Ekonomické a ekologické efekty PVD technologie

Hlavním průmyslovým zaměřením firmy SHM jsou PVD technologie a PVD povlaky. Proto se v následujícím článku zabýváme ekologickými a ekonomickými efekty tohoto oboru.

PVD technologie jsou šetrné k životnímu prostředí

PVD technologie jsou obecně šetrné k životnímu prostředí, protože nepoužívají nebo nemusejí používat nebezpečné chemické látky a plyny. Tento fakt vychází z principu fyzikálního způsobu odpařování či odprašování materiálu, který je stavebním kamenem výsledného povlaku. Název PVD je zkratka odvozená z anglického výrazu Physical Vapour Deposition čili fyzikální nanášení odpařováním. Odpařovaný materiál může být čistý kov, například titan, hliník, chrom a zirkon, nebo jejich slitiny, případně s příměsí některých prvků ovlivňujících cíleně vlastnosti povlaku, jako je například křemík, niob, hafnium atd. Naprostá většina dnešních otěruvzdorných PVD povlaků je tvořena nitridy těchto prvků. Dusík potřebný pro tvorbu těchto nitridů je plyn přítomný v atmosféře zhruba ze 78 %. Jako pomocný plyn slouží argon, který je obsažen v naší atmosféře zhruba z 1 %. Celý PVD proces probíhá ve vakuu a jeho „zplodinami“ jsou zbytky nezreagovaného dusíku (velmi malá koncentrace) a argonu, a to v původní plynné fázi, protože ve vakuu nemají šanci zreagovat na oxidy. Nespotřebované zbytky odpařovaných kovů (katod) a jejich slitin Ti, Al, AlSi, Zr a Cr jsou recyklovány běžným způsobem a vstupují opět do nových materiálů. Nespotřebovaná energie z chladicích okruhů, která je nezbytná pro PVD proces, se může recyklovat na vytápění výrobních prostorů tak, jak je to využíváno právě v SHM. Proto je možné považovat celý cyklus PVD technologie za velmi šetrný k životnímu prostředí.

Principiálně odlišná CVD technologie povlakování má oproti PVD technologii z pohledu našeho tématu řadu nevýhod. Jsou jimi především vysoké teploty, používání rizikových plynů a odpady z CVD technologie. Povlaky z obou technologií se v mnoha směrech doplňují, ale také si konkurují (viz obr. 1). Proto při volbě podnikatelského záměru věnovat se povlakování mohou rozhodovat i ekologické aspekty ve prospěch PVD technologie.

Ekonomické a ekologické efekty PVD povlaků

Jaké jsou přímé ekonomické a ekologické efekty aplikovaných PVD povlaků? Snad by bylo dobré nejprve zmínit, že celkový charakter nástroje či jiného povlakovaného substrátu je tvořen kombinací materiálu nástroje/substrátu, jeho geometrií a povlaku. Proto je třeba přistupovat k hodnocení vlivu samotného povlaku vždy v souvislosti s celým nástrojem, resp. substrátem.

Při posuzování ekonomiky různých úprav řezných nástrojů dochází často ke zjednodušení, že zvýšená životnost nástroje = celý ekonomický přínos. Ve skutečnosti tvoří cena nástroje včetně povlaku v celém procesu obrábění jen malé procento, a proto vliv úpravy ceny nástroje, případně zvýšení či snížení životnosti nástroje se projeví z ekonomického hlediska procesu obrábění minimálně. Zkušenosti a údaje několika světových výrobců nástrojů, obráběcích zařízení a uživatelů lze zobecnit do následujícího vzorce:

komplex nákladů na obrobek = nástroj 5 % + materiál obrobku 17 % + stroje a vybavení 26 % + osobní náklady 32 % + režie 20 %

V konkrétních případech samozřejmě mohou být poměry jiné, ale tato koncepce představuje nejběžnější model v průmyslu (obr. 2).

Možnosti ovlivnění nákladů na obráběcí proces

Na příkladu konkrétní „T – v“ závislosti, která byla získána řeznými zkouškami na pracovišti firmy SHM na CNC zařízení Fehlmann Picomax 60-M, lze dokumentovat možnosti ovlivnění nákladů na obráběcí proces (obr. 3). Řezné podmínky byly voleny tak, aby nižší hodnoty řezných rychlostí odpovídaly běžným podmínkám. Proto byla zvolena jako výchozí srovnávací podmínka řezná rychlost 100 m.min^-1, kdy jsou náklady na úrovni zmíněné v obecně akceptovatelném příkladu poměrů nákladů na obrobek. Pokud zvolíme variantu řezné rychlosti 150 m.min^-1, tedy zvýšené produktivity o 50 %, sníží se trvanlivost nástroje na 55 %, a tím se zvýší cena nástroje na obrobek 1,8x. Celkové náklady se ovšem sníží zhruba o 38 %! Pokud zvolíme řeznou rychlost 160 m.min^-1, pak se cena nástroje zvýší na dvojnásobek, ale celkové náklady se sníží o 45 %! Kouzlo efektu nástroje s PVD povlakem tkví v možnosti zvýšit produktivitu obrábění, která není bez unikátních povrchových vlastností povlaku možná.

Z příkladu a obecné analýzy skladby celkových nákladů (obr. 2) lze odvodit, že v případě snížení nákladů na nástroj o 50 % dojde k celkovému snížení nákladů na obrobek jen o jednotky procent. Tento efekt se zdá ekonomicky nepříliš zajímavý. Ale je mnoho případů, kdy díky prodloužené životnosti nástroje lze efektivně snížit frekvenci výměny a seřizování nástrojů a zjednodušit logistiku tak, že související snížení nákladů je významnější. S logistikou souvisí i přeprava a s přepravou souvisí ekologie. Konkrétní případy se samozřejmě liší a rozsah článku nám nedovolí hlubší analýzu. Proto je naší snahou pouze shrnout podněty k úvahám o vlivu PVD povlaků na ekonomiku a ekologii.

V režijních nákladech na obrábění jsou ukryty náklady na řezné kapaliny včetně jejich ekologické likvidace. Pokud lze s povlakovaným nástrojem vyloučit či omezit použití řezných kapalin, povede to k podstatnému snížení celkových nákladů a k významnému snížení ekologické zátěže. Finanční úspory jsou v řádech desítek procent. Ekologické přínosy jsou mnohem významnější. MQL (Minimum Quantity Lubrication), resp. suché obrábění je prakticky nemožné bez vysoce kvalitních PVD povlaků, především z kolekce tzv. nanokompozitů TiAlSiN a CrAlSiN.

Unikátní vlastnosti PVD povlaků

PVD povlaky se aplikují proto, že mají nebo mohou mít několik výjimečných vlastností:

• velmi vysokou tvrdost;
• nízký koeficient frikce;
• vysokou tepelnou a oxidační odolnost;
• nízkou chemickou afinitu k obrobkům.

Díky těmto vlastnostem se projeví jejich vliv v konkrétních aplikacích v mnoha aspektech – již zmíněná možnost produktivnějších aplikací a snížení objemu či vyloučení řezných či chladicích kapalin, použití nástrojů či substrátů v aplikacích, kde to nebylo bez PVD povlaku možné, a případně jako náhrada dražší a méně produktivní technologie, snížení energetické náročnosti technologických procesů, vyšší spolehlivost nástrojů a substrátů, vyšší kvalita výsledného produktu a snížení zmetků atd. Všechny tyto aspekty lze zahrnout pod téma ekologie a ekonomika. V několika následujících příkladech jsou zmíněny různé přínosy PVD povlaků, které je nezbytné hodnotit individuálně.Díky těmto vlastnostem se projeví jejich vliv v konkrétních aplikacích v mnoha aspektech – již zmíněná možnost produktivnějších aplikací a snížení objemu či vyloučení řezných či chladicích kapalin, použití nástrojů či substrátů v aplikacích, kde to nebylo bez PVD povlaku možné, a případně jako náhrada dražší a méně produktivní technologie, snížení energetické náročnosti technologických procesů, vyšší spolehlivost nástrojů a substrátů, vyšší kvalita výsledného produktu a snížení zmetků atd. Všechny tyto aspekty lze zahrnout pod téma ekologie a ekonomika. V několika následujících příkladech jsou zmíněny různé přínosy PVD povlaků, které je nezbytné hodnotit individuálně.

Náhrada soustružení tvářením za studena

Jako první příklad je výroba volnoběžného náboje cyklistických kol ve firmě Velosteel Trading, a. s., v Loučné nad Desnou. Původní technologie soustružení měla být nahrazena objemovým tvářením za studena. Požadavek byl podmíněn dosažením nízkých nákladů na výrobek. Řešení bylo možné dosáhnout jen s povlakovanými nástroji – razníky a zápustkami. Výsledkem je nejen kvalitní výrobek, ale i dosažení potřebných nákladů na výrobek a celkové roční úspory firmy proti původní technologii ve výši 5 mil. Kč. Není třeba zdůrazňovat, že rozdíl v soustružení a tváření je také v dopadu na pracovní a životní prostředí (viz obr. 4).

Optimalizace PVD povlaku pro frézování mosazi

Jako druhý příklad je optimalizace PVD povlaku pro frézování mosazných klecí válečkových ložisek ve firmě ZKL Hanušovice, a. s. Z výsledků je zřejmé, že v tomto případě jsou přínosy v životnosti nástroje a snížené frekvenci přeostřování a výměny nástrojů. Požadovaný a také dosažený efekt je vyšší kvalita a snížená zmetkovitost. Významný vliv PVD povlaků na snížené nalepování některých materiálů na nástroj přináší vždy kombinované přínosy – viz obr. 5.

PVD povlak pilových listů

Jako třetí příklad je nasazení PVD povlaku na pilových listech firmy Neva - Trade, s. r. o., z Kardašovy Řečice pro řezání dřevěného masivu – v tomto případě mokrého dubového dřeva. Hlavním úkolem bylo zamezení nalepování organické hmoty na tělo listů a dosažení minimálně stejných výsledků jako u konkurenčních výrobků. Bez povlaku je aplikace téměř nemožná a původně používaný PVD povlak nevyhověl předchozímu kritériu. Optimalizací PVD povlaku se podařilo dosáhnout lepších výsledků než u konkurenčního pilového listu. V tomto případě nemáme k vyhodnocení ekonomických a ekologických efektů dostatek podkladů, a tak ponecháváme toto hodnocení na individuálním úsudku čtenáře.

Z příkladů a opravdu jen nástinu rozboru ekonomických přínosů optimalizace řezných nástrojů lze usoudit, že přínosy aplikace PVD povlaků na nástrojích mají široký rozměr a nelze je postihnout jen porovnáním zvýšených životností a ceny povlaku. Pro každou aplikaci PVD povlaku lze najít více argumentů pro jejich nasazení ať už technických, ekonomických či ekologických.

RNDr. Pavel Holubář

Roman Janků

Ing. Ondřej Zindulka

//www.shm-cz.cz/

holubar@shm-cz.cz