Největší světový veletrh zaměřený na výrobu a využití plastů a pryže K 2013 (K od slova Kunststoff – plast), konaný s tříletou periodicitou v německém Düsseldorfu, oslavil loni v říjnu 60 let svého trvání. První se konal v roce 1963 pod heslem „Wunder der Kunstoffe“ a zúčastnilo se jej 270 firem pocházejících ze Spolkové republiky Německo. Loňského veletrhu s mottem „K makes the difference“ se již zúčastnilo na 3200 firem, které obsadily výstavní plochu v 19 halách o rozloze 168 000 m2. Na veletrhu K se pravidelně představují nejvýznamnější a nejnovější inovace v oblasti produktů, technologií a služeb ve zpracování plastů a kaučuků, které pro nastávající období ukazují směr vývoje v tomto segmentu průmyslu. Vystavující firmy představily novinky ve třech hlavních oblastech: » stroje a zařízení pro průmysl plastů a kaučuků (o tento segment projevilo zájem více než dvě třetiny návštěvníků veletrhu), » suroviny a pomocné látky (o tuto oblast se zajímalo 42 % návštěvníků), » polotovary, technické díly, kompozitní výrobky atd. (informace z této části vystavovaného portfolia využilo 22 % plastikářských odborníků). Veletrh za 5 dnů konání navštívilo více než 218 000 plastikářských odborníků a návštěvníků ze 120 zemí světa. Mezi vystavovateli měli kromě domácího Německa největší zastoupení firmy z Itálie, Rakouska, Švýcarska, Francie, Nizozemska a Velké Británie. Z České republiky přijelo vystavovat 20 firem, které obsadily cca 700 m2 výstavní plochy, ze Slovenska to byly dvě firmy na ploše 72 m2. Značně – oproti nejkrizovějším létům, které se promítly i na K 2010 – stoupla účast vystavovatelů z Asie, především z Číny, Tchaj-wanu, Indie, Japonska a Jižní Koreje. Oproti roku 2010 obsadili o třetinu větší výstavní plochu. Obdobné konstatování platí i pro vystavovatele z USA, kteří pro prezentaci svých produktů zabrali 5300 m2 plochy. Významně stoupla také účast tureckých firem zabírajících cca 4000 m2. Objektivně je možno konstatovat, že žádný jiný plastikářský veletrh nemá takový záběr a rozmanitou nabídku v představování množství inovací a nedává komplexnější přehled produktů, technologií a služeb v oboru zpracování plastů a pryže. Na následujících řádcích se pokusím poukázat na některé zajímavé aspekty loňského ročníku veletrhu K.
Vývoj směřuje k pohonům elektrickým, hybridním nebo servopohonům
Stejně jako v mnoha jiných průmyslových odvětvích i v segmentu konstrukce a výroby plastikářských strojů, a zejména vstřikovacích strojů pro zpracování plastů i pryží, neustále rostoucí ceny energií a poptávka po udržitelných zdrojích energií – což v Evropě vedlo k deformaci trhu a cen elektrické energie – často způsobují, že výrobní systémy, respektive jejich součásti, které zákazníkům vyhovovaly po mnoho let, se stávají nevhodnými a zastaralými. Po éře pohonů vstřikovacích strojů s konstantními hydraulickými čerpadly přišlo období jejich náhrady systémy s tlakem řízenými regulačními pístovými axiálními čerpadly s nakloněnou deskou, čili s proměnným geometrickým objemem poháněnými indukčními elektromotory. Koncem minulého desetiletí – cca v roce 2008 – se začínají v systému pohonů vstřikovacích strojů, kromě pohonů s regulačními axiálními pístovými čerpadly s nakloněnou deskou a plně elektrickými pohony, respektive pohony hybridními, objevovat elektrohydraulické servopohony. Obecně je možno říci, že původní hydraulické pohony vstřikovacích strojů spotřebovávají až zhruba jednu třetinu celkové potřebné výrobní energie pouze pro svůj provoz. V běžném pracovním roce vstřikovací stroj obvykle odpracuje cca 6000 provozních hodin. To při době výrobního cyklu například 60 sekund znamená cca 432 000 pracovních cyklů. Ovšem součástí pracovní doby cyklu jsou i technologické přestávky vyplývající z příslušného technologického postupu výroby konkrétního výstřiku, například doba chlazení bez tlaku. V těchto časech jsou hlavní činné části stroje v klidovém režimu. Stroj osazený regulačním axiálním pístovým čerpadlem s nakloněnou deskou, které dává proměnné množství tlakové hydraulické kapaliny pohánějící činné části vstřikovacího stroje, v takovém případě běží nepřetržitě a naprázdno. Spouštět a zastavovat uvedená čerpadla při každém pracovním cyklu není možné, a to z důvodu hrozícího přehřátí elektromotoru pohánějícího čerpadlo. A rovněž proto, že pro takový pracovní režim tento typ čerpadel není konstruován. Přebytečná energie se mění v teplo, které je nutno chladicím systémem stroje odvádět, což vyžaduje další přísun energie na chlazení vody v chladicím systému. Uvedený způsob zatížení pohonu rovněž vyvolává v důsledku běhu naprázdno nemalou spotřebu jalové elektrické energie. To všechno a také další zde neuvedené okolnosti jsou důvody, proč trend v oboru pohonu vstřikovacích strojů pro vstřikování plastů směřuje k pohonům elektrickým, hybridním nebo k servopohonům. Uvedený trend byl zřejmý již na K 2010 a K 2013 jej plně potvrdil. Na rozdíl od hydraulicky poháněných vstřikovacích strojů mají stroje s elektrickým pohonem – počátek jejich sériové výroby sahá do roku 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) a jeden pro rotační pohyb šneku (plastikace a dávkování). Celkem tedy čtyři elektrické servopohony, které jsou obvykle rotační, mohou být pro velmi rychlé pohyby i lineární. Rotační servopohony musí být doplněny převodovými mechanismy realizujícími převod rotačního pohybu na přímočarý – nejčastější převodový mechanismus tvoří šroub s kuličkovou maticí. Elektrické servopohony využívají elektrickou energii velmi efektivně, pracují na sobě nezávisle, a to pouze tehdy, když je příslušný akční člen-pohyb ve funkci.
Výrazné možnosti úspor elektrické energie
Synergickým výsledkem je dosažení úspory ve spotřebě elektrické energie o cca 20 až 60 % v porovnání s klasickými hydraulickými pohony, a to v závislosti na velikosti daného vstřikovacího stroje, charakteru vyráběného výstřiku nebo vstřikovaném materiálu. Při nasazení vstřikovacích strojů s plně elektrickým pohonem je nutno pamatovat také na jejich zvýšenou potřebu servisu, a tím sníženou životnost, a také na nutnost chlazení některých typů elektroservomotorů. Současné řešení hydraulických pohonů vstřikovacích strojů je v použití čerpadel s konstantním geometrickým objemem a proměnlivými otáčkami, která jsou poháněna elektrickými servopohony. Obvykle používaná zubová čerpadla s vnitřním ozubením mají při tomtéž geometrickém objemu až o 60 % menší vnější rozměry než axiální pístová regulační čerpadla s nakloněnou deskou. Jsou výkonnější díky větším možným otáčkám – až 4000 ot.min–1 – oproti cca max. 1500 ot.min–1 u regulačních axiálních pístových čerpadel s nakloněnou deskou s variabilním průtokem hydraulické kapaliny. Úspory elektrické energie se dosahuje především přizpůsobením činnosti čerpadla – otáček jeho motoru – aktuálně požadovanému výkonu a množství tlakové hydraulické kapaliny. Protože je během technologických přestávek v činnosti hydraulických spotřebičů stroje požadovaný tlak a průtok hydraulické kapaliny nulový, stejně jako u elektrických pohonů, čerpadlo se v těchto fázích automaticky zastaví. K další úspoře dojde zmenšením počtu řídicích hydraulických prvků – odpadají například řídicí proporcionální ventily nebo servoventily, zůstávají rozvaděče pro přesun hydraulické kapaliny za a před píst hydromotoru pro změnu směru jeho pohybu. Tím se sníží tepelné namáhání hydraulických olejů, což vede k jejich větší životnosti, ke snížení jejich oteplení, a tedy k menším nárokům na jejich chlazení. Na rozdíl od plně elektrických vstřikovacích strojů mají uvedené stroje s elektrohydraulickými servopohony standardní možnost připojení hydraulických tahačů jader, vyhazovacích systémů vstřikovacích forem a hydraulicky ovládaných jehel horkých trysek kaskádových nebo sekvenčních nebo zažehlovacích vtokových systémů, tzv. on board, tj. bez potřeby externího hydraulického agregátu, který je potřebný u plně elektrických pohonů. Hodnocení energetické účinnosti vstřikovacích strojů V roce 2013 byla provedena, zatím poslední, korekce v normě EUROMAP 60 (European Committee of Machinery Manufacturers for the Plastics and Rubber Industries). První edice doporučující normy byla publikována již v dubnu roku 1995 – Version 1.0 – druhá edice v červnu 2009 – Version 2.0 – a třetí v lednu 2013 – Version 3.0. Poslední, loňská revize rozdělila normu na dvě části: » Euromap 60.1 Injection Moulding Machines – Determination of Machine Related Energy Efficiency Class – Vstřikovací stroje – Zařazení vstřikovacích strojů do příslušné třídy podle jeho energetické účinnosti » Euromap 60.2 Injection Moulding Machines – Determination of Product Related Energy Consumption – Vstřikovací stroje » Stanovení spotřeby energie v závislosti na výrobě Obě doporučující normy jsou snahou plastikářského průmyslu přizpůsobit svůj obor celosvětovému tažení za trvale udržitelný rozvoj, což bylo i jedno z nosných témat na K 2013 v oblasti plastových materiálů. Z vystavovatelů na K 2013 měla na svých strojích zařazení strojů podle Euromap 60 například firma Wittmann Battenfeld.
Euromap 60.1
Toto doporučení na základě měření a výpočtu konkrétní měrné spotřeby elektrické energie bez vlivu vstřikovací formy, materiálu a výstřiku zařazuje konkrétní vstřikovací stroj do příslušné energetické třídy od 1. do 10. třídy. Přitom měrná spotřeba energie v první třídě je větší než 1,50 kWh.kg–1 a ve třídě desáté menší nebo rovna 0,25 kWh.kg–1. V normě je popsáno konkrétní měření měrné elektrické spotřeby, a to jak pro standardní vstřikovací stroje, tak i pro rychloběžné stroje, včetně opravného koeficientu pro stroje s malým průměrem šneku – menším než 25 mm. Pro vstřikování se podle uvedené normy používá neplněný polypropylen s indexem toku taveniny od 20 do 25 g / 10 minut při 230 °C a zatížení 2,16 kg. Teplota jednotlivých pásem vstřikovací jednotky je 220 °C +/– 5 °C. Výsledkem zkoušky je zařazení vstřikovacího stroje do příslušné kvalifikační třídy udávající energetickou efektivitu vstřikovacího stroje porovnatelnou s efektivitou strojů od jiných výrobců, což dává potencionálním zákazníkům možnost posouzení a zařazení takového kritéria mezi výběrové parametry při současném environmentálním přístupu k dané problematice. Euromap 60.2 Tato doporučující norma definuje stanovení spotřeby elektrické energie pro konkrétní stroj, pro daný výstřik vyráběný optimálním výrobním procesem. Vstřikovací stroj je rozdělen do pěti bloků, které jsou hodnoceny odděleně: » blok 1 – pohon stroje a řídicího systému » blok 2 – mechanismy formy – hydraulické tahače, vyhřívání formy atp. » blok 3 – topení plastikační jednotky » blok 4 – periferní jednotky trvale vázané na stroji » blok 5 – periferní jednotky variabilní – vázané na konkrétní výrobní proces, například sušárny, temperační zařízení, dopravníky, horké rozvody atd.
Norma mezi spotřebiče energie řadí: » všechny pohony použité pro zavírání a otevírání formy, zamykání a odemykání formy, vyvolání uzavírací a otevírací síly, včetně pohybů a síly pro vyhození výstřiku z formy, měřicí zařízení stroje, vstřik – přímočarý pohyb šneku, vstřikovací tlak, plastikaci – rotační pohyb šneku, zpětný odpor na šneku » řídicí systém stroje » vnitřní zařízení stroje – například chlazení elektronických prvků, mazací systém, chlazení hydraulické kapaliny, ohřev, případně chlazení plastikační jednotky Dokument s výsledky zkoušky musí obsahovat data o konkrétním vstřikovacím stroji, procesní data, včetně údajů o materiálu, výstřiku, formě, data o použitých měřicích zařízeních, výsledek měření a data o zákazníkovi a výrobci výstřiku. Jedná se tedy o mezi sebou neporovnatelná měření konkrétní výroby za definovaných parametrů platných pro všechny, kteří se normou řídí. Lubomír Zeman