Servohydraulisch versus conventioneel hydraulisch spuitgieten: kostenvergelijking over 5 jaar

Waarom een ​​goedkoper apparaat uiteindelijk duurder kan uitvallen

Een manager van een spuitgietfabriek in Dongguan had net een verouderde conventionele hydraulische pers van 250 ton vervangen door een gloednieuwe pers van dezelfde specificaties. De vervangende pers kostte minder dan de helft van een vergelijkbare servohydraulische machine. Achttien maanden later was de elektriciteitsrekening van de spuitgietafdeling 6% hoger dan het jaar ervoor – de conventionele pers verbruikte merkbaar meer stroom dan de oude die hij had vervangen. Aan het einde van het derde jaar hadden de cumulatieve elektriciteitskosten van de conventionele pers de meerprijs van de vergelijkbare servomachine overschreden, nog voordat rekening werd gehouden met het geluid, de koelingsbehoefte en de olieverversingsinterval. Uiteindelijk heeft de fabriek een servosysteem op de bestaande pers ingebouwd in plaats van deze te vervangen – en zag het energieverbruik binnen de eerste maand halveren.

De keuze tussen servohydraulisch en conventioneel hydraulisch spuitgieten is geen simpele kwestie van "nieuwer is beter". Het is een berekening van de totale eigendomskosten over 5 jaar, die afhangt van het tonnage van de machine, het cyclusprofiel, de bedrijfsuren en de lokale elektriciteitskosten. Dit artikel gaat dieper in op die berekening: hoe het energieverschil er daadwerkelijk uitziet, hoe het onderhoudsverschil eruitziet, waar de conventionele machine zijn meerwaarde nog steeds verdient en hoe de cijfers voor een specifieke installatie op een rijtje gezet kunnen worden.

Hoe een conventionele hydraulische pers kracht gebruikt

Een conventionele hydraulische spuitgietmachine met vaste pomp drijft een elektromotor aan met een constante snelheid, die doorgaans rechtstreeks op het lichtnet is aangesloten zonder frequentieomvormer. De motor drijft een hydraulische pomp met vaste slag aan – meestal een schottenpomp of een axiale zuigerpomp – die een constante stroom hydraulische vloeistof levert met een druk die evenredig is aan de belasting. De richtingsventielen, proportionele ventielen en servokleppen van de machine regelen de stroom en de druk om de matrijssluiting, injectie, vasthoudfase, plastificeerfase en matrijsopeningsfase van de cyclus op elkaar af te stemmen.

De motor draait gedurende de hele cyclus op volle snelheid, zelfs wanneer de hydraulische vraag laag is. Tijdens de vasthoudfase – wanneer het werkstuk slechts een fractie van de piekdebiet nodig heeft om de matrijsdruk te handhaven – wordt de overtollige stroom via een overdrukventiel teruggeleid naar de tank, waar de energie als warmte wordt afgevoerd. Tijdens de koelfase – wanneer er helemaal geen hydraulische stroom nodig is, behalve een kleine hoeveelheid klemkracht – draait de pomp nog steeds op volle snelheid, verbruikt hij nog steeds het volle vermogen en voert het overdrukventiel nog steeds de overtollige stroom af. Dit is de structurele inefficiëntie van een systeem met een vaste pomp: de motor en de pomp draaien op één werkpunt en elke afwijking tussen dat punt en de werkelijke hydraulische vraag gaat verloren als warmte.

De warmte zelf is niet gratis. De hydraulische olie moet worden gekoeld om de viscositeit te behouden en oxidatie te voorkomen. Dit betekent dat een aparte oliekoeler (watergekoeld of luchtgekoeld) continu draait en extra energie verbruikt. De koelbehoefte van een conventionele pers van 250 ton bij een omgevingstemperatuur van 30 °C is aanzienlijk – doorgaans tussen de 15 en 25% van het elektrische vermogen van de machine bij een drieploegendienst.

Hoe een servo-hydraulisch systeem energie gebruikt

Een servohydraulisch systeem vervangt de motor met constante snelheid door een servomotor met variabele snelheid – meestal een permanentmagneet-synchrone motor (PMSM) – die wordt aangestuurd door een frequentieomvormer (VFD). De servoaandrijving regelt de motorsnelheid in realtime om aan de hydraulische vraag te voldoen. Wanneer de cyclus zich in de fase met hoge doorstroming bevindt (matrijs sluiten, spuitgieten, plastificeren), schakelt de motor over naar een hoge snelheid. Wanneer de cyclus zich in de fase met lage doorstroming bevindt (vasthouden, koelen), schakelt de motor terug naar een lage snelheid die net voldoet aan de werkelijke hydraulische vraag. Wanneer de cyclus stilstaat (geen beweging), kan de motor volledig stoppen of bijna op nul draaien.

Het resultaat is dat de servohydraulische machine alleen het vermogen verbruikt dat nodig is voor elke fase van de cyclus. De motor draait niet met een constante snelheid, de pomp voert geen overtollige vloeistof af en de warmteafvoer via de bypassklep, die de inefficiëntie van conventionele persen kenmerkt, wordt grotendeels geëlimineerd.Bosch Rexroth, YukenEn andere fabrikanten van hydraulische systemen publiceren toepassingsnotities met gemeten vergelijkingen van het energieverbruik van servopompen versus vaste pompen; de typische reductie in de gepubliceerde gegevens ligt tussen de 40 en 80% voor onderdelen met aanzienlijke vasthoud- en afkoelfasen, en tussen de 20 en 40% voor onderdelen met kortere vasthoud- en afkoelfasen.

De besparingen zijn niet gelijkmatig verdeeld over de cyclus. De grootste besparingen worden gerealiseerd tijdens de koelfase (de langste fase met lage vraag in de meeste cycli), de op één na grootste tijdens de vasthoudfase en de kleinste tijdens de injectiefase (waar de piekproductie vereist is en het servosysteem ook op volle toeren draait). Bij een typische pers van 250 ton die een ABS-onderdeel van 200 gram spuitgiet met een cyclus van 25 seconden, beslaat de koelfase ongeveer 50% van de cyclus, de vasthoudfase 15%, de injectie- en plastificeerfasen 25% en de open-/sluitfasen 10%. De koelfase is de fase waarin de servomachine de meeste besparingen realiseert.

De Servo Premium: investeringskosten versus operationele kosten

Een servohydraulische spuitgietmachine kost doorgaans 30 tot 60% meer dan een vergelijkbare conventionele machine met hetzelfde tonnage en spuitvolume. De exacte meerprijs hangt af van de machinefabrikant, de leverancier van het servosysteem en de specificaties van de machine. Voor een representatieve pers van 250 ton bedraagt ​​de meerprijs voor een servosysteem momenteel een bedrag met vijf cijfers – een significante, maar niet doorslaggevende factor voor een fabrieksmanager die de aanschaf overweegt.

De premie wordt terugverdiend door de energiebesparing. Om de terugverdientijd te berekenen, zijn drie factoren nodig: de energiebesparing per cyclus, het aantal cycli per shift en de elektriciteitskosten. De VicksServo-systeem productlijnDeze configuratie is bedoeld voor servosystemen met schoepenpompen in spuitgiettoepassingen, met energiebesparingen op systeemniveau binnen het gepubliceerde bereik. Voor een machine van 250 ton met een cyclus van 25 seconden die 6.000 uur per jaar draait (ongeveer twee ploegen continu), liggen de jaarlijkse elektriciteitsbesparingen binnen een aanzienlijk bereik – groot genoeg om de meerprijs van de servo binnen de eerste 18-36 maanden terug te verdienen, afhankelijk van het lokale elektriciteitstarief.

Plastics NieuwsEnKunststoftechnologieUit meerjarige onderzoeksgegevens blijkt dat servohydraulische machines nu de verkoop van nieuwe persen in het tonnagebereik van 50 tot 800 ton domineren in Noord-Amerika, Europa en Oost-Azië. Conventionele persen worden steeds vaker gebruikt voor specifieke toepassingen met een hoog tonnage en specialistische toepassingen. Deze marktverschuiving is op zichzelf al een indicatie van de terugverdientijd: als de meerprijs voor servomachines niet binnen drie jaar was terugverdiend, zou de markt niet verschoven zijn.

Onderhoud: Waar de twee systemen uiteenlopen

Het onderhoudsprofiel van een servohydraulisch systeem verschilt op drie punten van dat van een conventionele pers.

Ten eerste vereist de servomotor zelf minder onderhoud dan een inductiemotor met een vergelijkbaar vermogen: geen borstels, geen sleepringen en de permanentmagneetrotor heeft geen bekrachtigingsstroom nodig. De frequentieomvormer heeft weliswaar een eigen onderhoudsprofiel (koelventilatoren, elektrolytische condensatoren met een levensduur van 8-12 jaar), maar de actieve componenten van de motor zelf zijn ontworpen voor een lange levensduur zonder gepland onderhoud.

Ten tweede draait de hydraulische pomp in een servosysteem met een variabele snelheid en doorgaans met een lager gemiddeld toerental dan een pomp met een vaste snelheid op een conventionele pers. Een lager gemiddeld toerental betekent minder lagerslijtage, minder thermische schommelingen en een langere levensduur van de afdichtingen. Veldgegevens gepubliceerd doorMatrijzenmaaktechnologieDiverse leveranciers van hydraulische pompen tonen consequent aan dat schottenpompen bij variabele snelheid een aanzienlijk langere levensduur hebben dan dezelfde schottenpomp bij vaste snelheid op een vergelijkbare pers.

Ten derde draait de oliekoeler van een servohydraulische pers minder continu omdat de warmteafvoer via de bypassklep wordt verminderd. De koelventilator of de koelwaterpomp schakelt in en uit op basis van de werkelijke olietemperatuur in plaats van continu te draaien. Een kortere looptijd van de koeler betekent minder onderhoud en een lager stroomverbruik van het koelsysteem.

De conventionele pers daarentegen heeft een hogere slijtage van de lagers van de motor en de pomp, vereist vaker vervanging van de afdichtingen en heeft een hogere thermische belasting van de olie, wat de oxidatie versnelt en de olieverversingsinterval verkort. Bij een conventionele pers die in drie ploegen draait, is de olieverversingsinterval doorgaans 4.000 uur; bij een servohydraulische pers met dezelfde werkcyclus loopt dit interval op tot 6.000-8.000 uur. De oliekosten over een periode van 5 jaar zijn aanzienlijk: een pers van 250 ton bevat 400-600 liter hydraulische olie, en de kosten voor de olie plus de afvoer bij elke verversing lopen in veel markten op tot een bedrag van vier cijfers.

Geluidsoverlast en werkomgeving

Bij een conventionele pers draaien de motor en pomp continu op volle snelheid, waardoor een constant geluidsniveau van 78-85 dB(A) bij de bedieningspost ontstaat. Bij een servohydraulische pers wordt de snelheid van de motor en pomp verlaagd tijdens de pauze- en afkoelfasen, waardoor de geluidsbijdrage van het hydraulische systeem aanzienlijk afneemt. Het totale machinegeluid daalt naar 65-72 dB(A), wat het verschil is tussen een geluidsniveau waarbij gehoorbescherming vereist is bij een volledige werkdag en een niveau dat de wettelijke limiet nadert.

De geluidsreductie levert geen directe kostenbesparing op, maar is wel een reëel voordeel in markten met strenge regelgeving op het gebied van geluidsoverlast op de werkplek (EU-richtlijn 2003/10/EC, Amerikaanse OSHA 29 CFR 1910.95, Chinese GBZ 2.2) waar de conventionele pers gehoorbescherming voor operators vereist. De kosten van gehoorbescherming, audiometrische tests en geluidsbeheersingsinfrastructuur op de werkvloer worden doorgaans niet meegenomen in de terugverdienberekening op basis van alleen energieverbruik, maar vormen wel degelijk een reële kostenpost over een periode van vijf jaar.

Nauwkeurigheid en herhaalbaarheid

Het servohydraulische systeem heeft een precisievoordeel dat niet altijd terug te vinden is in de berekening van de energieterugverdientijd, maar wel in het afvalpercentage. Gesloten-lus drukregeling met een druksensor en een pomp met variabele snelheid houdt de matrijsdruk binnen een nauwere bandbreedte dan een systeem met een vaste pomp en proportionele kleppen. Bij onderdelen met nauwe toleranties – optische, medische en verpakkingsonderdelen – kan de verbetering van het afvalpercentage alleen al de meerprijs van het servosysteem binnen vijf jaar terugverdienen, onafhankelijk van de energiebesparing.

Vereniging van KunststofingenieursHet tijdschrift publiceert technische artikelen over de precisie van servohydraulisch spuitgieten, inclusief gegevens over gewichtsvariatie tussen opeenvolgende spuitcycli en dimensionale herhaalbaarheid. Het gepubliceerde precisievoordeel is klein bij onderdelen met ruimere toleranties (doorgaans een reductie van 10-20% in variatie tussen opeenvolgende spuitcycli) en significant bij onderdelen met nauwe toleranties (een reductie van 30-50%).

Waar conventionele hydrauliek nog steeds de overhand heeft

De conventionele hydraulische pers met vaste pomp is niet verouderd. Drie toepassingscategorieën geven er nog steeds de voorkeur aan.

• Machines met een zeer hoog tonnage (meer dan 1.500 ton).De meerprijs van een servosysteem is ruwweg lineair met het motorvermogen; bij zeer hoge tonnage wordt de absolute meerprijs van het servosysteem zo groot dat de terugverdientijd langer wordt. Sommige specialistische toepassingen met hoge tonnage vereisen bovendien specifieke dynamische responsiekenmerken die een systeem met variabele snelheid niet zo goed kan leveren als een systeem met een vaste pomp en een grote accumulator.
• Toepassingen met een lange cyclus en continu gebruik.Als de pers een cyclus van 90 seconden draait op een dikwandig onderdeel met een lange wachttijd en continu in drie ploegen werkt, bespaart de servomachine nog steeds energie, maar de besparing wordt over een kleiner aantal cycli per jaar afgeschreven. De terugverdientijd wordt langer en de conventionele machine wordt concurrerender.
• Kapitaalbeperkte installaties.Een fabriek met een beperkt kapitaalbudget en een korte investeringshorizon kan, puur op basis van de kapitaalkosten, rationeel kiezen voor een conventionele pers, vooral als de lokale elektriciteitskosten laag zijn.

Buiten deze drie categorieën is het servohydraulische systeem de meest aantrekkelijke optie op basis van de totale eigendomskosten over een periode van vijf jaar. Marktgegevens bevestigen dit: het aandeel servo-systemen in nieuwe persinstallaties is in de meeste regio's en tonnageklassen het grootst, met uitzondering van de hierboven genoemde specialistische toepassingen met een hoog tonnage.

Het 5-jarige TCO-werkblad opstellen

Een vergelijking van de totale eigendomskosten over een periode van 5 jaar tussen een servohydraulische en een conventionele pers bestaat uit vier kostencomponenten: kapitaal, energie, onderhoud en afval/stilstand. Elk van deze componenten wordt op een andere manier berekend.

De investeringskosten bestaan ​​uit de aanschafprijs van de machine plus installatie, transport, training en inbedrijfstelling. De servopremie is het verschil tussen de investeringskosten van de twee machines.

De energiekosten zijn het cumulatieve kWh-verbruik over 5 jaar, vermenigvuldigd met het lokale elektriciteitstarief. De energiebesparing van de servomachine is het verschil tussen het energieverbruik van een conventionele pers en dat van een servopers over dezelfde periode.

De onderhoudskosten zijn de cumulatieve kosten voor onderdelen en arbeid over een periode van 5 jaar. De servomachine heeft doorgaans minder onderhoud aan de pomp, een lagere olieverversingsfrequentie en minder onderhoud aan de koeler. De conventionele machine heeft een hogere lagerslijtage aan de motor en de pomp en een hoger olieverbruik.

De kosten van afval en stilstand omvatten de waarde van afgekeurde onderdelen en de waarde van de verloren productie tijdens ongeplande stilstand. De servomachine heeft een nauwkeurigere drukregeling en een lager afvalpercentage; de ​​conventionele machine heeft een hoger afvalpercentage bij onderdelen met nauwe toleranties, maar geen nadeel bij onderdelen met ruimere toleranties.

De netto besparing van de servomachine over een periode van 5 jaar is de som van de energiebesparing, de onderhoudsbesparing en de besparing op afval/stilstand, minus de meerprijs voor de servomachine. Als het resultaat positief is, is de servomachine de voordeligste optie. Is het resultaat negatief, dan is de conventionele machine de voordeligste optie over een periode van 5 jaar.

Het besluitvormingskader: vijf vragen om te stellen voordat u specificaties opgeeft.

Voor een specifieke installatie kan de keuze tussen een servomotor en een conventionele machine worden teruggebracht tot vijf vragen.

1. Wat is het cyclusprofiel?Lange vasthoud- en afkoelfasen zijn gunstig voor servomotoren. Korte cycli met een hoge doorstroming zijn gunstiger voor conventionele of servomotoren, met weinig verschil.
2. Wat is het operationele schema?Continue drieploegendienst vergroot de energiebesparing. Eenploegendienst met lange stilstandperioden vermindert de besparing, omdat de persmachine het grootste deel van de dag uitgeschakeld is.
3. Wat zijn de lokale elektriciteitskosten?Markten met hoge invoertarieven (Europa, Japan, een groot deel van Oost-Azië) versnellen de terugverdientijd. Markten met lage invoertarieven (delen van het Midden-Oosten, Noord-Amerika met een overvloed aan aardgas) vertragen de terugverdientijd.
4. Wat is de tolerantie van het onderdeel?Bij onderdelen met nauwe toleranties (medische, optische en bepaalde verpakkingsonderdelen) wordt het voordeel van servomotoren versterkt door minder afval. Bij onderdelen met ruimere toleranties wordt dit voordeel tenietgedaan.
5. Wat is de kapitaalbeperking?Als de kapitaalpremie niet tegen een redelijk tarief kan worden gefinancierd, is de terugverdienperiode van belang, zelfs als de economische haalbaarheid van het project positief is.

Voor een typische pers van 250 ton met een cyclus van 25 seconden, die continu in twee ploegen draait in een markt met gemiddelde tarieven, ligt de terugverdientijd tussen de 18 en 36 maanden. Voor een pers van 100 ton met een cyclus van 12 seconden, die in één ploegen draait in een markt met lage tarieven, kan de terugverdientijd oplopen tot 4 jaar of langer. (De Vicks-methode)terugverdientijd project werkbladHet model integreert alle vijf variabelen en levert een projectspecifieke aanbeveling op.

Veelgestelde vragen: Servo-spuitgieten versus conventioneel hydraulisch spuitgieten