Možnosti úspor při vstřikování termoplastů

Autor: Lubomír Zeman, Plast Form Service s.r.o.

Úvod

Průmysl zpracování polymerních materiálů je v České republice významným průmyslovým odvětvím s relativně dlouhou tradicí. Je to sektor velmi členitý, který představuje výrobu velkého množství dílů pro nejrůznější aplikace.

Automobilový průmysl je jedním z nejdůležitějších, ne-li prvním z důležitých hnacích motorů pro masivní rozvoj a vývoj vstřikování termoplastů. Mnoho dílů použitých nebo vyvíjených
do konstrukce automobilů lze efektivně vyrobit pouze technologií vstřikování a to ve všech dílčích podskupinách z nichž je automobil zkonstruován: díly exteriérové, interiérové, karosářské, v technice zabezpečení, v palivových systémech, v systémech pohonu, osvětlení, podvozku, technice zabezpečení a bezpečnosti automobilu, včetně jeho obsluhy.

Výroba výstřiků pro automobilový průmysl je životně důležitá pro celou řadu jeho subdodavatelů, přičemž v dané oblasti existuje velmi konkurenční prostředí. Po krizových letech v minulosti sice marže dodavatelů v automobilovém průmyslu globálně vzrostly, ale prognózy hovoří o tom, že ziskovost dodavatelů se bude snižovat. Jedním z důvodů je snížení růstu automobilového trhu, a to jak v Číně, tak i v Evropě a dalších světových regionech. V Evropě je to zejména v důsledku nejistoty na finančních trzích a zvýšení finanční nejistoty firem i občanů.

Významným důvodem je i mnohem vyšší tlak na cenu dodávek od výrobců automobilů, který snižuje ziskovou marži EBIT – zisk před odečtením úroků a daní – provozní hospodářský
výsledek – u dodavatelů bez vývojové základny, která může automobilkám nabízet inovativní řešení s vyšší přidanou hodnotou, na cca 3 %. Přitom samozřejmě platí, že příslušný subdodavatel musí ve druhém, třetím a čtvrtém roce výroby ceny dílů snížit o stanovená procenta, nejčastěji o 3 nebo 5 % ročně.

Uvedené snížení svých nákupních cen automobilky odůvodňují tím, že po prvním roce výroby je možno výrobní proces optimalizovat a tím snížit náklady na výrobu konkrétního
výstřiku.

Naučný slovník definuje pojem optimalizace jako postup vedoucí k výběru nejlepší varianty při zachování vymezených podmínek. Ovšem naše podmínky jsou buď předem dány – konstrukce výstřiku, konstrukce formy, vstřikovaný materiál, nebo se v průběhu výroby mění – zvyšování cen vstupů – energie, vstřikovací materiály, obalové materiály, náklady na pracovní sílu, atd. A to vše při požadavku cílové ceny, případně včetně požadavku na výplatu bonusu odběrateli, od kterého jsme zakázku získali, nemluvě o nákladech na jakost, včetně plateb za reklamační protokoly, o nákladech za pronájem obalů, softwarovém vybavení, o nutnosti komunikace po placených zabezpečených linkách, atd.

Nutně si tedy musíme položit otázku, jaké máme možnosti, respektive, ve kterých oblastech můžeme, samozřejmě, za nějakých podmínek, ušetřit, a tím zlepšit svůj hospodářský
výsledek. V dalším textu se pokusím nastínit některé oblasti úspor. Bohužel, u úspor existuje reálné nebezpečí, že zákazník jich využije k požadavku na opětovné snížení ceny.

Možnosti úspor

Do finální ceny výstřiků z termoplastů patří jak fixní, tak i variabilní náklady, rozpočtené na provozní hodinu stroje a výstřik. Do variabilních nákladů patří dvě základní položky:

• náklady na elektrickou energii,
• náklady na chladicí, respektive temperační systém
  vstřikovny.

Do ceny elektrické energie je nutno zahrnout všechny elektrické spotřebiče ve vstřikovně: příkony vstřikovacích strojů, příkony topení plastikačních jednotek vstřikovacích strojů, příkony periferních zařízení – temperace forem, ohřev horkých rozvodů forem, sušení granulátů, dávkování granulátů a aditiv, zařízení pro aditivace, dopravníky výstřiků, manipulační zařízení, pohony robotů, zařízení pro zpracování technologického výmětu a zmetků, zařízení kontroly jakosti výstřiků, atd., příkony ostatních zařízení – zdroj tlakového vzduchu, příkony čerpadel a chladičů chladícího okruhu vstřikovny, osvětlení, odsávání a klimatizace, vytápění, ruční nářadí, pohony jeřábů a zvedacích mechanismů, příkony kancelářských přístrojů a výpočetní techniky, atd.

Do fixních nákladů rozpočítaných na příslušný vstřikovací stroj se počítají mzdové náklady, odvody, pojištění, provize, úvěry, leasing, půjčky, odpisy, úroky, daně, ziskové marže, náklady na vybavení – kanceláří, návštěvních prostor, sociálních prostor, laboratoře jakosti, hardware a software, úklidové prostředky, náklady na olejové hospodářství, telefony, propagace, školení, cestovní náklady, náklady na údržbu strojů a zařízení v dobrém provozuschopném stavu (obvykle 3 % z pořizovací ceny), náklady na umístění strojů a zařízení, náklady na elektrickou přípojku, náklady na jakost, náklady na obaly a obalový materiál, balící zařízení, pronájem obalů, ochranné prostředky, prostředky bezpečnosti práce atd.

Dále se nesmí zapomenout na náklady spojené s provozem vstřikovacích forem: separační, čisticí, mazací a ochranné prostředky, náklady na údržbu forem, opravy forem atd.

1. Vstřikovací stroje

Technologickým základem každé vstřikovny jsou vstřikovací stroje a periferní zařízení k nim, která vstřikovací stroj doplňují a spolu s ním vytvářejí možnost automatizace vstřikovacího procesu. Ekonomii vstřikovacích strojů vytvářejí jejich pohonné systémy. Podle nich je možno stroje rozdělit na tyto základní skupiny:
• s plně hydraulickým pohonem
• s pneumatickým pohonem
• s plně elektrickým pohonem
• s hybridním pohonem, kombinujícím hydraulický a elektrický pohon, včetně hydraulických akumulátorů.

Nejčastěji jsou naše vstřikovny vybaveny vstřikovacími stroji s hydraulickými pohony. Podle energetické účinnosti a tím i možnosti úspor je možno setřídit stroje s hydraulickými pohony takto:

• čerpadlová skupina – jedno nebo více čerpadel s konstantní dodávkou, případně doplněná hydraulickými akumulátory, kterých je možno využít i u dalších typů pohonů, hydraulická čerpadla jsou poháněna elektromotory, energetická účinnost těchto systémů, na něž navazují další hydraulické prvky je v rozpětí cca 50 až 60 %;
• některé systémy mají pohon šneku pro plastikaci osazen elektromotorem, případně s frekvenčním měničem otáček, což energetickou účinnost zvyšuje;
• čerpadlová skupina tvořená elektrickým asynchronním motorem pohánějícím elektronicky řízené regulační čerpadlo typu DFE, což jsou pístová axiální čerpadla s regulací naklápění šikmé řídící desky;
• dalším vylepšením čerpadlové skupiny z pohledu úspory elektrické energie je pohon čerpadel – s vnitřním ozubením, nebo lamelových s konstantním objemem – asynchronním elektromotorem řízeným frekvenčním měničem otáček, oproti konvenční čerpadlové skupině popsané v prvním bodě, je u tohoto řešení možná úspora elektrické energie až o 45 %
• prozatím posledním vývojovým stupněm hydraulických čerpadlových skupin je nasazení elektrických servopohonů pro pohon zubových čerpadel, porovnáním spotřeby elektrické energie s DFE čerpadly vychází úspora až o 50 % při současném snížení hladiny hluku až o 20 %, zvýšení dynamiky pohonu o cca 10 %, zjednodušení hydraulických systémů a tím snížení ohřevu hydraulického oleje, jehož změna viskozity v rozmezí teplot mezi cca 25 až 45°C nemá prakticky vliv na výslednou jakost vyráběných výstřiků.

Na rozdíl od hydraulicky poháněných vstřikovacích strojů mají stroje s elektrickým pohonem (počátek jejich sériové výroby je v roce 1984) pro každou osu, tj.pro každý pohyb, samostatný pohon, jeden pro elektricko-mechanickou (kloubovou) uzavírací a otevírací jednotku, jeden pro pohyby vyhazovacího systému, jeden pro přímočarý pohyb šneku – vstřikovací fáze a dekomprese, jeden pro rotační pohyb šneku – plastikace a dávkování polymerní taveniny před čelo šneku.

Celkem tedy čtyři elektrické servopohony, které jsou obvykle rotační a pro velmi rychlé pohyby mohou být nasazeny i lineární. Rotační servopohony musí být doplněny převodovými mechanismy realizujícími převod rotačního pohybu na přímočarý – nejčastěji šroub s kuličkovou maticí.

Elektrické servopohony využívají elektrickou energii velmi efektivně, pracují na sobě nezávisle, a to pouze tehdy, když je příslušný pohyb ve funkci. Synergickým výsledkem je dosažení úspory ve spotřebě elektrické energie o cca 25 až 50 % v porovnání s klasickými hydraulickými pohony, a to v závislosti na velikosti daného stroje – maximální velikost plně elektrických strojů je cca 6 000 kN uzavírací síly – charakteru vyráběného výstřiku, vstřikovaném materiálu atd. Obecně však platí, že úspornější pohon znamená dražší nákupní cenu vstřikovacího stroje.

Hybridní pohony kombinují hydraulické a elektrické pohony do jednoho celku. Kombinují se jak pohon uzavírací jednotky – hydraulický, elektrický, tak i vstřikovací jednotky – elektrický, hydraulický, případně s hydraulickým akumulátorem. Při rozhodování o výběru typu pohonu – plně elektrický vs. hydraulický, například se servopohonem, je vždy nutno zvážit otázku, co chceme získat jejich nasazením do výroby, zda úsporu elektrické energie, nebo zkrácení výrobního cyklu. Oba typy jsou oproti standardním výrazně úsporné.

Zkrácení vstřikovacího cyklu je ekonomicky silnějším požadavkem než úspora elektrické energie. Z tohoto pohledu mohou být výhodnější vstřikovací stroje s plně elektrickým pohonem. Tyto stroje díky svému osazení čtyřmi elektrickými servomotory mohou pracovat ve sdílených režimech, tj. například při plastikaci lze již otevírat formu a vyhazovat výstřik, což samozřejmě vede ke zkrácení výrobního cyklu. Pro sdílené pohyby je nutno stroj s elektrickým servomotorem a hydraulickým čerpadlem osadit více čerpadlovým pohonem, nebo nasadit hydraulické akumulátory.

V případě výběru vstřikovacího stroje s hydraulickým pohonem je čistota hydraulického oleje jednoznačně nejdůležitějším faktorem zajišťujícím bezproblémový chod stroje. Dosažení nejvyšší možné hranice čistoty hydraulického oleje, respektive celého hydraulického systému vstřikovacího stroje, je důležité nejen pro zajištění požadované jakosti výstřiků (reprodukovatelnost nastavených technologických parametrů), ale i pro životnost mechanismů stroje a v neposlední řadě má výrazný vliv na spotřebu elektrické energie. Z měření firmy Kleentek, která na našem trhu dlouhodobě a úspěšně prodává elektrostatická zařízení na čištění olejů, například vyplývá, že u vstřikovacích strojů poháněných pístovým hydrogenerátorem, úspora elektrické energie převedená na finanční vyjádření je u znečistěného a čistého hydraulického oleje a systému pohonu v řádu několika desetitisíců korun pro jeden vstřikovací stroj za rok, přičemž, samozřejmě, závisí i na velikosti vstřikovacího stroje.

Pokračování příště