Sustainable tribology in cold forming: minimal quantity lubrication and bio-lubricants

This thesis investigates the role of tribology in enhancing cold metal forming processes, with a special focus on bio-based lubricants. Despite the extensive application of lubricants in various forming operations, gaps persist in understanding the performance of bio-lubricants, specifically under minimal quantity lubrication (MQL) conditions. This research aims to address these gaps by examining frictional behaviour and wear mechanisms associated with bio-based and mineral lubricants across controlled lubrication levels. To explore these phenomena, extensive experimental trials were conducted on a tribometer, simulating conditions relevant to cold forming applications. The study systematically evaluated static and dynamic friction coefficients, wear volume loss, and surface interactions, comparing bio-based and traditional mineral oils. Results indicate that bio-lubricants, when optimized, can achieve comparable performance to mineral-based counterparts while offering environmental benefits. Notably, this work demonstrates that bio-lubricants are particularly effective under mid-range lubrication (LQL, low quantity lubrication), where they balance friction reduction and wear resistance. This thesis advances the field by establishing a clearer experimental framework for evaluating lubricant efficacy in metal forming. The findings are expected to guide future developments in sustainable manufacturing practices, offering insights into the integration of bio-lubricants in industrial applications.

Il presente lavoro di tesi si propone di indagare come la tribologia possa contribuire al miglioramento dei processi di formatura metallica a freddo, con particolare attenzione all’impiego di lubrificanti di origine biologica. Sebbene i moderni processi di formatura facciano largo uso di lubrificanti di varia natura, la letteratura scientifica rimane lacunosa in merito ai lubrificanti biologici, soprattutto in condizioni di lubrificazione minima (MQL). Il documento aspira a colmare tali lacune, esaminando il comportamento d’attrito e i meccanismi di usura associati a diversi materiali, servendosi di due tipologie di lubrificanti (di origine biologica e minerale) applicati a vari livelli di lubrificazione. Per esplorare nel dettaglio tali fenomeni, sono stati condotti numerosi esperimenti mediante l’uso di un tribometro, riproducendo condizioni rilevanti per i processi industriali di riferimento. È stato valutato in modo sistematico il coefficiente di attrito, sia statico sia dinamico, la perdita volumetrica per usura e le interazioni con differenti topografie superficiali, mettendo a confronto i lubrificanti biologici con quelli minerali tradizionali. I risultati indicano che, se opportunamente ottimizzati, i lubrificanti di origine biologica possono offrire prestazioni comparabili, se non superiori, a quelle dei lubrificanti minerali, garantendo al contempo benefici ambientali e sanitari. L’ultima sezione del presente lavoro dimostra inoltre come i lubrificanti biologici risultino particolarmente efficaci in condizioni di lubrificazione intermedia (LQL) tra il livello minimo e quello standard indicato in letteratura, bilanciando efficacemente la riduzione del coefficiente di attrito con la resistenza all’usura. In conclusione, il presente elaborato offre avanzamenti significativi nel campo d’indagine, proponendo una struttura sperimentale rigorosa per valutare l’efficacia dei lubrificanti nei processi di formatura metallica. Si auspica che i risultati ottenuti possano orientare futuri sviluppi verso una manifattura sostenibile, fornendo indicazioni utili per l’introduzione dei lubrificanti biologici nei processi industriali.