Konstrukce CNC obráběcích strojů (9)

9 Ekologické CNC obráběcí stroje

Většina problémů nastíněných v tomto 10dílném seriálu je založena na konceptu výrobce-stroj-uživatel-výrobek. Instituce a nařízení, které do tohoto vztahu vstupují, se týkají zejména bezpečnosti práce a bezpečnosti samotných zařízení. Pokud se obě strany drží nějakých norem, je to proto, aby mluvily stejnou řečí, popř. aby se shodly na nějakých standardech (nabízeného a poptávaného výrobku). Ekologické obráběcí stroje se stávají stále více předmětem zájmu tvůrců legislativy, tedy mají zájem ovlivňovat obráběcí stroje, stejně jako ovlivňují například spotřebu paliva automobilů, energetickou náročnost budov, užívání pneumatik apod. Současná legislativa Evropského parlamentu je ukryta například v „univerzálním“ nařízení s názvem: Eco-design of Energy using Products Framework Directive – the EuP Directive 2005/32/ EC a dalších. V podstatě by se měla týkat například i hracích automatů, které celé dny bezděčně blikají a topí. Problematika jakékoli výroby je spojena s tím, že spotřebovaná energie slouží k přetvoření hmoty do stavu, kdy nastává její užitek, zvyšuje se její tržní hodnota v podobě finálního výrobku (služby). Z energetického hlediska se vždy jedná o nevratný děj, kdy funguje fyzika, nikoli nějaké politické představy. Proto výrobci vyvíjejí vlastní samoregulační aktivity, aby předběhli bruselské snahy. Německý svaz výrobců obráběcích strojů VDW (Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken) zaštiťuje sdružení nazývané Blue Competence. Členové Blue Competence se věnují ekodesignu strojů, jak na aplikační úrovni (zlepšování technických objektů), tak i při působení na zmiňovanou tvorbu legislativy Evropské komise. V půlce roku 2011 bylo v iniciativě okolo 20 členů. Aktuálně se k ní hlásí 341 firem z Německa a připojují se i signatáři z dalších zemí. Součástí sdružení jsou z „historického“ hlediska známá jména, například Bosch Rexroth, Dörries Scharmann Technologie, Trumpf Werkzeugmaschinen, výrobci robotů, upínacích prvků, dále také technické univerzity, výzkumné ústavy i samotný svaz VDW. Iniciativa překročila hranice oboru obráběcích strojů, a tak zahrnuje firmy z oblasti výroby materiálů, energií, ekologie a dalších oborů.

Energetická náročnost výrobních zařízení je spojena se dvěma pojmy:

• Ecomanagement je spojení organizačních opatření, regulace, optimalizace za využití určitých, přitom mnohdy triviálních zásad
• Ecodesign je založen na technice a vhodných technických konstrukčních atd. řešeních za využití specifických zásad, které už mnohdy triviální nejsou, aby splnění cílů energetické spotřeby bylo dosaženo. Abychom ušetřili, to je mnohdy spojeno s investicemi, jejichž opodstatněnost už legislativa nedomýšlí. Výsledkem je mimo zelené ekologické nálepky číslo, které udává maximální spotřebu či dosaženou úsporu (jednotka kW), nebo módně, přitom z dosavadní lidské zkušenosti naprosto neuchopitelné, množství ušetřených kilogramů nebo tun CO2. Obráběcí stroje jsou v situaci, která by mohla být shledána paradoxem obráběcího stroje. Spočívá v tom, že celková spotřeba obráběcího stroje se skládá ze spotřeby té části, která je spojena s obráběcím procesem (vyjádřitelný v množství odebraného materiálu daných mechanických vlastností za daných podmínek v čase), a spotřeby obslužných zařízení. Jejich instalovaný výkon závisí na technologické vybavenosti stroje, která je velmi různorodá (obr. 1, zdroj Toshulin). U jednoduchých strojů jejich podíl na celkové energetické náročnosti stroje jako celku dosahuje pár procent, u komplikovaných strojů může dosahovat až 50 procent. Následně však za provozu nelze řezný proces využívat na 100 %, přitom periferie nelze odstavit a pak poměr energetické spotřeby periferií vůči stroji je o to nepříznivější. Snižování energetické náročnosti obráběcích strojů se tedy týká stroje, řezného procesu, přičemž je snahou činit ho co nejméně energeticky náročným (pokrývá geometrii břitu, hledání optimálních řezných podmínek, materiálový výzkum, poflakování, jež využívá řadu fyzikálních principů). Dalšími jsou návrh úsporných ablegátů a periferií (chlazení, mazání atd.). Tyto činnosti jsou spojeny jak s konstrukčně- vývojovými pracemi hmotných objektů, tak v nehmotné části s vytvářením modelů řízení, predikce spotřeby.

Snižování energetické náročnosti je založeno na několika principech (možnostech):

• konstrukčních, které představují návrh, vývoj, konstrukci zařízení „v duchu“ ekodesignu, zvyšování účinnosti atd.
• technologických, které jsou založeny na nahrazení jinými úspornějšími technologiemi, integrace operací, vyloučení nepotřebných operací atd. stávajících řešení
• organizačních, což se týká zejména procesů, aplikování nástrojů ekomanagementu
• technických, provozních atd. opatřeních na stávajících zařízeních, provozech atd. jsou aplikovány zásady i technická řešení jak z ekodesignu, tak ekomanagementu. Jedná se o specifickou skupinu řešených technických problémů, kdy mnohdy nelze provádět výraznější konstrukční zásahy do provozovaného zařízení.

Konstrukční a technologická opatření jsou založena na principech, které souvisejí s fyzikou (mechanikou těles). Jde například o:

• snižování pohybujících se hmot (jednoduché konstrukce, minimalizace počtu součástí, naopak kumulace a integrace funkcí jednotlivých funkcí, užití mechatroniky pro pohony)
• snižování hmotnosti (využití nekonvenčních materiálů s nízkou měrnou hustotou, přitom s vysokým modulem pružnosti, optimalizace tvaru, topologické optimalizace součástí)
• vyloučení pohybu hmot (v oblasti obráběcích strojů zatím ne zcela běžné dynamicky vyvážené obráběcí stroje, v oblasti IT technologií, například využití zcela jiných fyzikálních principů, třeba disky SSD vs. disky s rotujícími plotnami)
• zvyšování energetické účinnosti, snižování odporů (do problematiky jsou vtaženy nanotechnologie, materiálový výzkum, souvisí s tím například hustota instalovaného objemového výkonu, jež je podmíněna vývojem nových permanentních magnetů a další)
• aplikace všech technicky dostupných systémů a funkcí rekuperace el. energie (u obráběcích strojů zatím neprobádaná oblast, u velkých obráběcích strojů s pohony s direct-drive motory se jedná o velký konstrukční problém),
• potlačování vibrací a energetických nároků na potlačování vibrací (snaha o rovnoměrný chod, tlumení atd.).

Mezi organizační opatření a opatření z oblasti řízení patří:

• optimální využití prostředků, například dle principů „3 or more in 1“, jak z hlediska funkce i organizace (z trochu jiné oblasti to představuje konec segregovaných autobusů, rychlé vyhrazené pruhy pro plně obsazené automobily, stejně tak se dají nalézt příklady pro oblast obráběcích strojů)
• co neplní nějakou užitečnou funkci, je vypnuto (eskalátory, osvětlení atd. napojeny na pohybové, IR senzory, provozu jen to, co je třeba; Power Management a lepší využití NC kódu strojů pro Power Management),
• příprava nezbytného objemu a průtoku (příprava a přeprava médií, tlak, teplota, objem), kolik je nezbytně třeba (hydraulika, vzduch, emulze, hlazení)
• návrh a užití prostředků pro záznam energetické spotřeby (softwarové a hardwarové prostředky instalované na strojích a vyhodnocování dlouhodobých záznamů, fuzzy logika, neuronové sítě)
• analýza významu zrychlování a zpomalování pohybujících se hmot (řízení rozběhových ramp, výměna obrobků a nástrojů bez zastavování vřeten a další).

Jedním ze sympatických příkladů šetření konstrukce zařízení, které není jednoduše vyjádřitelné v ušetřených tunách CO2, je nabídka firmy INA. Dodává ložiska se sníženými zástavbovými rozměry. Klec a valivá tělíska mají klasické provedení, rozdíl je v provedení vnitřního a vnějšího kroužku. Ten je v podobě tenkostěnného kuželového pásu vyrobeného z ložiskové oceli (obr. 2, zdroj INA). Samozřejmě užití takovéhoto kroužku předpokládá jeho rovnoměrné zatížení, přesné obrobení dosedací plochy, zamezení kroužku proti jeho protočení (lepením) a další. Dalším rozměrově úsporným ložiskem je ložisko řady BXRE, u něhož kuličky mají seříznuté dvě protilehlé strany, čímž lze snížit celkovou šířku ložiska. Úspora těchto konstrukčních řešení je tedy materiálová. Konstrukční principy v oblasti ekodesignu strojů mnohdy přesahují obor (odbornost) výrobce obráběcího stroje. Příkladem může být provoz nádrže chladicí kapaliny a snižování její energetické náročnosti. Nepříjemným jevem při jejím neprovozování je, že se ve vodě rychle množí bakterie. Způsobují velmi nepříjemný zápach a degradaci jejích vlastností. Proto se nádrže vybavují nucenou cirkulací chladicí kapaliny, která se aktivuje zejména v noci, o víkendech atd. Cirkulaci kapaliny zajišťují přídavná čerpadla a pro jejich odbourání nezbývá než hledat řešení v chemickém průmyslu, nanotechnologiích a dalších, které jsou už výrobcům obráběcích strojů poněkud vzdáleny. S provozem obráběcích strojů i jakýchkoli jiných zařízení jsou spojeny analýzy nazývané LCA (vychází ze zkratky Life Cycle Assessment, Analysis). Jedná se o „nový“ standard v posuzování dopadů lidské činnosti, produkce, konkrétního výrobku a jejich dopadu (vlivu) na životní prostředí. Pohled na ně může být pozitivní (ochrana má i ochrana mého okolí, udržitelný rozvoj) nebo negativní (jedná se o svazující byrokracie; lobby lidí, co si zajišťují práci atd.). Praktické LCA analýzy probíhaly ve spojení se Self-Regulatory Initiative organizace CECIMO. Posuzovaly se dva typy obráběcích strojů, frézovací centra soustružnická centra 5 výrobců, celkem bylo posuzováno 9 strojů. Jejich výsledkem jsou závěry, že provoz se drtivě podílí na spotřebě energií. Na přiloženém obrázku (obr. 3, zdroj CECIMO) je odhad snižování energetické náročnosti oboru obráběcích strojů s nástupem moderních ekologicky šetrných koncepcí. Na posledním obrázku (obr. 4, zdroj Daikin) je zachycen průběh zatížení agregátu firmy Daikin, který následně slouží k optimalizaci jeho řízení z hlediska spotřeby elektrické energie. Příkladem v oblasti obráběcích center je konstruktérský úspěch nejen v oblasti snižování energetické náročnosti firmy GROB. Ta vyvinula obráběcí centrum, které neobsahuje hydraulicky řízené funkce, obvody, agregát atd., jež standardně slouží například k upínání nástrojů (upnutí nástroje je mechanické, uvolnění hydraulické). Hydraulické obvody obvykle vykonávají činnosti a plní funkce, kde je potřeba velkých akčních sil, avšak zároveň jsou spojeny s vysokými ztrátami. Jedná se o řešení stroje, jak výrobce vyzdvihuje, které je spolehlivější, funkčně rychlejší, ekologičtější. Jde o unikátní řešení výrobního zařízení založené zejména na konstrukci zejména vřetene a upínání nástrojů, které je elektro-mechanické.

Lubomír W. Novotný