Témata
Zdroj: Podklady společností Okuma a Brother

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 2: Vliv výrobních strojů

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hrají roli politika a byznysové zájmy, a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Tento článek je součástí seriálu:
Energetická náročnost výrobních zařízení
Díly
Ondřej Svoboda

Jednatel a spolumajitel společnosti Misan. Vystudoval čtyřleté gymnázium. Z mimoškolních aktivit se věnoval prakticky denně sportu. Po ukončení doktorského studia na ČVUT a nástupu do zaměstnání si dálkovou formou doplnil vzdělání v elektrotechnice (výuční list) z důvodu získání oprávnění pracovat samostatně na zařízeních pod napětím (vyhláška 50). Jeho volba padla na Strojní fakultu ČVUT, specializaci „výrobní stroje a zařízení“. Po ukončení doktorského studia spojeného se zaměstnaneckým poměrem ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT na Fakultě strojní ČVUT v Praze pracoval po dobu jednoho roku ve výrobním závodě jednoho z japonských výrobců obráběcích strojů v Anglii. Poté přišel do rodinné firmy Misan, kterou jeho otec spoluzakládal. Věří, že směřování jeho firmy najde pozitivní odezvu v českém průmyslu, jehož budoucnost vidí právě v zaměření na složité a přesné výrobky vyráběné s nejvyšší produktivitou. 

Doc. Pavel Bach

Působí na výzkumném centru RCMT při ČVUT v Praze. Specializuje se na oblast kmitání a stabilitu obráběcího procesu.

Reklama

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.

Vyčíslení emisí

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.

Emise CO2 spojené s výrobou, používáním a likvidací automobilů, v tunách za životní cyklus.
(Zdroje: Mezivládní panel pro otázky změny klimatu (IPCC), Zpráva o oteplování atmosféry, 2018. Globální výhled Mezinárodní energetické agentury (IEA) z roku 2020)

Role průmyslu obráběcích strojů

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.

Reklama
Reklama
Reklama

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.

Příklad rozložení spotřeby energie NC obráběcího centra.
(Zdroj: Podklady společností Okuma a Brother)

Přístup společnosti Brother

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.

Porovnání spotřeby energie na cyklus operací. Stroj Brother Speedio S500X2 vs. konkurenční BT30 a BT40.
(Zdroj: Toward Realizing Carbon Neutrality Environmental performance of Speedio, Brother, 2022)
Spotřeba energie Brother Speedio W1000Xd1 a konkurenčního centra BT40 na stejný cyklus.
(Zdroj: Toward Realizing Carbon Neutrality Environmental performance of Speedio, Brother, 2022)

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.

Zlepšení parametrů center Brother Speedio S500X2 oproti TC-S2C
(Zdroj: Toward Realizing Carbon Neutrality Environmental performance of Speedio, Brother, 2022)

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.

Dosažené snížení emisí CO2 a úspory elektřiny.

Závěrem

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.

Reklama

Přístup společnosti Okuma

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.


Energetická náročnost obráběcích strojů, část 1: Obecný úvod do problematiky

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hraje roli politika a byznysové zájmy a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Související články
Vezměme rozum do hrsti a bojujme

Pavel Sobotka, zakladatel a ředitel firmy Frentech Aerospace. Základy technických a technologických schopností získal v Tesle Brno, kde pracoval 27 let. Již tehdy byl přesvědčen, že přesná mechanika bude stále atraktivním oborem, jelikož se podílí absolutně na všem, co používáme. Brýle, zdravotnická technika, auta, letadla, kosmické rakety, obranný průmysl, tiskařina, výroba mikročipů, počítačů a mnoho dalšího.

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 3: Inteligentní technologie

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a  napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. 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.

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 1: Obecný úvod do problematiky

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hraje roli politika a byznysové zájmy a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Související články
Důraz na udržitelnost, digitalizaci a 3D tisk

Japonsko je zemí, kde se rodí nejmodernější technologie a kde se dbá na udržitelný způsob života. Je kolébkou průmyslu a domovem největších průmyslových firem. Každé dva roky mají návštěvníci z celého světa možnost nahlédnout prostřednictvím veletrhu Jimtof (Japan International Machine Tool Fair) pod pokličku nejnovějších inovací v oboru obráběcích strojů a jejich příslušenství. Díky pozvání Japonské asociace výrobců obráběcích strojů JMTBA jsme měli možnost zúčastnit se tohoto veletrhu osobně. V následující reportáži se vám pokusíme zprostředkovat alespoň pár nejzajímavějších témat, která zde zazněla.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Na cestě ke zrození stroje: Závěrečné ohlasy

Série 10 článků konstruktéra Michala Roseckého během celého roku popisovala proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku se autor snažil čtenáře provázet tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje, část 8. Logistika

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

CIMT a Čína v roce 2023

Počínaje Velikonočním pondělím se v Pekingu, téměř tradičně v tomto čase, po pět dnů konal další ročník veletrhu výrobních strojů CIMT 2023. Pro cizince byla poslední výstava jednoduše dostupná na jaře roku 2019. Od ledna 2020 se přestalo do Číny létat a události nabraly nečekaný spád. V tomto krátkém textu se podíváme na výstavu i před brány výstaviště.

USA: Sázka na stabilní trh

Spojené státy americké se řadí mezi největší vývozce na světě. Pro naše firmy představuje nejúspěšnější exportní destinaci z mimoevropských trhů. Za poslední období dochází k postupnému nárůstu našeho exportu, v roce 2019 poprvé v historii přesáhl 100 mld. Na trh USA vyvážíme zboží s nejvyšší inovační hodnotou, jako jsou např. letecké motory, zdravotnická zařízení či mikroskopy. Tyto komodity by se nyní mohly rozšířit o další sektory, jako například výrobní stroje pro high-tech výrobu.

Současné ceny energií jsou pro firmy likvidační

Pavel Janeček působí v energetice celý svůj profesní život. S redakcí MM Průmyslového spektra se podělil o své dlouholeté zkušenosti z plynárenského byznysu a o názory na řešení energetické krize v České republice. Navrhuje konkrétní východiska a apeluje na rychlé jednání české vlády.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

MM Podcast: Glosa - Hra o energii o třech dějstvích

Mysleme na to, že Evropa je nyní blíže okamžiku bodu zvratu, protože již několik let trvající trend postupného poklesu konkurenceschopnosti tohoto regionu se dostane do ještě strmější trajektorie. Toto obrovské riziko zde reálně hrozí, a pokud na něj nebudeme reagovat a věnovat se jeho řešení, hrozí nám obrovské sociální problémy, které jsme zde za posledních několik desetiletí neřešili. A válka na Ukrajině, která není jeho prvotní příčinou, tento trend dále eskaluje.

Príhovor Štefana Kassaya: Život sa neriadi podľa algoritmov

Pozdravy dobré ráno, pekný deň sa považujú za slušnosť a dobrú výchovu. Rovnako na pracovisku je prejavom spolupatričnosti aj úsmev, vzájomný stisk rúk a pochopenie nálad. Veľa prezrádza výraz tváre ako reflexia vnútorných pocitov a pripravenosti na plnenie plánovaných úloh. Vlastných a zosúladených s pracovnými povinnosťami podľa zosnovaného algoritmu.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

To byl Hannover Messe 2024

Letošní hannoverský veletrh opět přilákal do hlavního města Dolního Saska mnoho lidí. Jak to vypadalo na místě? Byly vystavující firmy spokojené?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit