Możliwości oszczędzania energii we współczesnych wtryskarkach

Wiodące technologie przetwórstwa tworzyw sztucznych w tym także wtryskiwanie są procesami o charakterze termicznym, co wiąże się ze stosunkowo wysokim zużyciem energii na kilogram przetworzonego surowca(kWh/kg).

Wymagania rynku zmierzające do obniżki kosztów wytwarzania przy sukcesywnie wzrastających cenach energii w ostatnich latach sprawiły, że zagadnienia oszczędzania energii zyskały najwyższy priorytet wśród producentów wtryskarek, form, urządzeń peryferyjnych jak i przetwórców tworzyw.

Wtryskownie zużywają najwięcej energii wśród zakładów przetwórstwa tworzyw ponieważ:

• w procesach wtrysku przetwarzane jest ok.1/3 wytwarzanych tworzyw sztucznych,
• wtryskarki są najliczniejszą grupą maszyn przetwórczych,
• proces wtrysku ma charakter cykliczny i niekorzystny(wysoki wobec innych technologii) wskaźnik zużycia energii, który wynosi 0,9-1,6 kWh/kg z czego ok.50% to zużycie maszynowe

Ponadto należy wziąć pod uwagę to że:

• cena zużytej energii stanowi istotny koszt zmienny, zwykle trzeci po tworzywie i płacach, a często drugi,
• ceny energii w Polsce są w miarę stabilne, ale wykazują tendencje wzrostowe,
• prognozy cenowe dla energii elektrycznej w Polsce są bardzo niekorzystne,
• siła nabywcza energii w Polsce mimo niskich cen jest słaba.

Te argumenty motywują do podejmowania działań zmierzających do zmniejszania zużycia energii. W każdej wtryskowni nawet niewielkie ograniczenia zużycia energii dają wymierne korzyści finansowe.

Wysokie zużycie energii podczas wtryskiwania wynika z cyklicznego przebiegu procesu i powoduje zróżnicowane zapotrzebowanie na energię oraz duże straty podczas biegu jałowego. Natomiast duże zróżnicowanie wskaźnika zużycia energii na kg tworzywa wynika z dużej różnorodności procesów, rodzajów tworzyw, wtryskarek, form, urządzeń peryferyjnych oraz parametrów procesu i braku właściwej optymalizacji pod względem energetycznym.

Sumitomo(SHI)Demag - producent wtryskarek od wielu lat jako priorytet traktuje wytwarzanie energooszczędnych maszyn i pod tym względem jest liderem w Europie. Wysokie koszty energii i duża energochłonność wtryskarek spowodowały podjęcie szeregu działań, które zaowocowały tym, że technika napędów wtryskarek w ostatnich latach uległa zdecydowanej zmianie. Najważniejsze zmiany to wprowadzenie napędów hybrydowych i elektrycznych oraz szerszy wybór opcji napędu głównego dla napędów hydraulicznych. W ostatnich dekadach zostały wprowadzone nowe serie wtryskarek hybrydowych (szybkobieżnych), elektrycznych i hydraulicznych wyposażonych w energooszczędne napędy i opcje wyposażenia pozwalające monitorować zużycie energii. Ponadto konstrukcje wtryskarek są na bieżąco modernizowane i usprawniane pod kątem obniżania zużycia energii.

Aktualnie na rynku i w ofercie Sumitomo-Demag dostępne następujące opcje napędów wtryskarek:

• hydrauliczne
  - pompa o zmiennej wydajności / silnik elektryczny o stałych obrotach (stosowany tylko w niektórych wtryskarkach 2K),
  - pompa o zmiennej wydajności / silnik elektryczny o zmiennych obrotach (stosowany w maszynach dużych od 500-1500T),
  - pompa o stałej wydajności/ silnik elektryczny serwo (stosowany w maszynach średnich od 160-420T),
• hybrydowe różne kombinacje napędów np. elektryczny napęd ślimaka + hydraulika (stosowany jako standard w maszynach szybkobieżnych i jako opcja w pozostałych wtryskarkach hydraulicznych,
• w pełni elektryczne
  - silniki synchroniczne z przekładniami (stosowany w niektórych maszynach średnich od 220 do450T),
  - silniki High Torque(wysokomomentowe, bezprzekładniowe)(stosowany we wszystkich maszynach małych 50-180T.

W Europie dominują wtryskarki hydrauliczne i hybrydowe, a udział wtryskarek elektrycznych wynosi niewiele ponad 20%. Pod względem energochłonności najkorzystniej wypadają wtryskarki hybrydowe i elektryczne, gdzie obciążenie podstawowe jest znacznie niższe(silniki pracują gdy jest to wymagane).

Rozwiązania pro-energetyczne w naszych maszynach

We wszystkich typach maszyn stosujemy rozwiązania pozwalające na efektywne obniżanie energii.

ActiveDrive czyli energooszczędna koncepcja napędu dla maszyn hydraulicznych - to układ pozwalający na zmniejszanie zużycia energii we wtryskarkach hydraulicznych z pompą zmiennego lub stałego wydatku. Do napędu pomp stosowane są silniki elektryczne o regulowanej liczbie obrotów oraz silniki serwoelektryczne. W układzie napędowym znajduje się dodatkowy moduł falownikowy, który reguluje obroty silnika napędzającego pompę.

W pełni elektryczny napęd dozowania w maszynach hydraulicznych zalecamy ponieważ:
- proces uplastyczniania tworzywa zużywa najwięcej energii podczas pracy wtryskarki,
- silniki hydrauliczne (także nowoczesne) mają stosunkowo małe współczynniki sprawności.

Dlatego najkorzystniejszym rozwiązaniem jest w pełni elektryczny napęd dozowania.
- stosujemy napędy bezpośrednie, które nie wymagają przekładni,
- stopnień sprawności dzięki temu zostaje praktycznie podwojony,
- niezależny napęd umożliwia pracę równoległą (skracającą cykl) układu uplastyczniania,
- oszczędności energii sięgają 30%.

Kolanowy układ zamykania (stosowany w wszystkich typach naszych maszyn) umożliwia:
- wysoką prędkość i dynamikę tylko dzięki zainstalowanej niskiej mocy,
- poprzez mechaniczne przekładnie zmniejsza się potrzebna ilość oleju,
- bezpieczne zamykanie bez dodatkowego zapotrzebowania na energię,
- rezerwę siły zamykania (co najmniej 10% powyżej nominalnej siły zamykania),
- bardzo wysokie siły otwierania (zwykle powyżej 20% nominalnej siły zamykania),
- bardzo dobre przenoszenie siły na płytę ruchomą,
- bardzo wysoka sztywność maszyny,
- mniejsze zużycie energii o ok. 15%.

Prowadzenie liniowe płyty ruchomej (stosowany w wszystkich typach naszych maszyn) z wózkami prowadzącymi zapewnia:
- minimalne opory tarcia (występuje tu tylko tarcie toczne) i optymalną równoległość płyt (0,15 mm) nawet w przypadku ciężkich form,
- większą szybkość (krótsze czasy cyklu) oraz dokładność prowadzenia,
- redukcję zużycia formy wtryskowej,
- czystość produkcji (brak kontaktu płyty z kolumnami),
- redukcję czasu potrzebną na konserwację,
- mniejsze zużycie energii rzędu 2-4%.

Napędy we wtryskarkach w pełni elektrycznych - stosujemy tu 2 typy napędów:
- we wtryskarkach o sile zamykania do 200T są to napędy bezpośrednie (silniki High Torque),
- we wtryskarkach o sile zamykania powyżej 200T są to napędy pośrednie (silniki synchroniczne).

Kolejnym rozwiązaniem pro-energetycznym we wtryskarkach elektrycznych są przekładnie śrubowe kulkowe stosowane w napędach głównych. Mają one wysoki współczynnik sprawności (o wartości nawet ƞ= 0,93) zamiast stosowanych także we wtryskarkach elektrycznych przekładni planetarnych (ƞ=0,7).

Dzięki zastosowaniu napędów w pełni elektrycznych z silnikami wysokomomentowymi (High Torque) oraz przekładni śrubowych kulkowych zdecydowanie poprawiła się sprawność układów napędowych we wtryskarkach.

Ogrzewanie cylindra - do ogrzewania cylindrów stosujemy tak jak większość producentów wtryskarek tradycyjne grzałki opaskowe, a zmniejszenie zużycia energii jest realizowane przez koce izolacyjne, które ograniczają straty ciepła do atmosfery. Zalety takiego rozwiązania to
- mniejsze zużycie energii do 40% (praktycznie 25-30%),
- szybki zwrot inwestycji,
- łatwe doposażenie już użytkowanych maszyn.

Technologia wtryskiwania i eksploatacja

Nawet najlepsza konfiguracja gniazda produkcyjnego nie zapewni niskiego zużycia energii bez właściwego ich wykorzystania. Ze strony użytkowników działaniami zmierzającymi do obniżenia zużycia energii jest  stałe monitorowanie i optymalizacja procesów wtryskiwania.

Od strony energetycznej cykl wtryskiwania dzieli się na dwa elementy:

• obciążenie podstawowe(tj. energia zużywana na biegu jałowym, np. podczas chłodzenia),
• obciążenie procesowe(tj. energia zużywana do realizacji zadań technologicznych wtrysku).

W przypadku standardowych maszyn hydraulicznych obciążenie podstawowe może znacznie przekraczać 50% całkowitego zużycia energii. Natomiast dla maszyn elektrycznych i hybrydowych obciążenie to wynosi tylko 10-20%. Obciążenia we wtryskarce można zbadać mierząc pobór energii. We wtryskarkach pobierana energia jest wykorzystywana do: uplastycznienia, ogrzewania cylindra, zwierania i ruchów formy, wtrysku, docisku, napędów wyrzutnika i rdzeni oraz ruchów agregatu wtryskowego.

Pomocą dla użytkowników wtryskarek jest oferowana przez nas opcja ActiveEcon (dostępna we wszystkich typach naszych maszyn). Opcja ta pozwala nie tylko na pomiary zużycia energii on-line i ich rejestrację, ale oferuje również inne bardziej zaawansowane możliwości, a mianowicie:

• po wprowadzeniu danych jak: waluta, cena energii i materiału oraz czasu pracy maszyny obliczane są bieżące koszty zamówienia,
• podczas monitorowania przebiegu cyklu wtrysku korzystając z wykresów zużycia energii w jego poszczególnych fazach można optymalizować proces dostosowując jego ustawienia np. temperatury i profil cylindra, prędkość wtrysku, przeciwciśnienie, siłę zamykania, ciśnienie i czas docisku, czas chłodzenia, obroty ślimaka do optymalnych energetycznie wartości zachowując przy tym wymaganą jakość wyprasek.

Podsumowanie

Zużycie energii w procesach wtryskiwania dotyczy nie tylko samej wtryskarki, ale ma także miejsce w innych źródłach. Dlatego, aby prowadzić oszczędzanie energii w sposób racjonalny i efektywny należy robić to kompleksowo. Inaczej mówiąc we wtryskowni powinien istnieć zorganizowany system analizowania zużycia energii. System szeroko rozumiany obejmujący pomiary, rejestrację pomiarów, monitoring procesów i optymalizację istotnych pod względem energetycznym parametrów oraz stały profesjonalny nadzór nad prawidłowym funkcjonowaniem całości działań.

Aby uzyskiwać możliwie najniższe zużycie energii w procesach wtryskiwania należy dokładnie przeanalizować wszystkie czynniki mające wpływ na jej wielkość i rozpocząć analizę energetyczną (o ile to możliwe) już na etapie konstruowania wypraski.

Podsumowując można stwierdzić, że:

• podstawowym warunkiem efektywnego oszczędzania energii w procesach wtrysku jest jej pomiar, ewidencja i analiza poszczególnych źródeł poboru energii,
• w analizie zużycia energii należy uwzględnić wszystkie źródła jej poboru podczas procesu wtrysku, pamiętając że ilość energii zużywanej przez wtryskarkę wynosi tylko ok. 50% całości,
• wiedza uzyskana w wyniku monitorowania zużycia energii w procesach wtrysku powinna stanowić element analizy przy zakupie nowych maszyn i wyposażenia, ponieważ razem z nową wtryskarką kupujemy energię na cały okres jej użytkowania.
  

Andrzej Zwierzyński