Energetická náročnost obráběcích strojů: Část 2. Vliv výrobních strojů

Smyslem předkládané trilogie článků není rozklíčovat současný stav a doporučit řešení, ale z pohledu konstrukce a provozu výrobních zařízení představit řešení firem, které primárně nehledí na byznys, ale na budoucnost naší planety. Dnes se zaměříme na přístupy k vyčíslení emisí u výrobních strojů, konkrétněji u obráběcích strojů. Na příkladu japonského výrobce kompaktních vysokorychlostních obráběcích center ukážeme, jak dosáhnout minimální spotřeby energií při opracování konkrétních dílců.

Podle mezinárodně domluvené metodiky se množství oxidů uhlíku, emitované určitou výrobní společností, vypočítává z dílčích emisí celého výrobního i dodavatelského řetězce. Je klasifikováno ve třech okruzích. Okruh 1: přímé emise, vypouštěné sledovanou výrobou. Okruh 2: nepřímé emise, tj. ty, které produkují dodavatelé elektřiny, tepla nebo páry a surovin nutných pro výrobu v daném podniku. Okruh 3: emise vznikající mimo první dva jmenované okruhy. Podle mezinárodních úmluv jsou podniky zavázány snížit část emisí 1. a 2. okruhu do roku 2030 a do roku 2050 pak dosáhnout tzv. uhlíkové neutrality. Uhlíkově neutrální by ideálně měla být celá planeta. Byl by to rovnovážný stav atmosféry, za kterého by se úhrnné množství na planetě vyprodukovaných skleníkových plynů zcela pohltilo ekosystémy a oceány planety.

Při vyčíslení množství emisí se berou v úvahu emise přímo vyprodukované daným subjektem, dále emise nepřímé, vypouštěné dodavateli energií, surovin a materiálů, a také emise produkované dopravou surovin, případně dílů od subdodavatelů, používaných při výrobě, jakož i emise vznikající při používání a likvidaci produktů daného subjektu.

Automobilová doprava a samotná výroba automobilů má velký podíl na světových emisích skleníkových plynů. Z tohoto důvodu byl, jako jedno z možných řešení, nastolen trend přechodu na elektromobily. Ani zde však nejde o čistou technologii. Podle Globálního výhledu Mezinárodní energetické agentury (IEA) z roku 2020 emituje výroba elektromobilů dvakrát více CO₂ než výroba vozidel se spalovacím motorem. Kromě toho jsou emise z výroby energie potřebné k výrobě elektromobilů trojnásobné. Výhodou je, za určitých předpokladů, bezemisní provoz elektromobilů. Pozici spalovacích motorů zhoršují vysoké emise při jejich provozu.

Obráběcí stroj je mechanismus poháněný elektrickou energií. Z hlediska emisí škodlivých látek ho lze přirovnat k elektromobilu. Emise v provozu elektromobilu jsou prakticky nulové, ale jeho výroba a výroba energie potřebné pro jeho výrobu jsou emisemi zatíženy. Podobně je to u obráběcího stroje. Jeho provoz generuje přímo jen mizivé množství CO₂. Snad bychom mohli zmínit exhalace olejových par při obrábění. Avšak stroj je závislý na dodávkách elektřiny, tepla a stlačeného vzduchu (podobně jako elektromobil je závislý na dodávkách elektrické energie pro nabíjení jeho baterií), takže jeho výroba i provoz vyvolávají nepřímé emise skleníkových plynů od poskytovatelů těchto energií. A konečně je zde zásobovací řetězec, ať už při výrobě stroje, nebo při jeho provozu. Zde se uplatňuje negativně např. doprava svými silnými emisemi nebo výroba oceli. Už jen z tohoto neúplného výčtu je zřejmé, že podaří-li se snížit spotřebu energií samotného stroje, dosáhneme i snížení nepřímých emisí.

Kvantifikovat přímé a nepřímé emise skleníkových plynů související s výrobou a provozem obráběcích strojů je zřejmě velmi obtížné. Pravděpodobně bychom dospěli k číslům zanedbatelným vůči emisím dopravy a jiných průmyslových odvětví. To však neznamená, že bychom měli a mohli na snižování emisí, a tedy i energetické náročnosti obráběcích strojů, rezignovat. Ostatně většina uživatelů obráběcích strojů pocítila nárůst cen elektrické energie v posledních měsících. Je dobře, že řada výrobců je přesvědčena o spojitosti spotřeby energie při obrábění s množstvím emisí oxidu uhličitého. Nabízí se tak závislost množství produkovaných emisí při výrobě (obrábění) konkrétního dílce na koncepci a typu použitého obráběcího stroje.

V Japonsku společnosti Okuma a Brother započaly snižovat energetickou náročnost svých obráběcích strojů již před několika lety. Pro ilustraci uveďme výsledek jedné energetické analýzy obráběcího centra. Zjistilo se, že pohon vřetena a pohony NC os se podílejí na spotřebě stroje 20 %, a pomocné agregáty 80 %. Zdá se tedy, že při snižování energetické spotřeby při obrábění je třeba si všímat především spotřeby energií periferií strojů.

Podívejme se nyní na konkrétní příklady energetické náročnosti obráběcích center Brother Speedio. Tato centra byla vyvinuta pro technologii obrábění vysokými rychlostmi s vysokou účinností. K dispozici jsou například údaje o spotřebě energie pro Speedio S500X2 (příkon stroje 9,5 kVA) v porovnání s konkurenčními obráběcími centry s kuželem vřetena BT30 (15 kVA) a BT40 (37 kVA). Všechny tři stroje obráběly stejnými nástroji totožný obrobek. Ke spotřebě elektřiny byl přičten elektrický ekvivalent spotřeby stlačeného vzduchu. Spotřeba vzduchu za tento cyklus byla u BT40 224 litrů, zatímco u Speedio jen 69 litrů.

Podobně byla porovnána spotřeba energie (elektřina + ekvivalent spotřeby vzduchu) u strojů Brother Speedio W1000Xd1 a strojů s vřetenem BT40. Tentokrát pro tři různé obrobky.

Řada modelů Speedio nabízí kompaktní konstrukci stroje s vysokou tuhostí ve své třídě, velký pracovní prostor, s možností volby modelu s paletovým výměníkem, a také s možností soustružení na modelech M200Xd1 a M300X3. Ve srovnání s centry s vřeteny BT30 a BT40 je silně snížena spotřeba vzduchu při ofuku třísek během cyklu výměny nástroje. Zatímco např. BT40 spotřebuje 150 litrů vzduchu za minutu, Speedio má spotřebu pouze 45 litrů.

Úspor bylo dosaženo na Speedio oproti centru BT30 i na cyklových časech. Podle měření se obrábění zrychlilo až o 12 %. Výměna nástrojů je také rychlejší. Speedio zde dosahuje 15% úspory oproti ostatním strojům s vřeteny BT30. Pohony vřeten mají vysokou účinnost. Používají se synchronní motory s vysokou účinností a schopností rekuperace energie při brždění. Díky vlastní konstrukci NC systému firmy Brother šetří NC funkce značné množství času. Kromě toho mají modely Speedio optimalizovanou spotřebu vzduchu, což se v průzkumech ukazuje jako velmi efektivní. Vzduchové kompresory podle statistik spotřebují 20 až 30 % elektrické energie továrny. Přitom výroba vyžaduje asi 55 %. Společnost Brother proto používá na svých strojích snížený tlak vzduchu a klade důraz na eliminaci úniků stlačeného vzduchu. Dokumentuje to i graf znázorňující zlepšení parametrů modelu Speedio S500X2 z roku 2018 v porovnání s ekvivalentním modelem TC-S2C z roku 2005.

Společnost Brother zavedla i zdánlivou drobnou úsporu, vypínání momentálně nepotřebných funkcí stroje. Na všech modelech řady Speedio byly zavedeny funkce „turn-off“, tedy vypínání po určité době, jestliže není nutné, aby byla funkce aktivní. Týká se to servomotorů, osvětlení stroje, displeje řízení, chlazení i připojení stroje k napájení (automatické vypnutí stroje po dokončení výrobní dávky). Jednotlivé funkce se samozřejmě ovládají automaticky. Dohromady mají tyto funkce příkon téměř jako 600W spotřebič.

Analýzy energetické náročnosti produktů firmy Brother se neomezují jen na několik ukázkových strojů. V následující tabulce je přehled úspor dosažených pro několik modelových sérií Speedio vzhledem k centru s kuželem BT40.

Společnost Brother se snaží přispět k naplňování zásad Kjótského protokolu i nejnovějších závazků států v oblasti snižování emisí skleníkových plynů stálým vyhledáváním energetických rezerv svých výrobků. V Japonsku není v tomto osamocena. Další vynikající výrobci obráběcích strojů postupují stejným způsobem. Je to patrné z každé prezentace jejich strojů na světových výstavách. Zdá se, že si uvědomili, že tváří v tvář přibývajícím důkazům o klimatických změnách už není udržitelná strategie neustálého ekonomického růstu za každou cenu. Neboť tato strategie už neurčuje kvalitu života na Zemi, protože jejím důsledkem je strmý růst spotřeby energie. Naopak, japonští výrobci obráběcích strojů nastoupili cestu efektivního využívání energie v technice. Série center Brother Speedio je jedním ze zdařilých výsledků tohoto úsilí.

Na časté ekonomické námitky proti snižování emisí oxidu uhličitého odpovídá japonský výrobce obráběcích strojů Okuma příslibem následujících závazků:

1.  snížíme energetické nároky našich strojů i nároky jejich výroby a distribuce;

2. nízkoenergetickými stroji dosáhneme nejprve snížení spotřeby energií v našich výrobních závodech, a později i úplné uhlíkové neutrality;

3. zachováme (případně zlepšíme) produktivitu našich strojů;

4. zachováme dlouhodobě stabilitu přesnosti našich strojů.

Odpůrci dekarbonizace továren mají obavy, že zavedení příslušných opatření bude velmi nákladné, povede k poklesu produktivity strojů, nebo dokonce ke zhoršení jejich přesnosti, což se promítne do efektivity výroby podniku. Společnost Okuma tento postoj odmítá a deklaruje snížení emisí CO₂ a nízkou spotřebu energie svých strojů při dlouhodobě udržitelné přesnosti a zvýšení produktivity díky zkrácení cyklových časů.

Okuma definovala nové modely svých produktů jako Green-Smart Machines. Rozumí se tím stroj, který plně využívá inteligentní technologie ke snížení spotřeby energie a současně dosahuje vysoké produktivity a stabilní přesnosti. Společnost vydala v roce 2022 prohlášení, z něhož citujeme: „Green-Smart Machine je ekologicky šetrný inteligentní stroj vhodný pro dekarbonizovanou společnost díky autonomnímu snižování spotřeby energie a zaznamenávání emisí CO₂. Tyto postupy umožňuje patentovaná technologie společnosti Okuma vyvinutá v průběhu let.“ Označování strojů emblémem Green-Smart Machine bude zavedeno v průběhu roku 2023.