Servohydraulické vs. konvenční hydraulické vstřikování plastů: Porovnání nákladů za 5 let

Proč levnější stroj může být dražší

Vedoucí lisovny v Dongguanu právě vyměnil stárnoucí 250tunový konvenční hydraulický lis za zcela nový se stejnou specifikací. Náhradní lis stál méně než polovinu ceny ekvivalentního servohydraulického stroje. O osmnáct měsíců později byl účet za elektřinu na lisovně o 6 % vyšší než v předchozím roce – konvenční lis spotřebovával znatelně více energie než starší lis, který nahradil. Do konce třetího roku kumulativní náklady na elektřinu konvenčního lisu překročily cenovou přirážku ekvivalentního servolisu, a to ještě před započítáním hluku, nároků na chlazení a intervalu výměny oleje. Lis nakonec místo výměny namontoval servolitický systém do stávajícího lisu – a spotřeba energie se během prvního celého měsíce snížila na polovinu.

Volba mezi servohydraulickým a konvenčním hydraulickým vstřikováním plastů není jednoduché rozhodnutí typu „novější je lepší“. Jde o výpočet celkových nákladů na vlastnictví za 5 let, který závisí na nosnosti stroje, profilu cyklu, provozních hodinách a místních nákladech na elektřinu. Tento článek se tímto výpočtem podrobně zabývá – jak ve skutečnosti vypadá energetická mezera, jak vypadá mezera v údržbě, kde si konvenční stroj stále vydělává na své prémii a jak sestavit tato čísla pro konkrétní instalaci.

Jak konvenční hydraulický lis využívá energii

Konvenční hydraulický vstřikovací lis s pevným čerpadlem pohání elektromotor s konstantní rychlostí, obvykle připojený přímo k elektrické síti bez frekvenčního měniče. Motor pohání hydraulické čerpadlo s pevným objemem – obvykle lamelové čerpadlo nebo axiální pístové čerpadlo – které dodává konstantní průtok hydraulické kapaliny o tlaku úměrném zatížení. Rozvodné ventily, proporcionální ventily a servoventily stroje modulují průtok a tlak tak, aby odpovídaly fázím cyklu, kdy se forma zavírá, vstřikuje, zastavuje, plastifikuje a otevírá.

Motor běží po celou dobu cyklu plnou rychlostí, a to i při nízkém hydraulickém požadavku. Během fáze udržování – kdy součást potřebuje k udržení tlaku v dutině pouze zlomek maximálního průtoku – je přebytečný průtok obtokem přes pojistný ventil zpět do nádrže, čímž se energie rozptýlí ve formě tepla. Během fáze chlazení – kdy není s výjimkou malého množství upínacího tlaku vůbec potřeba žádný hydraulický průtok – se čerpadlo stále otáčí plnou rychlostí, stále odebírá plný výkon a obtokový ventil stále odvádí přebytečný průtok. Toto je strukturální neúčinnost systému s pevným čerpadlem: motor a čerpadlo běží v jednom provozním bodě a jakýkoli nesoulad mezi tímto bodem a skutečným hydraulickým požadavkem se ztrácí ve formě tepla.

Samotné teplo není zdarma. Hydraulický olej musí být chlazen, aby se udržela jeho viskozita a zabránilo se oxidaci, což znamená, že samostatný chladič oleje (chlazený vodou nebo vzduchem) běží nepřetržitě a odebírá dodatečnou energii. Potřeba chlazení u 250tunového konvenčního lisu v prostředí s teplotou 30 °C je značná – obvykle se pohybuje v rozmezí 15–25 % elektrického příkonu stroje při třísměnném provozu.

Jak servohydraulický systém využívá energii

Servohydraulický systém nahrazuje motor s konstantní rychlostí servomotorem s proměnnou rychlostí – obvykle synchronním motorem s permanentními magnety (PMSM) – poháněným frekvenčním měničem (VFD). Servopohon řídí otáčky motoru tak, aby v reálném čase odpovídaly hydraulickému požadavku. Když je cyklus ve fázi vysokého průtoku (uzavírání formy, vstřikování, plastifikace), motor se rozběhne na vysokou rychlost. Když je cyklus ve fázi nízkého průtoku (udržování, chlazení), motor se sníží na nízkou rychlost, která právě odpovídá skutečnému hydraulickému požadavku. Když je cyklus v klidu (bez pohybu), motor se může zcela zastavit nebo běžet s téměř nulovou rychlostí.

Výsledkem je, že servohydraulický stroj odebírá pouze tolik energie, kolik potřebuje pro každou fázi cyklu. Motor neběží konstantní rychlostí, čerpadlo neobtéká přebytečný průtok a odvod tepla obtokovým ventilem, který je charakteristickým znakem neefektivity konvenčního lisu, je do značné míry eliminován.Bosch Rexroth, Jukena další výrobci hydraulických systémů publikují aplikační poznámky s porovnáním naměřené spotřeby energie servopohonu a pevného čerpadla; typický rozsah publikovaných dat je 40–80% snížení spotřeby energie u součástí s významnými fázemi prodlevy a chlazení a 20–40% snížení u součástí s kratšími fázemi prodlevy a chlazení.

Úspory nejsou v celém cyklu rovnoměrné. Největší úspory jsou ve fázi chlazení (nejdelší fáze s nízkým zatížením ve většině cyklů), druhé největší ve fázi výdrže a nejmenší ve fázi vstřikování (kde je potřeba maximální průtok a servosystém také běží na špičce). U typického 250tunového lisování dílu z ABS o hmotnosti 200 g s 25sekundovým cyklem tvoří fáze chlazení zhruba 50 % cyklu, fáze výdrže 15 %, fáze vstřikování a plastifikace 25 % a fáze otevírání/zavírání 10 %. Fáze chlazení je oblastí, kde servopohon šetří nejvíce.

Servo Premium: Kapitálové náklady vs. provozní náklady

Servohydraulický vstřikovací lis obvykle stojí o 30–60 % více než ekvivalentní konvenční stroj se stejnou hmotností a velikostí dávky. Přesná výše příplatku závisí na výrobci stroje, dodavateli servosystému a specifikaci stroje. Pro reprezentativní lis s nosností 250 tun je příplatek za servosystém na současném trhu pětimístný – což je sice smysluplné, ale pro manažera závodu, který nákup vyhodnocuje, ne zásadní.

Prémie se získává z úspor energie. Pro vyčíslení návratnosti investice jsou potřeba tři vstupy: úspora energie na cyklus, počet cyklů na směnu a náklady na elektřinu. Vicksproduktová řada servosystémůje konfigurován pro servosystémy na bázi lopatkových čerpadel pro aplikace vstřikování plastů s úsporami energie na úrovni systému v publikovaném rozmezí. U 250tunového stroje s 25sekundovým cyklem, který běží 6 000 hodin ročně (zhruba dvousměnný nepřetržitý provoz), se roční úspory elektřiny pohybují v rozumném rozmezí – dostatečně velké na to, aby se prémie za servopohon splatila během prvních 18–36 měsíců provozu, v závislosti na místním tarifu za elektřinu.

Novinky z oblasti plastůaTechnologie plastůzveřejnili víceleté údaje z průzkumu, které ukazují, že servohydraulické stroje nyní dominují prodeji nových lisů v rozmezí 50 až 800 tun v Severní Americe, Evropě a východní Asii, zatímco konvenční lisy se stále více omezují na specifické vysokotonážní a specializované aplikace. Posun na trhu je sám o sobě ukazatelem matematiky návratnosti: pokud by se prémie za servomotory neobnovila v horizontu 3 let, trh by se neposunul.

Údržba: Kde se dva systémy rozcházejí

Profil údržby servohydraulického systému se liší od konvenčního lisu ve třech oblastech.

Zaprvé, samotný servomotor vyžaduje méně údržby než asynchronní motor srovnatelného výkonu – žádné kartáče, žádné sběrné kroužky a rotor s permanentními magnety nevyžaduje budicí proud. Frekvenční měnič má svůj vlastní profil údržby (chladicí ventilátory, elektrolytické kondenzátory s životností 8–12 let), ale aktivní součásti samotného motoru jsou navrženy pro dlouhou životnost bez plánované údržby.

Za druhé, hydraulické čerpadlo v servosystému běží s proměnnou rychlostí a obvykle s nižšími průměrnými otáčkami než pevné čerpadlo u konvenčního lisu. Nižší průměrné otáčky znamenají nižší opotřebení ložisek, nižší tepelné cykly a delší životnost těsnění. Terénní data publikovanáTechnologie výroby forema různí dodavatelé hydraulických čerpadel soustavně ukazují, že lamelová čerpadla v provozu s proměnnými otáčkami mají životnost výrazně delší než stejná lamelová čerpadla v provozu s pevnými otáčkami na srovnatelném lisu.

Za třetí, chladič oleje u servohydraulického lisu běží méně nepřetržitě, protože je snížen odvod tepla obtokovým ventilem. Ventilátor chladiče nebo čerpadlo chladicí vody se cyklicky zapíná a vypíná na základě skutečné teploty oleje, místo aby běželo nepřetržitě. Kratší doba chodu chladiče znamená nižší údržbu chladiče a nižší parazitní odběr elektřiny z chladicího systému.

Konvenční lis má naopak vyšší opotřebení ložisek motoru a čerpadla, častější výměnu těsnění a vyšší tepelné namáhání oleje, které urychluje oxidaci oleje a zkracuje interval výměny oleje. U třísměnného konvenčního lisu je interval výměny oleje obvykle 4 000 hodin; u servohydraulického lisu se stejným pracovním cyklem se interval prodlužuje na 6 000–8 000 hodin. Náklady na olej během 5letého období jsou významné – lis o hmotnosti 250 tun pojme 400–600 litrů hydraulického oleje a cena oleje plus náklady na likvidaci při každé výměně představují na mnoha trzích čtyřmístnou položku.

Hluk a pracovní prostředí

Konvenční lis běží motor a čerpadlo nepřetržitě na plné otáčky, což na stanovišti obsluhy generuje stálý akustický signál v rozsahu 78–85 dB(A). Servohydraulický lis snižuje otáčky motoru a čerpadla během fází čekání a chlazení, čímž výrazně snižuje hlukový příspěvek hydraulického systému. Celkový hluk stroje klesá na rozsah 65–72 dB(A), což je rozdíl mezi hladinou hluku, která vyžaduje ochranu sluchu při vystavení se hluku po celou směnu, a hladinou, která je na prahu regulačního limitu.

Snížení hluku nepředstavuje přímou úsporu nákladů, ale je skutečným přínosem na trzích s přísnými předpisy o hluku na pracovišti (směrnice EU o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci 2003/10/ES, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2), kde konvenční lis vyžaduje ochranu sluchu pro obsluhu. Náklady na ochranu sluchu, audiometrické testování a infrastrukturu pro tlumení hluku v provozní hale se obvykle nezahrnují do výpočtu návratnosti investic pouze z hlediska energie – v pětiletém horizontu se však jedná o skutečné náklady.

Přesnost a opakovatelnost

Servohydraulický systém má výhodu v přesnosti, která se ne vždy projeví ve výpočtu energetické návratnosti, ale projeví se v míře zmetkovitosti. Řízení tlaku v uzavřené smyčce pomocí tlakového senzoru a čerpadla s proměnnými otáčkami udržuje tlak v dutině v užším pásmu než systém s pevným čerpadlem a proporcionálními ventily. U dílů s přesnými tolerancemi – optických, lékařských, obalových – může samotné zlepšení míry zmetkovitosti pokrýt příplatek za servo v horizontu 5 let, nezávisle na úsporách energie.

Společnost plastikářských inženýrůpublikuje technické články o přesnosti servohydraulického vstřikování plastů, včetně údajů o variabilitě hmotnosti mezi jednotlivými vstřiky a opakovatelnosti rozměrů. Publikovaná výhoda v přesnosti je malá u dílů s uvolněnými tolerancemi (obvykle 10–20% snížení variability mezi jednotlivými vstřiky) a významná u dílů s úzkými tolerancemi (snížení o 30–50 %).

Kde stále vítězí konvenční hydraulika

Konvenční hydraulický lis s pevným čerpadlem není zastaralý. Tři kategorie použití ho stále upřednostňují.

• Stroje s velmi vysokou nosností (nad 1 500 tun).Prémie servosystému se zhruba lineárně zvyšuje s výkonem motoru; při velmi vysokém zatížení se absolutní prémie servosystému stává natolik velkou, že se doba návratnosti prodlužuje. Některé specializované aplikace s vysokým zatížením také vyžadují specifické dynamické charakteristiky odezvy, které systém s proměnnými otáčkami neposkytuje tak čistě jako systém s pevným čerpadlem a velkým akumulátorem.
• Dlouhodobé, nepřetržité aplikace.Pokud lis obrábí silnostěnný díl v 90sekundovém cyklu s dlouhou prodlevou a nepřetržitým třísměnným provozem, servostroj stále šetří energii, ale úspory se amortizují za menší počet cyklů za rok. Doba návratnosti se prodlužuje a konvenční stroj se stává konkurenceschopnějším.
• Instalace s omezeným kapitálem.Závod s omezeným kapitálovým rozpočtem a krátkým investičním horizontem si může racionálně zvolit konvenční lis pouze na základě kapitálových nákladů, zejména pokud jsou místní náklady na elektřinu nízké.

Mimo tyto tři kategorie je servohydraulický systém dominantní volbou na základě celkových nákladů na vlastnictví za 5 let. Tržní data to potvrzují: podíl servopohonů v nových instalacích lisů je ve většině regionů a většině tonážních tříd většinový, s výjimkou výše uvedených specializovaných aplikací s vysokou tonáží.

Vytvoření pracovního listu pro pětileté celkové náklady vlastnictví (TCO)

Pětileté srovnání celkových nákladů na vlastnictví servohydraulického a konvenčního lisu má čtyři složky nákladů: kapitál, energii, údržbu a zmetkovitost/prostoje. Každá z nich se vypočítává odlišně.

Kapitálové náklady jsou pořizovací cena stroje plus instalace, doprava, školení a uvedení do provozu. Prémie za servopohon je rozdíl mezi kapitálovými náklady obou strojů.

Náklady na energii jsou kumulativní kWh za 5 let vynásobené místním tarifem za elektřinu. Úspora energie servostroje je rozdíl mezi energií konvenčního lisu a energií servolisu za stejné období.

Náklady na údržbu představují kumulativní náklady na díly a práci za 5 let. Servopohon má obvykle nižší nároky na údržbu čerpadla, nižší frekvenci výměny oleje a nižší nároky na údržbu chladiče. Konvenční stroj má vyšší opotřebení ložisek motoru a čerpadla a vyšší spotřebu oleje.

Náklady na zmetkovitost a prostoje představují hodnotu zmetkových dílů a hodnotu ztráty výroby během neplánovaných prostojů. Servostroj má přesnější regulaci tlaku a nižší míru zmetkovitosti; konvenční stroj má vyšší míru zmetkovitosti u dílů s úzkou tolerancí, ale žádnou nevýhodu u dílů s uvolněnou tolerancí.

Čistá úspora servopohonu za 5 let je součtem úspor energie plus úspor na údržbě plus úspor na zmetkovitosti/prostojích a mínus prémie za servopohon. Pokud je výsledek kladný, vítězí servopohon. Pokud je výsledek záporný, vítězí v 5letém horizontu konvenční stroj.

Rozhodovací rámec: Pět otázek, které je třeba si položit před specifikací

Pro konkrétní instalaci lze rozhodnutí o servopohonu versus konvenčním pohonu zredukovat na pět otázek.

1. Jaký je profil cyklu?Dlouhé fáze výdrže a ochlazování zvýhodňují servopohony. Krátké cykly s vysokým průtokem v celém rozsahu dávají přednost konvenčním pohonům nebo pohonům servopohonů, přičemž rozdíl je malý.
2. Jaký je provozní harmonogram?Nepřetržitý třísměnný provoz zvyšuje úspory energie. Jednosměnný provoz s dlouhými prostoji úspory snižuje, protože lis je po většinu dne vypnutý.
3. Jaká je místní cena elektřiny?Trhy s vysokými celními sazbami (Evropa, Japonsko, velká část východní Asie) urychlují návratnost investice. Trhy s nízkými celními sazbami (části Blízkého východu, Severní Amerika s hojnými zásobami zemního plynu) návratnost investice zpomalují.
4. Jaká je tolerance součásti?Díly s úzkými tolerancemi (medicínské, optické, některé typy obalů) zesilují výhodu servopohonu díky nižšímu množství zmetku. Díly s uvolněnými tolerancemi tuto složku úspor neutralizují.
5. Jaké je kapitálové omezení?Pokud kapitálovou prémii nelze financovat rozumnou sazbou, je doba návratnosti důležitá, i když je ekonomika projektu pozitivní.

U typického 250tunového lisu s 25sekundovým cyklem, který běží na dvě směny nepřetržitě na trhu s mírnými tarify, je návratnost investice v rozmezí 18–36 měsíců. U 100tunového lisu s 12sekundovým cyklem, který běží na jednu směnu na trhu s nízkými tarify, se návratnost investice může protáhnout na 4 roky nebo i déle. Vickspracovní list s návratností projektuzahrnuje všech pět proměnných a vytváří doporučení specifické pro daný projekt.

Často kladené otázky: Servo vs. konvenční hydraulické vstřikování plastů