Ekodesign ve stavbě výrobních strojů (obráběcí stroje) I.

Hned v úvodu musíme konstatovat, že problém ekodesignu má v oboru výrobních strojů dvě stránky. Jednou je stránka formální, stránka předpisů a práva, a tou druhou je stránka technická a odborná. Samozřejmě, že by spolu tyto dvě oblasti měly souviset, avšak k jejich přibližování teprve dochází. Můžeme konstatovat, že právě nyní jsme v období, kdy se tematika a zanedlouho jistě celá branže a odbornost, nazývaná ekodesign výrobních zařízení, teprve rodí, formalizuje a hledá obrysy. V následujícím se pokusíme stručně charakterizovat co je to ekodesign a dopady výrobních zařízení (strojů) na životní prostředí, jaké kroky ve věci zavádění pravidel v této oblasti koná Evropská unie a jak je v této aktivitě činný obor výrobních strojů v ČR.

Co je to ekodesign?

Obecně lze ekodesign definovat jako systematický proces navrhování a vývoje výrobku, který vedle klasických vlastností, jako je funkčnost, ekonomičnost, bezpečnost, apod., klade velký důraz na dosažení minimálního negativního dopadu výrobku na životní prostředí, a to z hlediska jeho celého životního cyklu. Pod pojmem životní cyklus (LCLife Cycle) výrobku se přitom rozumí všechna stadia života výrobku od získávání surovin potřebných k jeho výrobě, přes výrobu materiálů, výrobu vlastního výrobku a používání výrobku včetně likvidace použitého, již nepotřebného výrobku.
Obecně se má za to, že hlavními zásadami ekodesignu jsou:

1. prosazování bezpečných produktů a služeb (z hlediska zdraví člověka i z hlediska dopadů na životní prostředí);
2. ochrana biosféry (minimalizovat únik jakékoliv látky, která by mohla poškodit ovzduší, vodu nebo půdu);
3. udržitelné užívání přírodních zdrojů (užívat obnovitelných přírodních zdrojů);
4. snižování odpadů a zvyšování recyklace (dbát na trvanlivost, přizpůsobivost, opravitelnost a možnost recyklace výrobků);
5. moudré užívání energie (zavádět prostředky pro úspory energie všude, kde to je možné);
6. snižování rizika (minimalizovat environmentální a zdravotní riziko jak svých zaměstnanců, tak i zákazníků);
7. předávání informací (vedoucí k efektivnímu využívání nejvhodnějších materiálů a procesů).

Pokud bychom chtěli přistoupit odpovědně k ekodesignu výrobních strojů, pak bychom se měli začít zabývat všemi uvedenými zásadami a oblastmi ekodesignu najednou. Je však možné se pokusit zacílit svoji ekodesignovou aktivitu pouze na ty oblasti, které jsou nejvýznamnější. Je možné provést jakousi citlivostní analýzu a zjistit, co v celkovém životě stroje způsobuje nejvýznamnější negativní dopady na životní prostředí. Takovou, dnes již by se dalo říci standardní analýzou, je tzv. analýza dopadu na životní prostředí, častěji označovaná LCA analýza, resp. Life Cycle Assessment nebo také Life Cycle Analysis. Tato analýza výrobku, v našem případě stroje, bere v úvahu procesy od těžby nerostných surovin přes dopravu, výrobu se všemi jejími subdodávkami, užitím stroje až ke konečnému zpracování stroje jako odpadu (viz diagram na obr. 1).

Obr.1: Schéma základních fází životního cyklu stroje (obecně výrobku) se zjednodušeným
vyznačením hodnocených vstupů a výstupů během LCA analýzy

Analýza pak zohledňuje energetické a surovinové náklady, jejich dopad na životní prostředí (zejména emise do ovzduší, vody a půdy) v každé z uvedených tří fází života stroje: výroba, užívání a likvidace. Podrobnější výklad problematiky, odborné odkazy a odkazy na legislativu je možné nalézt např. na www.lca. cz nebo v publikaci „Posuzování životního cyklu“, která vyšla v červnu 2009 a jejímž autorem je doc. Ing. Vladimír Kočí, Ph.D. Pro další úvahy bude zajímavé prezentovat výsledky LCA analýz celkem devíti frézovacích a soustružnických strojů, které nechalo roku 2009 zpracovat CECIMO (evropské sdružení výrobců výrobních strojů) u německé společnosti PE International (www.pe-international.com) [1].

Obr. 2: Podíl jednotlivých fází života stroje na produkci negativních faktorů. (pozn.: zpracováno pro 9 frézovacích a soustružnických strojů společností PE International na základě metodiky Institute of Environmental Sciences, University of Leiden, NL, 2007, předpokládaná životnost strojů byla 20 let).

Na obr. 2. je diagram, který zachycuje jak se na produkci/emisi jednotlivých negativních faktorů podílí fáze výroby stroje (machine production), fáze užití stroje (use phase) a fáze likvidace stroje (end of life). Z diagramu je patrné, že na produkci všech negativních faktorů má nejvýznamnější vliv fáze užití strojů.

Obr. 3: Podíl spotřebované el. energie, hydraulických olejů a řezných emulzí na produkci negativních faktorů během fáze užití strojů (pozn.: zpracováno pro 9 frézovacích a soustružnických strojů společností PE International na základě metodiky Institute of Environmental Sciences, University of Leiden, NL, 2007, předpokládaná životnost strojů byla 20 let). 

Na obr. 3 je pak diagram, který ilustruje, jak se během fáze užití stroje, tedy jeho uplatnění ve výrobě, podílí na jednotlivých negativních faktorech spotřeba el. energie, hydraulického oleje a emulzní mazání. Z uvedeného diagramu je evidentní, že nejvýznamnější je negativní vliv spotřebované energie.

Z uvedených příkladů výsledků LCA analýzy pro konkrétní skupinu strojů je patrné, že na začátku snah o správné nasměrování ekodesignových aktivit by mělo dojít pomocí LCA k určení oblastí, na které je třeba se primárně zaměřit. Z uvedeného příkladu plyne, že pro zkoumané stroje je velmi důležité se zaměřit především na řešení snižování energetické spotřeby strojů během jejich aktivního nasazení ve výrobě. Řešení ostatních témat, jako jsou výpary do ovzduší, průsaky, hlučnost atd. se jeví vzhledem ke spotřebě el. energie jako méně významné. Uvedené výsledky neplatí obecně a pro každý druh výrobního stroje včetně související typické technologie výroby, která bude během jeho životnosti na stroji probíhat, je třeba provést LCA samostatně. Je naprosto evidentní, že relevantní provádění LCA analýz vede k potřebě získat a znát o stroji a technologii řadu detailů, které jsme zatím většinou nezkoumali a nevěnovali jim pozornost. Lze odhadnout, že jen získání potřebných vstupních dat pro základní LCA analýzu středně složitého obráběcího stroje může velmi zkušenému technikovi (vývojář stroje) spotřebovat 60-100 h. Teprve pak následuje provedení LCA.

S jistotou lze tvrdit, že seriozní řešení tématu ekodesignu ve firmách dodavatelů výrobních strojů si časem bude vyžadovat kapacitu nejednoho pracovníka, a to i v případě spolupráce s externími firmami, které budou provádět LCA analýzy dle standardních metodik.

Proč se o ekodesignu výrobních strojů začínáme bavit aneb plány evropské komise

Dlouhodobým strategickým cílem Evropské unie je snižování zátěže životního prostředí. Jedním z prostředků pro pozitivní ovlivňování vývoje udržitelnosti (pozn.: ono se často říká jen udržitelnosti, ale skutečně jde vlastně o udržení lidské civilizace na planetě pokud možno co nejdéle) je uplatňování evropského zákona, resp. direktivy 2005/32/EC (označované Eco-design of Energyusing Products Framework Directive - the EuP Directive). Tento zákon ustavuje rámec ekodesignových požadavků na výrobky spotřebovávající energii (označované EuP Energyusing products). Proto, aby mohl být tento zákon uplatňován, musí Evropská komise vydat „prováděcí předpisy“, a to vždy pro určitou oblast produktů, výrobků. Postupně od roku 2006 zavádí EC (Evropská komise) prováděcí předpisy, resp. pravidla hodnocení ekodesignu pro různé druhy výrobků spotřebovávající energii.

Veškeré vázané problémy v této oblasti řeší část Evropské komise, nazvaná „Directorate-General for Energy“ a podrobnosti je možné nalézt na http://ec.europa.eu/dgs/energy/. 

Proto, aby EC mohla vyhlásit příslušná konkrétní pravidla pro hodnocení ekodesignu, musí tato pravidla vzniknout. Cesty ke vzniku těchto pravidel jsou v principu dvě, a to pomocí specifické studie nebo pomocí samoregulační iniciativy v oboru. V našem oboru výrobních strojů, „machine tools“, vyhlásila EC v loňském roce 2009 veřejnou soutěž (Call for tender) na dodavatele studie. Vítězem této soutěže, se kterým EC uzavřela smlouvu o vypracování studie a návrhu metodiky pro hodnocení ekodesignu výrobních strojů, je Fraunhoferův IZM a Fraunhoferův IPK institut v Berlíně. Hlavní informace k řešení tohoto úkolu zveřejnil institut na http://www.ecomachinetools.eu/. Druhou z uvedených možností, jak mohou vzniknout pravidla pro regulaci a hodnocení ekodesignu, je využití samoregulace v oboru (SRI Self-Regulation Initiative). Evropské sdružení výrobců výrobní techniky CECIMO zahájilo na konci roku 2008 poměrně intenzivní práce na přípravě vlastní strategie hodnocení a regulace ekodesignu (SRI), které vrcholily v průběhu roku 2009 (viz http://www.cecimo. eu/index.php/ecodesign-eup/welcome. html). Následně CECIMO 17. 11. 2009 předložilo odpovědnému orgánu EC, tzv. EuP Consultation Forum (CF), výsledky své práce v oblasti samoregulace (SRI) a představilo vlastní návrh metodiky pro hodnocení ekodesignu výrobních strojů. Tento expertní orgán (EuP Consultation Forum) iniciativu CECIMO velmi ocenil, ale přesto nepřijal jako hlavní plán získání podkladů pro budoucí prováděcí předpisy direktivy 2005/32/EC. Dle rozhodnutí CF je řešena studie Fraunhoferovým institutem v Berlíně, ale současně je zadáno řešiteli, že musí spolupracovat s CECIMO. Tedy nyní dále musí pokračovat samoregulační oborová iniciativa CECIMO, aby vůbec CECIMO mělo vlastní argumenty a mohlo ovlivňovat práci Fraunhoferova institutu na studii pro EC. Uvedená studie, která vznikne společnou prací jak řešitele, tak CECIMO bude ukončena do konce roku 2011 a Evropská komise předpokládá, že nová pravidla hodnocení a regulace ekodesignu výrobních strojů (Machine Tools) vyhlásí a uvede v platnost v roce 2012.

Jedním z obávaných problémů, které mohou z vytvářené a následně platné legislativy plynout, je skutečnost, že bude zahrnovat celý obor „Machine Tools“. Je patrné, že šíře tohoto oboru je nesmírně veliká (mikroobrábění, těžké obrábění, tváření, elektroerozivní obrábění, stroje stolní velikosti a stroje s pohyblivými hmotami v řádu stovek tun). Dalším problémem je skutečnost, že stejný stroj využívá každý zákazník jinak a jen odlišné využití stroje vede na zcela odlišné ekodesignové ukazatele provozní fáze stroje (té nejdůležitější). Obavy všech evropských výrobců výrobních strojů jsou tedy značné a bude velmi záležet, zdali dokážou spojit finanční prostředky a koncentrovat konkrétní odbornou práci v rámci samoregulační iniciativy CECIMO, aby vůbec byli schopni k obrazu svému ovlivňovat práci na studii a také ovlivňovat příslušný direktoriát Evropské komise.

Ing. Jan Smolík, Ph.D.
vedoucí skupiny vývoje strojů a elementů VCSVTT FS ČVUT v Praze

Příklady úloh CNC programování

Vítejte v nově založené rubrice, která se v jednotlivých volně navazujících kapitolách zabývá obráběním základních konstrukčních prvků. Jednotlivé příklady na sebe nebudou přímo navazovat, avšak postupně se zaměří na hlubší rozbor jednotlivých "problémů" (např. možnosti NC prográmování, problematika volby nástrojového vybavení, optimalizace řezných podmínek atd.). Nový díl:

26.díl Dálková diagnostika(.pdf)

Akademie CNC obrábění

Akademie CNC obrábění (76)

Dnešní informativní příklad soustřeďuje svou pozornost na jeden významný nástroj v programování obráběcích strojů a center. Jedná se o tzv. CAM, což je v dnešní době velmi často užívané označení i softwaru či softwarů, které umožňují importovat grafické soubory z různých CADů, ale především umožňují na tyto grafické modely obrobků aplikovat specializované obráběcí strategie. V tomto a několika následujících stručných příkladech se sice omezíme pouze na funkce a možnosti softwaru PowerMILL, ale právě jeho prostřednictvím můžeme nahlédnout na tzv. obrábění ve 2,5D, 3D, 3+2D i na souvislé frézování v pěti osách.

Nový díl:

Akademie CNC obrábění (76)

Manipulační technika

Manipulační technika (30): Bezuličkové skladování

Systém bezuličkového skladování nabízí nejefektivnější využití disponibilní skladové plochy i skladové výšky ve výrobních fi rmách, u distribučních společností i u logistických operátorů. Kolem 85 % objemu skladu je možné zaskladnit paletami umístěnými těsně u sebe. Například systém BT Radioshuttle poskytuje ale i další prostor pro razantní snížení provozních nákladů.

Nový díl:

Bezuličkové skladování (30)