Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Budoucností v průmyslu zpracování plastů jsou šestiosé průmyslové roboty

Krátké životní cykly a značná složitost vyráběných dílů vyžadují od výrobních zařízení a postupů používaných v průmyslu zpracování plastů co největší provozní flexibilitu. Budoucnost automatizace výroby v tomto odvětví spočívá v použití všestranných mnohaosých průmyslových robotů.

 

Plasty jsou materiálem 21. století. Jsou to materiály lehké, odolné proti korozi, schopné prostorového tvarování, snadno opracovatelné a umožňující vytvářet výrobky vyznačující se velkou tuhostí. Plasty se proto stále častěji používají jako náhrada jiných materiálů, např. kovů.

 

Ať už jde o automobilové součástky, obaly, díly staveb, technické díly, polotovary, či spotřební zboží – charakteristickým znakem průmyslu zpracování plastů jsou neustálé inovace. Sotva existuje jiné průmyslové odvětví s tak krátkými životními cykly výrobků a tak velkou složitostí vyráběných dílů. Tato situace staví výrobce strojů na zpracování plastů i plastikářský průmysl jako celek před stále nové úkoly. Podle odborné skupiny pro stroje na zpracování platů a pryže Svazu německých výrobců stojů a zařízení (VDMA) u těchto strojů dále poroste význam energetické hospodárnosti, kvality a přesnosti a také provozní pružnosti a rychlosti jako rozhodujících kritérií v mezinárodní konkurenci.

 

Rostoucí požadavky na zpracovatele plastů

Zatímco dříve zůstávaly modelové řady výrobků v průmyslu stejné po celá léta, modely současných produktů jsou modifikovány i již po několika měsících. Při náhradě tradičních materiálů plasty lze konstrukci výrobků v mimořádné míře optimalizovat. Náhrada kovů plasty se i mimo automobilový průmysl stává jedním z nejdůležitějších způsobů, jak konstrukcí výrobku zmenšit jeho hmotnost a také dosáhnout hospodárnějšího využití výrobních zdrojů a materiálu. Vedle toho je zde rovněž velmi mnoho výrobků špičkové kvality a inovačních výrobních metod existujících díky pokročilé integraci výrobních postupů, materiálů a techniky – např. v optické technice. Novými postupy používanými při výrobě ke zjednodušení a zkrácení výrobního cyklu jsou např. integrované vstřikování kovů a plastů nebo technika PIT (Projectile Injection Technology). Takzvané integrované výrobky, což jsou konstrukční díly nebo součástky vyrobené najednou z plastu a kovu, např. splňují vysoké požadavky kladené v elektrotechnickém a elektronickém průmysl. Výsledkem je neustálý růst složitosti jak vyráběných a dále opracovávaných plastových dílů, tak i jejich funkční kompletace. Výrobci musí pokrýt rostoucí rozmanitost modelů a účinně kompenzovat výkyvy ve velikosti výrobních sérií. Podniky průmyslu zpracování plastů tudíž musí být velmi flexibilní.

 

Stupeň automatizace v rámci odvětví roste

Podíl automatizace v průmyslu zpracování plastů v posledních dvanácti letech roste nepřetržitě asi o 22 % každý rok. Jedním z důvodů je potřeba udržet krok s neustále rostoucí složitostí plastových výrobků. Přes uvedené tempo růstu však v tomto ohledu stále ještě existuje ohromný automatizační potenciál. Firmy zabývající se zpracováním plastů musí do svých výrobních procesů integrovat pokročilé koncepty automatizace. U nových výrobních strojů se stupeň automatizace pohybuje okolo 65 %, z čehož asi 24 % představují provozované průmyslové roboty. Automatizace v odvětví zpracování plastů, které zahrnuje především středně velké firmy, je tedy v porovnání s jinými odvětvími průmyslu poměrně pokročilá. Tyto firmy v principu tolik netrápí samotný fakt potřeby integrace automatizační techniky do jejich výrobních procesů jako otázka volby takové automatizační techniky, se kterou obstojí v budoucí mezinárodní konkurenci. Součástí tohoto rozhodování je fundamentální otázka: zda nejlepší způsob, jak trvale zajistit výrobu s dostatečnou přidanou hodnotou, je použít lineární portálová zařízení (lineární roboty), průmyslové roboty s několika osami (stupni volnosti) či kombinaci obou technik.

 

Lineární portálová zařízení, nebo mnohaosé průmyslové roboty?

Do provozu je každý rok uváděno asi 200 000 strojů na zpracování plastů, zahrnujících např. stroje pro vstřikování, vyfukování a tvarování plastů za tepla, vypěňovací a vytlačovací linky, svařovací zařízení atd. Úkol automatizovat tyto stroje staví nové výzvy jak před výrobce robotů, tak i systémové integrátory výrobních linek (obr. 1). O tom, zda použít lineární portálová zařízení nebo mnohaosé průmyslové roboty, se v současné době rozhoduje především na základě složitosti vyráběných dílů a počtu operací nutných k jejich výrobě. Je-li hlavním kritériem počet výrobků v jedné stálé variantě zhotovených za jednotku času a v rámci výrobního cyklu se nevykonávají žádné další operace, obvykle se volí lineární robot. Při zmenšování výrobních sérií a růstu požadovaného počtu variant výrobků ovšem samotná doba trvání vlastního výrobního cyklu stroje postupně ztrácí na významu. Vrchu nabývá požadavek provozní flexibility a rozhodnutí se kloní spíše ve prospěch univerzálního průmyslového robotu se šesti stupni volnosti (šestiosý robot). Totéž platí, i pokud jde o výrobu technických dílů nebo montážních sestav. V případě náročných a složitých dílů, které jsou vyráběny ve velkých sériích, lze s výhodou využít synergii mezi lineárními zařízeními a mnohaosými roboty. Provozně flexibilní mnohaosý robot může být použit např. ke vkládání dílů do přípravku, zatímco rychlý lineární robot zvedne díly a umístí je do formy. Nebo naopak lineární robot odebírá díly z formy a volně pohyblivé několikaosé rameno průmyslového robotu umístěného mimo stroj provede další operace, např. díly seskupí a zabalí apod.

 

Z předchozího je patrné, že při kompletaci inteligentních automatizovaných výrobních linek budoucnosti bude třeba brát při výběru robotů současně v úvahu různá kritéria. V ideálním případě by se oddělení nákupu a útvar technologie výroby měly spolu poradit a společně vybrat takovou variantu, která nejpravděpodobněji zajistí úspěch z krátkodobého, střednědobého i dlouhodobého pohledu. Protože celkové náklady na výrobu TCO (Total Cost of Ownership) jsou podstatně lepší a rozhodující ukazatel než pouze počáteční investiční náklady (v průměru jen asi 20 % TCO), stojí za to se podrobně podívat na následující navzájem související faktory: např. intervaly údržby, náklady na údržbu, spotřeba energie, náklady na periferie, náklady na školení, složitost práce operátora, doba provozního života výrobního zařízení, dostupnost náhradních dílů atd. Možné větší investiční náklady na pořízení robotu mohou být také rychle kompenzovány tím, že se jeho případná neproduktivní doba využije pro další úkoly a operace. Větší přesnost a větší provozní flexibilita činí z takové investice dlouhodobě ziskový nástroj umožňující bez problémů a dodatečných výdajů plnit i teprve budoucí požadavky na výrobu (obr. 2). V konkrétních případech se poté rozhoduje na základě těch kritérií, která daný zpracovatel plastů pokládá u své specifické úlohy za nejdůležitější. Důležité je také, aby integrátor výrobní linky nebo výrobce robotů byl schopen nabídnout a realizovat požadované výrobní zařízení v celé jeho úplnosti.

 

Dlouhodobé trendy upřednostňují mnohaosé průmyslové roboty

V blízké budoucnosti obory a pracoviště, kde se v současnosti ještě intenzivně využívá manuální práce, dosáhnou svých mezí a bude nevyhnutelné je automatizovat. V první řadě jde o odstranění stále se opakujícího a fyzicky namáhavého zvedání zejména těžkých břemen a dále o opatření k ochraně zdraví a bezpečnosti lidí při práci, která jsou firmy povinny zavádět. Mimoto, v důsledku trvale rostoucího výkonu strojů na zpracování plastů, musí pracovníci provádět manuální obslužné operace stále rychleji. Současně také roste složitost každého jednotlivého plastového dílu, a tudíž jsou čím dál složitější i celkové výrobní postupy. To zjevně plyne i ze skutečnosti, že operace a postupy, které byly dříve na sobě nezávislé, jsou nyní používány v kombinacích (obr. 3). Toto slučování operací automaticky vede k vytváření kombinací materiálů, jako jsou kovy, plasty nebo hybridní materiály.

 

Při pohledu do budoucnosti jsou zřejmé dva dlouhodobé trendy ukazující na prospěch použití mnohaosých průmyslových robotů. Zaprvé rostoucí nedostatek kvalifikovaných pracovníků ve výrobním sektoru znamená, že složité automatizované výrobní procesy musí být řízeny stále méně kvalifikovanými pracovníky, což však vyžaduje jejich co nejjednodušší ovládání a obsluhu. Jediným racionálním východiskem je zde automatizace výroby při použití všestranných průmyslových robotů. Zadruhé jsou zde demografické změny, které neodvratně způsobí také růst poptávky po konkrétních produktech – např. ve zdravotnictví. Tím v oboru zpracování plastů vzroste tlak na růst produktivity, a tudíž i na zavádění automatizovaných výrobních linek. Určující z pohledu konkurenceschopnosti budou maximální efektivita, přesnost, opakovatelnost a flexibilita výroby. Mimoto, zatímco dříve bylo mnoho zdravotnických výrobků, např. kanyly, injekční stříkačky, pipety atd., vyrobeno ze skla nebo jiných materiálů, v současnosti se vyrábějí z plastů. Důsledkem je, že tento segment roste již nyní nadprůměrnou měrou.

 

Závěr

Odběratelé produktů průmyslu zpracování plastů požadují stále častěji dodávku nikoliv jednotlivých dílů, ale celých montážních sestav. K tomu je třeba navrhnout a začlenit do výrobní linky, pokud jde o automatizaci, i dostatečně výkonnou techniku pro montáž výrobků. Ti výrobci, kteří žijí v přesvědčení, že jejich lineární portálová zařízení zcela splňují požadavky výroby, budou v budoucnosti muset stále častěji čelit cenově agresivní konkurenci, která přistupuje k automatizaci univerzálněji. Alternativy, které umožňují vyrábět trvale s větší přidanou hodnotou přitom existují již nyní. Inteligentní automatizace s použitím mnohaosých průmyslových robotů přináší zpracovateli plastů nadhodnotu zvýšením marže dosahované na samotném výrobku. Protože mnohaosý robot dokáže nastavit díl do polohy ideální pro montáž nebo další opracování, odpadají dříve nutné nákladné a časově náročné třídicí operace a zařízení. Výrobce tak může být také mnohem pružnější, zejména pokud jde o drobné změny na výrobcích nebo při vývoji od prototypů až po sériovou výrobu. Při požadavcích na automatizovanou výrobu složitých dílů vyžadujících technicky náročné výrobní operace je použití průmyslových mnohaosých robotů základním faktorem podmiňujícím dosažení optimálního technického výsledku a trvalého obchodního úspěchu. Tyto roboty, propojující jednotlivé výrobní operace či procesy, odolávají díky své robustnosti a odolnosti extrémním pracovním podmínkám v průmyslu a zároveň v důsledku svých malých požadavků na údržbu a snadného programování snižují provozní náklady.

 

Referenční příklady, které lze nalézt na www.kuka-robotics.com, sdělují jasně: šestiosé průmyslové roboty od firmy Kuka Roboter GmbH nabízejí odvětví zpracování plastů svou velkou provozní flexibilitu i nákladově nenáročný provoz a lze s nimi spolehlivě automatizovat stále složitější výrobní procesy jako podmínku konkurenceschopnosti v tomto oboru (obr. 4). S integrovanými výrobními linkami využívajícími šestiosé průmyslové roboty je možné veškeré budoucí výzvy v oboru zpracování plastů očekávat bez obav.

(Kuka)

 

Obr. 1. Šestiosé roboty výrazně zvyšují stupeň automatizace v odvětví zpracování plastů (foto: archiv společnosti Kuka Roboter CEE GmbH)

Obr. 2. Moderní výrobní zařízení a postupy vyžadují použití šestiosých robotů (foto: archiv společnosti Kuka Roboter CEE GmbH )

Obr. 3. Šestiosé roboty umožňují spojit na jednom pracovišti několik výrobních operací (foto: archiv společnosti Kuka Roboter CEE GmbH )

Obr. 4. Obsluha vstřikovacího lisu šestiosým robotem značky Kuka (foto: archiv společnosti Kuka Roboter CEE GmbH )