29. května 2024 09:35

Udržitelnost ve strojírenství: Jakou roli hraje držení nástroje?

Pohlédněte na celý proces

Zvažování udržitelnosti je v současné době „trendy“. Strojírenství a zařízení používaná k němu nejsou výjimkou. Jednotlivé prvky – jako je upnutí nástroje – jsou často brány v úvahu. Pokud však skutečně chcete jednat udržitelně, neměli byste se příliš zaměřovat na takové detaily, jinak byste mohli přehlédnout výhody v procesu jako celku.

Inzerce

Udržitelnost je téma, které se oprávněně stává stále důležitějším. Zdroje jsou omezené a energie je stále dražší. Při hodnocení udržitelnosti je důležité se nesoustředit příliš úzce na výrobek, ale také zvážit životní cyklus výrobku a celý proces, do něhož je výrobek integrován.

Jak vypadá udržitelnost ve strojírenství?
Strojní zpracování kovů má mnoho aspektů. V závislosti na materiálu, geometrii součásti a množství se používá široká škála strojů, nástrojů a upínacích zařízení. Je třeba také zohlednit externí okolnosti, jako je místo výroby, kvalifikace zaměstnanců a možná automatizace. Existuje mnoho různých výrobních možností, které mohou být v závislosti na individuálním případu nejlepším, nejekonomičtějším a  nejudržitelnějším řešením. Je obtížné neporovnávat jablka s hruškami. Jak se měří udržitelnost? Kromě použitých materiálů je pravděpodobně hlavním faktorem určujícím udržitelný proces energetická účinnost. Proto slibným přístupem je hledání největších odběratelů energie a optimalizovat jejich využití.

Obráběcí centra představují potenciál úspor
Při obrábění je nepochybně CNC centrum strojem, který spotřebovává většinu energie s jeho vřetennými a osovými pohony, periferiemi a pomocnými jednotkami, jako jsou chlazení, mazání nebo zdroj stlačeného vzduchu.

Při nákupu nových strojů může uživatel výrazně snížit spotřebu tím, že bude dbát na energeticky úsporné komponenty. Andreas Haimer, generální ředitel a prezident skupiny HAIMER, lídra na trhu s technologií držení nástrojů, vysvětluje: „Ve vlastní výrobě jsme zjistili, že nahrazení starého obráběcího centra novým, které používá stejný obráběcí proces, vyžaduje asi o 30 procent méně energie.“ Přidává další zásadní faktor: „Jako rodinný podnik věnujeme udržitelnosti velkou pozornost. Například naše ocel na nástroje pochází z Německa, již několik let používáme elektřinu výhradně z obnovitelných zdrojů a investujeme do solárních energetických systémů a zelené infrastruktury. V minulém finančním roce jsme celkem investovali více než jeden milion eur a ušetřili více než 250 tun CO2 za rok.“

Zpět k strojům, kde ne každé starší obráběcí centrum lze nahradit novým. Úspory lze dosáhnout také v samotném obráběcím procesu, například použitím CAD/CAM optimalizovaných strategií obrábění, jako je trochoidní frézování. Andreas Haimer má konkrétní příklad: „Zákazník nám poskytl údaje o tom, jak dokázal díky trochoidnímu frézování s našimi silovými tepelnými upínači HAIMER a frézami HAIMER MILL snížit čas obrábění o 75 procent z 71 minut na 18 minut na kus oproti obrábění čelní frézou. Změna strategie obrábění byla doprovázena úsporami energie díky výrazně nižší spotřebě energie. Zatímco zatížení vřetene bylo 80-85% pro 10 dílů při běžném obrábění čelní frézou, což znamenalo celkové energetické náklady kolem 150 EUR, strategie trochoidního frézování se zatížením vřetene 8-10% a výrazně kratší dobou běhu stroje snížila energetické náklady na celkovou částku 5 EUR pro 10 dílů. To zase znamená vyšší výstup při nižší spotřebě energie na vyrobený kus – to je to, co nazývám udržitelné a efektivní.“

Udržitelnost držení nástroje: Holistický přístup
Pokud se podíváte na celý řetězec procesu, kdy jste naposledy přemýšleli o tom, jak by mohlo upínání nástroje přispět k udržitelnosti? Vzhledem k obráběcímu procesu, při kterém frézovací stroj spotřebovává průměrně kolem 30 kW, plus energie hydraulických a pneumatických zařízení, automatizace a roboty, hraje upnutí nástroje pouze vedlejší roli. To proto, že upínač je poměrně malý detail, i když proces upínání s tepelným upínačem spotřebovává marginální množství energie.

Podíváte-li se na další upínací systémy, spotřeba energie při nahřívacím cyklu upínání je vyšší než u hydraulického nebo frézovacího upínače. Pokud se podíváte na celý životní cyklus tepelného upínače, který zahrnuje výrobu, údržbu a likvidaci, objeví se úplně jiný obraz.

Výroba hydraulického upínáku vyžaduje výrazně více úsilí a energie kvůli své složitější konstrukci. Kromě vysoké přesnosti obrábění jednotlivých komponentů je také nutné pájení rozšiřovacího pouzdra, dodatečné tepelné zpracování k zamezení prasknutí pájeného spoje, stejně jako úsilí potřebné k čištění, montáži a plnění olejem. „Z našich zkušeností je energie potřebná k výrobě asi třikrát vyšší než u tepelného upínače,“ vysvětluje Andreas Haimer. „Kromě tepelných máme také v našem širokém portfoliu hydraulické upínače, ačkoliv jejich cena je dvakrát až třikrát vyšší než u tepelných upínačů kvůli komplexnímu výrobnímu procesu. Jsou správným řešením pro určité aplikace. Nicméně nejsou udržitelnější. Naše analýzy ukázaly, že hydraulický upínač vyžaduje přibližně o 25 kWh více energie k výrobě než tepelný upínač. Naopak, pokud jde o životní cyklus výrobku, tepelný upínač s energetickým požadavkem 0,026 kWh na nahřátí a zchlazení může být upnut téměř 1000krát, než si vyžádá více energie než hydraulický upínač.“ Totéž platí pro frézovací upínače, které jsou mnohem složitější a obsahují více komponentů a tuků a maziv.

Životní cyklus a spolehlivost procesu jsou klíčové
Kromě zvýšených výrobních nákladů je také rozdíl v údržbě. Zatímco tepelné upínače Haimer jsou bezúdržbové díky mimořádné kvalitě vysokoteplotní nástrojové oceli a ve spojení s patentovanou technologií cívky Haimer a tepelnými přístroji Haimer, mohou být nahřáty a zchlazeny v neomezeném počtu cyklů, hydraulické a frézovací upínače musí být vráceny výrobci nejpozději každé 2-3 roky, aby byla kontrolována upínací síla, mazán upínací šroub nebo mazáno zařízení a prováděna pravidelná údržba upínače kvůli opotřebení. Obsažená hydraulická kapalina nebo mazivo také komplikuje ekologickou likvidaci oproti tepelným upínačům, které neobsahují žádné další komponenty. Kromě životního cyklu jsou zde také významné rozdíly ve spolehlivosti procesu: v případě suchého obrábění nebo nedostatečného chlazení v obráběcím procesu představují hydraulické upínáky riziko prasknutí upínacích komor kvůli vysokému tepelnému přenosu, včetně rizika vytahování nástroje a vadného výsledného kusu. Tepelné upínače jsou v ntomto ohledu odolnější a robustnější; pokud chcete úplně eliminovat riziko vytahování nástroje, je k dispozici systém Haimer Safe-Lock jako volba pro tepelné upínače se 100% bezpečností.

Spotřeba energie v perspektivě
Ale jak je skutečně spočítána spotřeba energie během procesu nahřívání? Ohřátí tepelného upínače trvá přibližně 5 sekund se současným upínacím strojem HAIMER. Zkušení uživatelé přeupnou opotřebovaný
řezný nástroj za nový během jediné operace. Upínač je tedy ohříván a chlazen pouze jednou. Maximální výkon tepelného přístroje HAIMER Power Clamp s patentovanou cívkou NG je 13 kW, ale průměrný výkon  je 8 kW. To znamená, že jediný kompletní proces nahřátí spotřebuje kolem 0,011 kWh. K tomu chladicí agregát spotřebuje kolem 0,015 kWh – i když zařízení Haimer mohou chladit až pět upínačů současně s téměř stejnou spotřebou energie. V nejhorším případě to vede k celkové spotřebě 0,026 kWh pro celý proces. Pokud za kilowatthodinu zaplatíte 20 centů, nahřátí a zchlazení nástroje stojí marginálních 0,5 centu.

A jak by měla být klasifikována spotřeba energie při zohlednění obráběcího procesu, ve kterém je spotřeba energie frézovacího stroje se všemi pomocnými pohony kolem 30 kW? Předpokládáme-li, že nástroj je používán asi 1 hodinu a že dokonce jen jedno procento času obrábění lze ušetřit díky vysoké soustředěnosti a tuhosti nebo vylepšeným strategiím frézování díky tenké kontuře, jedná se o 0,3 kWh energie, kterou jsme ušetřili. To je přibližně 11krát více energie, než je spotřebováno na nahřátí. Andreas Haimer shrnuje: „Spotřeba energie na každý upínací proces hraje zanedbatelnou roli ve srovnání s otázkami životního cyklu, spolehlivosti procesu a strategií obrábění. Moderní CAD/CAM optimalizované strategie frézování mohou ušetřit 75 procent času obrábění. Mechanici se musí soustředit na takové zefektivněné procesy, pokud chtějí být udržitelní a produktivní. A ve druhém kroku by měli vybrat nejvhodnější a procesně spolehlivý držák nástroje pro tyto strategie.“

Udržitelnost v HAIMER
V roce 2023 investovala společnost HAIMER více než jeden milion eur do zelené infrastruktury. Mezi další věci patřilo rozšíření solární energetické soustavy na další budovy a přeměna na LED osvětlení. To  umožní ušetřit více než 250 tun CO2 ročně.

Andreas Haimer s novým hybridním upínačem
Andreas Haimer, prezident skupiny HAIMER, s novým hybridním upínačem: „Máme velmi široký sortiment různých držáků nástrojů. Kromě mnoha různých tepelných upínačů patří sem také hydraulické upínače. Na veletrhu EMO jsme představili světovou novinku s hybridním upínačem HAIMER Hybrid Chuck. Kombinuje tlumicí vlastnosti hydraulického upínače s vlastnostmi vysoké přesnosti a výkonnosti tepelného upínání, což otevírá mnoho možností pro zefektivnění a udržitelnost obráběcího procesu.“

O společnosti HAIMER GmbH
HAIMER je rodinná firma střední velikosti se sídlem v Igenhausenu poblíž Augsburgu v Bavorsku. Vyvíjí, vyrábí a prodává inovativní, vysoce přesné výrobky pro obrábění kovů pro automobilový průmysl, letecký průmysl, energetiku, železniční dopravu, obecný strojírenský průmysl a mnohé další. Škála produktů zahrnuje širokou paletu držáků nástrojů ve všech běžných rozhraních a délkách, stopkových karbidových nástrojů, strojů pro technologii tepelného upínání, vyvažování, 3D měřicích zařízení a předseřizovacích strojů HAIMER Microset.
Z celkových 800 zaměstnanců po celém světě jich pracuje asi 500 ve výrobním závodě v Igenhausenu s nejmodernějšími stroji a velmi vysokým stupněm automatizace a vertikální integrace. V druhém výrobním závodě HAIMER v Bielefeldu pracuje 50 zaměstnanců na výrobě předseřizovacích strojů HAIMER Microset. Zkušení, dynamičtí a vysoce kvalifikovaní zaměstnanci zaručují renomovanou kvalitu „Made by HAIMER“. Jako aktivní výcviková společnost s více než 50 učni a vysokou mírou následné integrace HAIMER zajišťuje svůj budoucí potenciál kvalifikovaných pracovníků a přispívá k dalšímu vzdělávání mladých lidí a k zajištění budoucnosti lokality. Jako evropský lídr na trhu s technologií upínání nástrojů s denní kapacitou přibližně 4 000 držáků nástrojů HAIMER přikládá velký význam technologické vyspělosti svých výrobků, proto je mezi 8 a 10 % obratu investováno do výzkumu a vývoje každý rok. Neutuchající snaha být lepším skvěle zapadá do filozofie, kterou žijeme: Kvalita vítězí.

www.haimer.de