungen des hier vorgestellten Vorhabens ALBINA und bestätigt die hier erzielten Ergebnisse. Der Wirkmechanismus wird von [19] auf die, überwiegend aus Polysacchariden und Proteinen stammenden, zahlreichen Hydroxyl-, Carbonyl- und funktionellen Gruppen, die Phosphat oder Schwefel enthalten, zurückgeführt. Den positiven Einfluss von Proteinen in der Metallbearbeitung beschreiben Reihmann et al. [12] und Gauntlett [21]. In ihren Veröffentlichungen wird die gute Oberflächenbenetzung der Metalle durch spezifische Proteinmoleküle beschrieben. Als relevant für den Wirkmechanismus werden die polaren Bestandteile der Moleküle wie die OH- und Amingruppen benannt. Ein hoher Anteil der Aminosäure Hydroxyprolin in den Proteinen verstärkt durch die randständige OH-Gruppe die Bindung an die Metalloberfläche. Die auf der Metalloberfläche haftenden Proteine bilden einen stabilen Monolayer, der zu einer verbesserten Kühlung durch die hydrophoben Eigenschaften des Films, einer Reibungsminderung und einer guten Reinigungsfähigkeit der Oberfläche führen [12, 21]. Ebenfalls positive Ergebnisse in der Fräsbearbeitung von TiAl6V4 wie in den hier vorgestellten Untersuchungen erzielen Damm et al. [22] durch den Einsatz eines KSS, der aus lebenden Hefezellen und Korrosionsschutz aufgebaut ist. Mit einer Zellzahl von 10 9 / mL können sie in ihrem Versuchsaufbau eine Reduktion der Schnitt- Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 Bild 17: Schematische Darstellung einer Schiff ’schen Base. Schiff ’sche Basen sind eine besondere Form der Imine und entstehen bei der Verbindung von Ketonen oder Aldehyden mit primären Aminen, die grundsätzliche Formel lautet: R 1 R 2 C = NR' (R' ≠ H) (nach [13], verändert). delsübliche Schmierstoffe auf Mineralölbasis und zeigt das große Potential von verestertem Palmstearinöl für seine Nutzung in Schmierstoffanwendungen [27]. Verschiedene Palmölfraktionen stehen im Fokus der Arbeit von Yahaya und Samion [28] . In Ringstauchversuchen konnten sie zeigen, dass Palmstearinöl die geringste Reibung erzeugt, im Vergleich zu Palmkernöl, der mittleren Fraktion des Palmöls und einem mineralölbasierten Umformschmierstoff. Allerdings zeigte sich ein deutlich höhere Oberflächenrauheit bei der Verwendung von Palmstearinöl, strukturelle Defekte wie Rissbildung, Bruch oder Ermüdung traten in den Untersuchungen nicht auf [28]. Mit dem Zusatz unterschiedlicher Konzentrationen von Palmfettsäuredestillat als Leistungsadditiv zu einem kommerziellen mineralölbasierten Umformöl konnten Syahrullail et al. [29] folgende Resultate erzielen: Im Vier-Kugel-Apparat war eine deutliche Reduktion des Reibungskoeffizienten nachweisbar, diese war konzentrationsabhängig und hatte ein Optimum bei 20 %. Gleichzeitig wurde eine Zunahme der Verschleißkalotten mit steigender Konzentration des Palmfettsäuredestillats gemessen [29]. Die Suche nach alternativen Rohstoffen um Mineralöle in Schmierstoffen der Metallumformung zu ersetzen ist ein relevanter Bestandteil der Forschungstätigkeit. Aus der hier vorgestellten Literatur lässt sich nur teilweise ein direkter Vergleich zu den erzielten Ergebnissen des Vorhabens ALBINA ableiten. Die meisten zitierten Untersuchungen zielen auf den Ersatz des Basisöls durch pflanzliche Öle und deren Derivate ab, sowie auf den Einsatz von Anorganika als Leistungsträger. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass mit der Nutzung von Algenextrakten ein weiterer Weg für alternative Rohstoffe in der Metallumformung gegangen werden kann. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen des Forschungsvorhabens ALBINA sind Extrakte von Mikroalgen als Leistungsadditive in der Metallzerspanung und -umformung getestet worden. Sie sollen als eine nachhaltige Alternative für konventionelle Additive eingesetzt werden und so zu der Schonung von Ressourcen beitragen. Die Verwendung von Mikroalgen ist in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungs- und Tierfutterindustrie als regenerative und nachhaltige Rohstoffressource etabliert. In technischen Anwendungen gibt es vereinzelte Ansätze in denen Produkte aus Mikroalgen zum Einsatz kommen. Sie sollen zum einen Prozesse verbessern und zum anderen eine alternative Rohstoffquelle nutzen, um den Einsatz von fossilen, nicht nachhaltigen Stoffen zu reduzieren. Insbesondere Moleküle wie sulfatierte Polysaccharide und Proteine sind geeignet, die bisher in Schmierstoffen Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0015 kräfte um 10-20 % im Vergleich zu einem mineralölbasierten Referenz-KSS erreichen. Sie führen die Reduktion der Schnittkraft auf die Freisetzung von Fettsäuren aus zerstörten Hefezellen zurück. Die Untersuchungen liefern nach ihrer Aussage erste Hinweise auf das Potential biologischer Stoffe als Ersatz von konventionellen KSS-Bestandteilen. Sie sehen weiteren Forschungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der Langzeitstabilität der biologischen KSS, möglicher gesundheitlicher Beeinträchtigungen durch Zellbruchstücke und ökonomischer Aspekte [22]. Umfangreiche tribologische Untersuchungen führen Teti et al. [23] mit einer lebenden Mikroalgenkultur (Spirulina platensis) durch. Sie vergleichen die Leistungsfähigkeit der Algensuspension im Reichert Test, dem Tapping Torque Test, dem Anton Paar Tribometer und in einem Drehprozess mit einem mineralölhaltigen KSS und der Trockenbearbeitung. In der Drehbearbeitung werden die Schmierstoffe mit einem reduzierten Volumenstrom von 15-50 mL/ min der Bearbeitungszone zugeführt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der KSS auf Mikroalgenbasis in den tribologischen Tests und der Drehbearbeitung hinsichtlich des Verschleißverhaltens bessere Ergebnisse liefert als die Trockenbzw. Nassbearbeitung mit dem Referenz-KSS. Aus den Ergebnissen der Tribotests kann gefolgert werden, das mit der Algensuspension schlechtere Reibungskoeffizienten erzielt werden im Vergleich zu dem Referenz-KSS [23]. Der Einsatz von Additiven auf Basis nachwachsender Rohstoffe in der Metallumformung ist in der Literatur für den Ringstauchversuch oder das Tiefziehen nur wenig beschrieben. Zareh-Desari und Davoodi [24] vergleichen in ihren Untersuchungen konventionelle Umformöle mit Soja- und Rapsöl, welche mit CuO und SiO 2 Nanopartikel als Leistungsträger additiviert sind. Trotz der Tatsache, dass Rapsöl eine nachgewiesene positive tribologische Eigenschaften besitzen, müssen nach ihrer Sicht pflanzliche Öle in der Umformung immer mit reibungsmindernden Additiven verbessert werden, um das Potential konventioneller Schmierstoffe zu erreichen [24]. In ihrer Veröffentlichung von 2006 beschreiben Lovell et al. [26] die Wirkung eines mit 5 % Borsäure additiviertem Rapsöl im Vergleich zu unadditiviertem Rapsöl und einem konventionellen Umformöl. Der Zusatz von Borsäure erzeugt die besten Ergebnisse in einem dem Tiefziehen angelehnten Testverfahren [25]. Aufgrund der mit der 17. ATP zur CLP-Verordnung geltenden Einstufung von freier Borsäure (Reproduktionstoxisch, Kat. 1B bei ≥ 0,3 % „Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Kann das Kind im Mutterleib schädigen.“) ist dieser Ansatz in der Praxis nicht mehr weiter verfolgbar. [26] Afifah et al. [27] testen enzymatisch umgeestertes Palmstearinöl als Basisöl mit sehr guten Resultaten im Vier- Kugel-Apparat. Das Öl weist einen höheren Viskositätsindex und bessere Reibungseigenschaften auf als han- Literatur [1] Klocke, F.; König, W.: Fertigungsverfahren 4 Umformen. 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. [2] Appiah, G.; Tulashie, S.K.; Akpari, E.E.A.; Rene, E.R.; Dodoo, D.: Biolubricant production via esterification and transesterification processes: Current updates and perspectives. 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Hinsichtlich des Werkzeugverschleiß führen die Extrakte dieser Mikroalge zu Ergebnissen, die denen konventioneller Leistungsadditive entsprechen. Bei der Verwendung von Extrakten anderer Mikroalgenarten konnte ebenfalls eine positive Wirkung erzielt werden, allerdings fiel diese insbesondere in der Bearbeitung von TiAl6V4 deutlich schwächer aus. Zur Prüfung der Algenextrakte als Leistungsadditiv in der Metallumformung wurden der Ringstauchtest nach Burgdorf und das Tiefziehen von Näpfen als Prüfverfahren herangezogen. In beiden Verfahren führte das Extrakt der Mikroalge N. salina zu einer leichten Reduktion der Stempelbzw. Presskräfte. Die Wirkung war konzentrationsabhängig und nahm mit steigendem Anteil Algenextrakt im Schmierstoff zu. Ein positiver Einfluss auf Innen- und Außendurchmesser im Ringstauchversuch war nicht zu verzeichnen. Eine Herausforderung in der Umformung stellte generell die schlechte Löslichkeit der Extrakte in Ölen dar, dies war nur durch den Einsatz einer Emulgatormischung realisierbar. Die vorliegende Arbeit gibt Hinweise darauf, dass Substanzen aus Mikroalgen geeignet sind, Leistungsadditive in Schmierstoffanwendungen zu substituieren. Die Leistungsfähigkeit ist in spezifischen Schmierstoffanwendungen nachweisbar. In welcher Form und chemischen Struktur die nachhaltigen Additive vorliegen, um die konventionellen Additive als Leistungsträger zu ersetzen konnte nicht geklärt werden, dies sollte Bestandteil weiterführender Untersuchungen sein. Danksagung Die Mitglieder des Forschungsvorhabens ALBINA danken der Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR) sowie dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), das dieses Vorhaben durch einen Beschluss des deutschen Bundestages fördert. and Technology, 34, S. 47-60, 2021. https: / / doi.org/ 10.1016/ j.cirpj.2021.01.004. 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