Ekonomick� a ekologick� v�hody elektrick�ch pohonov v ultrazvukov�ch zv�rac�ch strojoch

Ji� tak velmi ú�inný proces spojování pomocí ultrazvukové technologie, známý svými krátkými �asy procesu a cyklu, je ješt� efektivn�jší pomocí servo-elektrického pohonu a výsledkem je zlepšení kvalitu svaru plastové sestavy díl�.

Jak malé série, které se �asto vyráb�jí na ru�ních pracovištích, tak i velká výrobní mno�ství, pro jejich� výrobu jsou pou�ité p�edsuvné jednotky nebo Inline moduly které se pou�ívají v automatizovaných výrobních procesech, mohou být vyráb�na za velmi nízké náklady. Pohled na podrobnosti stojí za to, aby bylo mo�né identifikovat a vyu�ít další potenciál úspor.

Jedním z t�chto potenciál� je technologie pohonu v ultrazvukových sva�ovacích strojích. Zatímco mechanické vibrace pou�ívané pro sva�ování jsou generovány piezzo-keramikou, sva�ovací jednotka je stále primárn� pohán�na pneumaticky.

V posledním desetiletí se elektrické servomotory etablují jako moderní, dynamické a vysoce p�esné pohony a díky své ú�innosti za�ily široké p�ijetí ve výrob�.

Následující výhody vyplývají z elektricky pohán�ných ultrazvukových stroj� a systém�:

+ Rozší�ená, vylepšená parametrizace a kontrola sva�ování nebo �ezání aplikací prost�ednictvím procesu �ízeného rychlostí
+ Vysoká dynamika s p�esným obráb�ním a reprodukovatelností
+ Udr�itelné sni�ování provozních náklad�

Výsledné výhody postupn� p�inášejí zm�nu sm�rem k servo-elektrických pohon�m i tam, kde v sou�asné dob� stále dominuje servo-pneumatika, i tam dojde v p�íštích letech k jasnému p�evratu, jak je ji� známo z jiných pr�myslových odv�tví.

Sva�ovací procesy - �ízené rychlostí versus sílou

Sílou �ízený proces sva�ování (typický re�im sva�ování pro pneumatické a servo-pneumatické pohony)
Proces sva�ování je navr�en tla�ením do sva�ované sou�ásti. Rychlost tavení a výsledný pr�b�h sva�ování jsou výsledkem akustických reakcí sva�ované �ásti a tvo�ení taveniny. Úpravy v procesu sva�ování se provád�jí prost�ednictvím bod� zm�ny p�ítlaku v závislosti na dráze sva�ování, �ase, energii, výkonu nebo absolutní poloze.

Rychlostí �ízený proces sva�ování (u servo-elektrických pohon� je preferován nový re�im sva�ování)
Dráha sva�ovací �ásti procesu je dána otá�kami �ízeným pohonem ultrazvukového sva�ovacího stroje. Sva�ovací síly generované v procesu jsou výsledkem akustických reakcí sva�ované sou�ásti, rychlosti sva�ování a tvorby taveniny. Mo�né profilování rychlosti se p�ednostn� provádí p�epínacími body závislými na poloze. Alternativn� m��e p�epínání probíhat dle funkce �asu, energie, absolutní polohy a síly.

Rychlostn� �ízené sva�ovací procesy p�esn� �ídí tvorbu taveniny a jsou mén� citlivé na nekonformní chování p�i sva�ování.

Ultrazvukové sva�ovací stroje m�li tradi�n� pneumatické, poté �áste�n� také servo-pneumatické pohony, které v malé mí�e mohou napodobovat n�kolik mo�ností elektrických pohon�, jako je výb�r startovací polohy v rámci celkového zdvihu. To však vede ke zvýšené spot�eb� stla�eného vzduchu b�hem provozu i pohotovostním re�imu, i kdy� nedochází k �ádné výrob� v d�sledku stálé aplikace stla�eného vzduchu souvisejícího s provozem systému a net�sností pneumatického systému.

Stla�ený vzduch je jedním z nejdra�ších p�enaše�� energie ve výrobních závodech a krom� technické infrastruktury pro výrobu, �išt�ní, sušení a distribuci vy�aduje vysoké elektrické výkony, proto�e ú�innost p�i výrob� je nízká a je t�eba energii kompenzovat. Náklady rostou s úrovní tlaku po�adovaného v napájecím rozvodu. Z tohoto d�vodu se mnoho spole�ností sna�í omezit tlak v systému na maximáln� 6 bar�. To však sni�uje mo�ný rozsah sva�ovací síly a tím i rozsah pou�ití pneumatického ultrazvukového sva�ovacího systému.

Náklady na stla�ený vzduch se obvykle pohybují v rozmezí 1,5 a� 2,7 centu za Nm³ p�i 6 barech.

Typický servo-pneumatický pohon s pr�m�rem válce 63 mm a zdvihem 150 mm spot�ebuje p�i klidovém stavu stroje p�i p�ívodním tlaku 6 bar� p�ibli�n� 0,85 Nm³ / h. Tím však lze dosáhnout pouze sva�ovacích sil do maximáln� 1 700 N, aby bylo mo�né dosáhnout sva�ovacích sil a� p�ibli�n� 2 400 N, je nutné takové systémy tlakovat p�ívodním tlakem vyšším ne� 8 bar, co� zvyšuje spot�ebu vzduchu p�i klidovém stavu na 1,5 a� 1,6 Nm³ / h.

V procesu ultrazvukového sva�ování je spot�eba vzduchu výsledkem pojezdového pohybu, sva�ovacího zdvihu a po�adovaných sva�ovacích sil.

V názorném sva�ovacím procesu se 140 mm sva�ovacím zdvihem, tj. p�ísuvným pohybem, s parametry procesu 750 N spoušt�cí silou a 1 500 N sva�ovací a p�ídr�nou silou a souvisejícími �asovými parametry 0,5 s doba sva�ování a 1 s doba p�idr�ení spot�eba na sva�ovací cyklus je p�ibli�n� 0,0071 Nm³ p�i vstupním tlaku 8 bar.

Pokud vezmete tyto hodnoty a pou�ijete je ve výrobním prost�edí, ve kterém je na manuálním pracovišti sva�eno 15 díl� za minutu a výroba probíhá 7 hodin denn�, výsledkem je spot�eba vzduchu p�ibli�n� 45 Nm³.

V automatizovaném výrobním prost�edí, které produkuje rychlostí 30 cykl� za minutu ve 3 sm�nném provozu, je spot�eba vzduchu 310 Nm³ za den.

Pokud se p�edpokládá pr�m�rný nákladový faktor 2 centy na Nm³ stla�eného vzduchu po dobu 5 pracovních dn� po dobu 50 týdn�, vzniknou náklady na stla�ený vzduch 225 eur pro manuální pracovní stanici a 1 550 eur pro automatizovaný výrobní systém.

Tyto náklady vznikají výhradn� za pohyb pneumatického pohonu a zajišt�ní po�adovaných sva�ovacích sil. Elektrická energie pro �ídicí, vizualiza�ní a bezpe�nostní technologii, jako� i pro generování ultrazvuku zde není p�edm�tem úvah.

Moderní ultrazvukové sva�ovací stroje s elektrickými pohony pot�ebují pouze 0,000173 kWh pro srovnatelné procesy ultrazvukového sva�ování (klid, pohyb, nár�st síly).

Na základ� typické sou�asné pr�m�rné ceny pr�myslové elekt�iny pro rok 2020 ve výši 19 cent� za kWh (Statista GmbH, 2020) jsou náklady na energii 52 EUR pro manuální pracovní stanici a 355 EUR pro vysokorychlostní automatizovaný systém výroby výsledek sva�ovacího procesu vysv�tlen jako p�íklad.

Spole�nosti musí ka�dé �ty�i roky provést energetický audit pomocí kvalifikovaných a akreditovaných energetických auditor�.

Studie poradenské spole�nosti PwC ukazuje, �e mezi st�edn� velkými spole�nostmi ve všech odv�tvích byla více ne� t�etina z nich schopna sní�it náklady na energii v efektivních výrobních systémech o 20 procent a více prost�ednictvím investic. Vysoká energetická ú�innost produkt� a proces� bude v p�íštích n�kolika letech klí�ovým faktorem odlišujícím se od konkurence. (WEIMER MEDIA GmbH, 2021)

Krom� toho je na základ� opat�ení na úsporu energie také mo�né získat dotace, které podporují spole�nosti s jejich investicemi.

Servo-elektrický pohon ve srovnání se servo-pneumatickým pohonem šet�í náklady na energii 4/5 - Servo-elektrický pohon sní�í emise CO2 o 80%

Krom� rozší�ených mo�ností pro konstrukci vysoce p�esných ultrazvukových sva�ovacích proces� nabízejí elektricky pohán�né systémy významný potenciál úspor, pokud jde o energii pot�ebnou pro hnací pohyby a nár�st výkonu, a tak významn� p�ispívají ke sní�ení stopy CO₂ ve výrob�. V neposlední �ad� není nutné investovat do infrastruktury pro výrobu, skladování a správu stla�eného vzduchu pro nová výrobní prost�edí.

Potenciál pen�ních úspor servo-elektrických ultrazvukových sva�ovacích stroj� je ve srovnání s pneumatickými nebo servo-pneumatickými ultrazvukovými sva�ovacími stroji kolem 80%.

Ekologický potenciál: Zvyšování klimatické neutrality a sni�ování spot�eby surovin sní�ením emisí CO2 o 80%.