Moldeig per injecció servohidràulic vs. hidràulic convencional: comparació de costos a 5 anys

Per què la màquina més barata pot costar més

Un gerent de planta de modelat a Dongguan acabava de substituir una premsa hidràulica convencional de 250 tones, antiga, per una de nova de trinca amb les mateixes especificacions. La premsa de recanvi costava menys de la meitat que una màquina servohidràulica equivalent. Divuit mesos després, la factura d'electricitat de la planta a la planta de modelat era un 6% més alta que l'any anterior: la premsa convencional consumia notablement més energia que la més antiga que havia substituït. Al final del tercer any, el cost acumulat d'electricitat de la premsa convencional havia superat el sobrepreu de la màquina servo equivalent, abans de tenir en compte el soroll, la demanda de refrigeració i l'interval de canvi d'oli. Finalment, la planta va modernitzar la premsa existent amb un sistema servo en lloc de substituir-la, i va veure com el consum d'energia es reduïa a la meitat durant el primer mes complet.

L'elecció entre el modelat per injecció servohidràulic i el convencional no és una simple decisió de "com més nou és millor". És un càlcul del cost total de propietat a 5 anys que depèn del tonatge de la màquina, el perfil del cicle, les hores de funcionament i el cost local de l'electricitat. Aquest article explica aquest càlcul en detall: com és realment la bretxa energètica, com és la bretxa de manteniment, on la màquina convencional encara guanya la seva prima i com calcular els números per a una instal·lació específica.

Com utilitza la potència una premsa hidràulica convencional

Una màquina d'injecció hidràulica convencional de bomba fixa fa funcionar un motor elèctric a velocitat constant, normalment connectat directament a la xarxa elèctrica sense un variador de freqüència. El motor acciona una bomba hidràulica de desplaçament fix, generalment una bomba de paletes o una bomba de pistons axials, que subministra un flux constant de fluid hidràulic a una pressió proporcional a la càrrega. Les vàlvules de control direccional, les vàlvules proporcionals i les servovàlvules de la màquina modulen el flux i la pressió per adaptar-se a les fases de tancament, injecció, retenció, plastificació i obertura del motlle del cicle.

El motor funciona a tota velocitat durant tot el cicle, fins i tot quan la demanda hidràulica és baixa. Durant la fase de retenció, quan la peça només necessita una fracció del cabal màxim per mantenir la pressió de la cavitat, l'excés de cabal es deriva a través d'una vàlvula de seguretat de tornada al dipòsit, dissipant l'energia en forma de calor. Durant la fase de refredament, quan no es necessita cap cabal hidràulic, excepte una petita quantitat de tonatge de subjecció, la bomba encara gira a tota velocitat, encara consumeix tota la potència, i la vàlvula de derivació encara descarrega l'excés de cabal. Aquesta és la ineficiència estructural d'un sistema de bomba fixa: el motor i la bomba funcionen en un punt de funcionament, i qualsevol desajust entre aquest punt i la demanda hidràulica real es perd en forma de calor.

La calor en si no és gratuïta. L'oli hidràulic s'ha de refredar per mantenir la viscositat i evitar l'oxidació, cosa que significa que un refrigerador d'oli separat (refrigerat per aigua o per aire) funciona contínuament, cosa que consumeix energia addicional. La demanda de refrigeració d'una premsa convencional de 250 tones en un ambient de 30 °C és substancial, normalment en el rang del 15-25% de l'entrada elèctrica de la màquina en una operació de tres torns.

Com utilitza l'energia un sistema servohidràulic

Un sistema servohidràulic substitueix el motor de velocitat constant per un servomotor de velocitat variable —normalment un motor síncron d'imants permanents (PMSM)— accionat per un variador de freqüència (VFD). El servomotor controla la velocitat del motor per adaptar-se a la demanda hidràulica en temps real. Quan el cicle es troba en fase d'alt flux (tancament del motlle, injecció, plastificació), el motor augmenta a alta velocitat. Quan el cicle es troba en fase de baix flux (retenció, refredament), el motor disminueix a una velocitat baixa que satisfà just la demanda hidràulica real. Quan el cicle està en repòs (sense moviment), el motor es pot aturar completament o funcionar a una velocitat gairebé zero.

El resultat és que la màquina servohidràulica només consumeix la potència que necessita per a cada fase del cicle. El motor no funciona a velocitat constant, la bomba no deriva l'excés de flux i la dissipació de calor de la vàlvula de derivació que defineix la ineficiència de la premsa convencional s'elimina en gran mesura.Bosch Rexroth, Yuken, i altres fabricants de sistemes hidràulics publiquen notes d'aplicació amb comparacions de consum d'energia de servomotors i bombes fixes; el rang típic de les dades publicades és de reducció d'energia del 40-80% en peces amb fases de retenció i refredament significatives, i de reducció del 20-40% en peces amb fases de retenció i refredament més curtes.

L'estalvi no és uniforme al llarg del cicle. Els estalvis més grans es produeixen en la fase de refredament (la fase de baixa demanda més llarga en la majoria dels cicles), el segon més gran en la fase de retenció i el més petit en la fase d'injecció (on es necessita el flux màxim i el sistema servo també funciona al màxim). En una premsa típica de 250 tones que modela una peça d'ABS de 200 g amb un cicle de 25 segons, la fase de refredament és aproximadament el 50% del cicle, la fase de retenció el 15%, les fases d'injecció i plastificació el 25% i les fases d'obertura/tancament el 10%. La fase de refredament és on la màquina servo estalvia més.

La prima de servo: cost de capital vs. cost operatiu

Una màquina d'injecció servohidràulica sol costar entre un 30 i un 60% més que una màquina convencional equivalent del mateix tonatge i mida de injecció. La prima exacta depèn del fabricant de la màquina, del proveïdor del sistema de servos i de les especificacions de la màquina. Per a una premsa representativa de 250 tones, la prima de servos en el mercat actual és un increment de cinc xifres, significatiu, però no transformador per a un gerent de planta que avalua la compra.

La prima es recupera a través de l'estalvi energètic. Per xifrar el retorn de la inversió, calen tres dades: l'estalvi energètic per cicle, els cicles per torn i el cost de l'electricitat. El Vickslínia de productes de sistemes servoestà configurat per a sistemes de servomotors basats en bombes de paletes en aplicacions de modelat per injecció, amb un estalvi d'energia a nivell de sistema dins del rang publicat. Per a una màquina de 250 tones en un cicle de 25 segons que funciona durant 6.000 hores a l'any (aproximadament dos torns continus), l'estalvi anual d'electricitat es troba en un rang significatiu, prou gran per amortitzar la prima de servomotors dins dels primers 18-36 mesos de funcionament, depenent de la tarifa elèctrica local.

Notícies sobre plàsticsiTecnologia dels plàsticshan publicat dades d'enquestes plurianuals que mostren que les màquines servohidràuliques dominen ara les vendes de premses noves en el rang de 50 a 800 tones a Amèrica del Nord, Europa i l'Àsia oriental, amb premses convencionals cada cop més limitades a aplicacions específiques d'alt tonatge i especialitzades. El canvi de mercat és en si mateix una indicació dels càlculs de retorn de la inversió: si la prima dels servomotors no es recuperés en un horitzó de 3 anys, el mercat no hauria canviat.

Manteniment: on els dos sistemes divergeixen

El perfil de manteniment d'un sistema servohidràulic és diferent d'una premsa convencional en tres àrees.

En primer lloc, el servomotor en si mateix requereix menys manteniment que un motor d'inducció de potència equivalent: no té escombretes, ni anells lliscants, i el rotor d'imant permanent no requereix corrent d'excitació. El variador de freqüència té el seu propi perfil de manteniment (ventiladors de refrigeració, condensadors electrolítics amb una vida útil de 8 a 12 anys), però els components actius del motor en si estan dissenyats per a una llarga vida útil sense manteniment programat.

En segon lloc, la bomba hidràulica d'un sistema servo funciona a velocitat variable i normalment a unes RPM mitjanes més baixes que una bomba fixa en una premsa convencional. Unes RPM mitjanes més baixes signifiquen un menor desgast dels coixinets, un menor cicle tèrmic i una vida útil del segellat més llarga. Dades de camp publicades perTecnologia de fabricació de motllesi diversos proveïdors de bombes hidràuliques mostren consistentment que les bombes de paletes en servei de velocitat variable tenen una vida útil significativament més llarga que la mateixa bomba de paletes en servei de velocitat fixa en una premsa comparable.

En tercer lloc, el refrigerador d'oli d'una premsa servohidràulica funciona menys contínuament perquè la dissipació de calor de la vàlvula de derivació es redueix. El ventilador del refrigerador o la bomba d'aigua de refrigeració s'encenen i s'apaguen en funció de la temperatura real de l'oli en lloc de funcionar contínuament. Un temps de funcionament més baix del refrigerador significa un manteniment més baix del refrigerador i un consum elèctric paràsit més baix del sistema de refrigeració.

La premsa convencional, en canvi, té un desgast més elevat dels coixinets del motor i de la bomba, una substitució més freqüent dels segells i una major tensió tèrmica a l'oli, cosa que accelera l'oxidació de l'oli i escurça l'interval de canvi d'oli. En una premsa convencional de tres torns, l'interval de canvi d'oli sol ser de 4.000 hores; en una premsa servohidràulica amb el mateix cicle de treball, l'interval s'estén a 6.000-8.000 hores. El cost de l'oli durant el període de 5 anys és significatiu: una premsa de 250 tones conté entre 400 i 600 litres d'oli hidràulic, i l'oli més el cost d'eliminació de cada canvi és un element de quatre xifres en molts mercats.

Soroll i entorn laboral

La premsa convencional fa funcionar el motor i la bomba a plena velocitat contínuament, generant una signatura acústica constant en el rang de 78–85 dB(A) a l'estació de l'operador. La premsa servohidràulica redueix la velocitat del motor i la bomba durant les fases de retenció i refredament, cosa que redueix significativament la contribució de soroll del sistema hidràulic. El soroll total de la màquina baixa fins al rang de 65–72 dB(A), que és la diferència entre un nivell de soroll que requereix protecció auditiva per a una exposició durant tot el torn i un que es troba al llindar del límit reglamentari.

La reducció del soroll no suposa un estalvi directe de costos, però sí que és un benefici real en mercats amb regulacions estrictes sobre el soroll laboral (Directiva de seguretat i salut de la UE 2003/10/CE, OSHA 29 CFR 1910.95 dels EUA, GBZ 2.2 de la Xina) on la premsa convencional requereix protecció auditiva per als operadors. El cost de la protecció auditiva, les proves audiomètriques i la infraestructura de control del soroll a la planta no se sol tenir en compte en el càlcul de la recuperació només d'energia, però sí que és un cost real a un horitzó de 5 anys.

Precisió i repetibilitat

El sistema servohidràulic té un avantatge de precisió que no sempre apareix en el càlcul del retorn de l'energia, però sí que es manifesta en la taxa de rebuig. El control de pressió en circuit tancat amb un sensor de pressió i una bomba de velocitat variable manté la pressió de la cavitat dins d'una banda més ajustada que un sistema de bomba fixa amb vàlvules proporcionals. En peces de tolerància ajustada (òptiques, mèdiques, envasos), la millora de la taxa de rebuig per si sola pot pagar la prima del servo en un horitzó de 5 anys, independentment de l'estalvi d'energia.

Societat d'Enginyers de Plàsticspublica articles tècnics sobre la precisió del modelat per injecció servohidràulic, incloent-hi dades de variació de pes entre preses i repetibilitat dimensional. L'avantatge de precisió publicat és petit en peces amb toleràncies relaxades (normalment una reducció del 10-20% en la variació entre preses) i significatiu en peces amb toleràncies ajustades (una reducció del 30-50%).

On la hidràulica convencional encara guanya

La premsa hidràulica convencional de bomba fixa no està obsoleta. Tres categories d'aplicació encara la favoreixen.

• Màquines de molt alt tonatge (superiors a 1.500 tones).La prima del sistema servo s'escala aproximadament linealment amb la potència del motor; a un tonatge molt elevat, la prima absoluta del servo esdevé prou gran com per allargar el període de retorn. Algunes aplicacions especialitzades d'alt tonatge també exigeixen característiques de resposta dinàmica específiques que un sistema de velocitat variable no ofereix tan netament com un sistema de bomba fixa amb un acumulador gran.
• Aplicacions de cicle llarg i servei continu.Si la premsa executa un cicle de 90 segons en una peça de paret gruixuda amb una fase de retenció llarga i un funcionament continu de tres torns, la servomàquina encara estalvia energia, però l'estalvi s'amortitza en un nombre menor de cicles per any. El període d'amortització s'allarga i la màquina convencional esdevé més competitiva.
• Instal·lacions amb restriccions de capital.Una planta amb un pressupost de capital limitat i un horitzó d'inversió curt pot triar racionalment la premsa convencional només pel cost de capital, sobretot si el cost local de l'electricitat és baix.

Fora d'aquestes tres categories, el sistema servohidràulic és l'opció dominant en termes de cost total de propietat a 5 anys. Les dades de mercat ho confirmen: la quota de servomotors en les noves instal·lacions de premses és majoritària a la majoria de regions i a la majoria de classes de tonatge, amb l'excepció de les aplicacions especialitzades d'alt tonatge esmentades anteriorment.

Creació del full de càlcul del TCO a 5 anys

Una comparació del cost total de propietat a 5 anys entre una premsa servohidràulica i una premsa convencional té quatre components de cost: capital, energia, manteniment i ferralla/temps d'inactivitat. Cadascun es calcula de manera diferent.

El cost de capital és el preu de compra de la màquina més la instal·lació, el transport, la formació i la posada en marxa. La prima del servomotor és la diferència entre el cost de capital de les dues màquines.

El cost energètic és el kWh acumulat durant 5 anys, multiplicat per la tarifa elèctrica local. L'estalvi energètic de la servomàquina és la diferència entre l'energia de la premsa convencional i l'energia de la servopremsa durant el mateix període.

El cost de manteniment és el cost acumulat de peces i mà d'obra durant 5 anys. La màquina servo normalment té un manteniment relacionat amb la bomba més baix, una freqüència de canvi d'oli més baixa i un manteniment del refrigerador més baix. La màquina convencional té un desgast més elevat dels coixinets del motor i de la bomba i un consum d'oli més elevat.

El cost de ferralla i temps d'inactivitat és el valor de les peces ferrallades i el valor de la producció perduda durant el temps d'inactivitat no planificat. La servomàquina té un control de pressió més estricte i una taxa de ferralla més baixa; la màquina convencional té una taxa de ferralla més alta en peces de tolerància ajustada, però no té cap desavantatge en peces de tolerància relaxada.

L'estalvi net a 5 anys de la servomàquina és la suma de l'estalvi d'energia més l'estalvi de manteniment més l'estalvi de ferralla/temps d'inactivitat, menys la prima de servo. Si el resultat és positiu, la servomàquina guanya. Si és negatiu, la màquina convencional guanya en un horitzó de 5 anys.

El marc de decisió: cinc preguntes que cal fer abans d'especificar

Per a una instal·lació específica, la decisió entre servomotors i convencionals es pot reduir a cinc preguntes.

1. Quin és el perfil del cicle?Les fases llargues de retenció i refredament afavoreixen els servomotors. Els cicles curts amb una alta demanda de cabal durant tot el procés afavoreixen els convencionals o els servomotors amb poca diferència.
2. Quin és l'horari de funcionament?El funcionament continu en tres torns amplifica l'estalvi d'energia. El funcionament en un sol torn amb llargs períodes d'inactivitat dilueix l'estalvi perquè la premsa està apagada la major part del dia.
3. Quin és el cost de l'electricitat local?Els mercats amb aranzels elevats (Europa, Japó, gran part de l'Àsia oriental) acceleren la recuperació. Els mercats amb aranzels baixos (parts de l'Orient Mitjà, Amèrica del Nord amb abundant gas natural) alenteixen la recuperació.
4. Quina és la tolerància de la peça?Les peces amb toleràncies ajustades (mèdiques, òptiques, certs embalatges) amplifiquen l'avantatge dels servomotors mitjançant una menor quantitat de ferralla. Les peces amb toleràncies relaxades neutralitzen aquest component de l'estalvi.
5. Quina és la restricció de capital?Si la prima de capital no es pot finançar a un tipus d'interès raonable, el període de recuperació és important fins i tot si l'economia a nivell de projecte és positiva.

Per a una premsa típica de 250 tones en un cicle de 25 segons que funciona en dos torns continus en un mercat amb tarifes moderades, el retorn de la inversió es troba entre els 18 i els 36 mesos. Per a una premsa de 100 tones en un cicle de 12 segons que funciona en un sol torn en un mercat amb tarifes baixes, el retorn de la inversió pot allargar-se fins a 4 anys o més. La Vicksfull de càlcul de retorn del projecteincorpora les cinc variables i produeix una recomanació específica per al projecte.

Preguntes freqüents: Servo vs. modelat per injecció hidràulica convencional