Inteligentní systém mazání pro lisování

O spolupráci firmy Dafra a TechTest v rámci projektu AMSOL – „Pokročilý mechatronický systém lisování s řízeným mazáním“ – LTE118011 s mezinárodní podporou výzkumu a vývoje „Inter-Eureka“, zaštítěnou Evropskou unií, jsme si povídali s Ing. Janem Kudláčkem, Ph.D., jednatelem společnosti TechTest, výrobce průmyslových detektorů čistoty povrchu Recognoil. Vzájemná spolupráce probíhala v letech 2018 až 2021 a jejím cílem bylo navrhnout systém pro online detekci nanášení mazacího prostředku při lisovacím procesu, postavit zkušební zařízení a v reálném provozu jej otestovat.

MM: Vezmu to trochu oklikou. Jak spolu souvisí kontrola a řízení mazání v procesech lisování a výroba elektronických součástek? A proč je tak důležitá?

Ing. Kudláček: Průmyslová výroba malých elektronických kontaktních součástek, jako jsou zástrčky, kolíky, součásti relé, spínače, bezpečnostní spínače, chladicí tělesa aj., vyžaduje vysokou přesnost a dobře řízený tvářecí proces. Jelikož se jedná o hromadnou výrobu ve velkých objemech 0,5 až 5 milionů dílů na výrobní šarži, produktivita a správný výběr parametrů procesu mají nemalý vliv na přidanou hodnotu lisovaných dílů. Geometrie vyráběných elektronických součástek je velmi složitá. Geometrický tvar součásti je výsledkem několika operací postupného tváření, z nichž každá ovlivňuje toleranci konečného produktu. Kromě toho jsou předepsané rozměrové tolerance lisovaných částí extrémně nízké, často v rozmezí 20 μm a v některých případech i méně. Součásti jsou běžně vyráběny z tloušťky plechu 0,1 až 0,8 mm, ze kterého jsou plošně tvářeny do různě tvarově složitých dílů.

Přesná výroba těchto malých kontaktních elektrických součástek je tedy komplexním problémem, který závisí na vlastnostech materiálu a jeho tvářitelnosti, tloušťce, rychlosti lisování, tribologických podmínkách, opotřebení nástroje na kontaktní ploše, druhu a množství použitého maziva k lubrikaci plechu pro minimalizaci tření a opotřebení nástroje, ale také na vlivu teploty v tvářecí zóně. Dosažitelné toleranční pole vyráběných dílů je ovlivněno všemi výše uvedenými parametry. Z tohoto důvodu je s běžnými tvářecími nástroji obtížné zajistit dosažení požadovaných tolerancí. V některých případech již předepsané tolerance překračují meze spolehlivé výroby konvenčními nástroji. Za tímto účelem byly analyzovány charakteristiky procesu tváření – mezi nimi také nanášení mazacích prostředků pro zajištění vhodných tribologických podmínek, spolehlivý rozsah tolerance a potřebná opatření ke zlepšení kvality procesu tváření elektronických kontaktů.

MM: Jak jste se k této spolupráci se slovinským výrobcem elektronických kontaktů Dafra dostali?

Ing. Kudláček: Na základě popsaných požadavků byla společnost Dafra nucena požádat o spolupráci výzkumné pracovníky z univerzity v Lublani. Jejich úkolem bylo navrhnout inteligentní mechatronický tvářecí systém, který by umožnil ve všech směrech zvýšit efektivitu lisování. Specialisté z Lublaně navrhli pro maximalizaci přínosu nové technologie doplnit systém o schopnost analýzy nanesených mazacích prostředků. Díky sdílení kontaktů mezi výzkumnými a vývojovými institucemi byla s žádostí o spolupráci oslovena právě naše firma TechTest, neboť se na detekci olejů a jiných maziv specializujeme již řadu let.

MM: Můžete popsat systém, který jste firmě Dafra navrhli?

Ing. Kudláček: V rámci řešení projektu byl na straně společnosti Dafra vyvinut systém, který sbírá informace především ze senzorů teploty, síly a akustických rázů a pracuje s daty z PLC, které řídí proces lisování. Systém tedy umožňuje automaticky pružně reagovat na změny v tvářecím procesu, jako je například opotřebení nástrojů, rozložení konzervačního oleje, rychlost lisování atd. Jedná se o aplikaci komplexního řízení celého výrobního procesu v souladu s požadavky Průmyslu 4.0 a tím zajištění vhodných tribologických podmínek majících vliv na celý proces lisování včetně kvality výlisků.

Optimální tribologické podmínky hrají v sériové výrobě zásadní roli. Stabilní výrobní proces pomocí technologie tváření je silně závislý na dostatečném mazání. Subsystém sledování lubrikace byl úkolem pro naši firmu TechTest. Při řízeném způsobu nanášení mazacího prostředku může být jeho množství díky vhodnějšímu rozložení na povrchu sníženo, nebo dokonce vyloučeno v oblastech kovového pásu, kde k tváření nedochází. O to se stará právě vyvinuté modulové zařízení pro online detekci nanesení mazacího prostředku.

MM: Jaké konkrétní výhody detekce nanesení mazacího prostředku v procesu lisování přináší?

Ing. Kudláček: Podstatou implementace zařízení na detekci je definovat množství mazacího prostředku pro zajištění optimálních tribologických vlastností při procesu lisování. Sekundárním přínosem je snížení objemu těchto prostředků, jelikož ve většině případů musí být vyráběné součásti po tváření lubrikačních prostředků zbaveny. Proto je nutné do výrobního procesu zařadit technologii odmašťování a odstraňovat tak zbytky všech procesních kapalin. Pro další zpracování musejí být součástky čisté, což je důležité zejména při následném pájení, svařování, galvanickém pokovení, před montáží či usazením do plastu. Odmašťovací proces u hromadně lisovaných dílů vyžaduje velké množství energie, chemických prostředků a vody, čímž zvyšuje náklady na lisované součástky.

Zavedení prvku detekce přímo do procesu lisování (výrobní linky) umožňuje kontrolu množství spotřebovaných mazacích prostředků a vede tak k zajištění komplexního řízení výrobního procesu tváření, snížení zmetkovitosti a opotřebení nástrojů, snížení provozních nákladů, snížení ekologické zátěže a zvýšení produktivity a kvality finálních výrobků. Pozitivní efekt je tak několikanásobný. Uspoří se velké množství energie na čištění, vzniká výrazně nižší množství odpadů z procesu odmašťování, čímž se zvyšuje přidaná hodnota dílů díky snížení nákladů na čištění.

Značným přínosem redukce používaných olejů je také snížení výsledné koncentrace olejových aerosolů v ovzduší v blízkosti lisů, dochází tedy ke zvýšení úrovně hygienických parametrů pracovního prostoru pro operátory obsluhující výrobní stroje.

MM: Na jakém principu vaše detekční zařízení funguje?

Ing. Kudláček: V oblasti detekce mastných látek a nečistot existuje pouze omezené množství technologií a zařízení. Většina z nich je pouze informativního charakteru, nebo se naopak jedná o náročné laboratorní ověřovací metody. Pro detekci zamaštění v reálném čase v současné době existují pouze nástroje na principu infračerveného záření či laseru. Tato zařízení jsou však buď nevhodná pro vestavbu do linky, případně velmi drahá. Na základě dlouholetých zkušeností s UV-VIS spektrometrií jsme zvolili tuto metodu pro vývoj rychlé a přesné online detekce a optimalizace množství mazacích prostředků potřebných pro správnou funkci tvářecích procesů.

Vyvinuté zařízení slouží k detekci množství a homogenity mazacího prostředku, je založeno na optoelektronickém principu detekce fluorescence použitých lubrikačních látek (tvářecích olejů). Jako základ vývoje tohoto typu online detekčního zařízení byl použit princip využívaný u ručních zařízení na kontrolu čistoty povrchu Recognoil. Vyvinuté zařízení bylo zkonstruováno jako modulové, pro zajištění rozsahu detekční plochy šíře od 12 mm do 120 mm. Základ zařízení tvoří měřicí box, který umožňuje detekci mazacího prostředku z obou stran procházejícího materiálu (tvářecího plechu) před samotným procesem lisování. Kvůli výskytu velkého množství olejových aerosolů v lisovacím prostoru byla velká pozornost věnována důslednému utěsnění optických měřicích prvků.

MM: Co všechno musí takové detekční zařízení obsahovat, aby bylo schopné vyhodnotit a zpětnovazebně upravovat množství nanášeného maziva?

Ing. Kudláček: Detekční zařízení obsahuje vlastní kontrolér. Vyhodnocení dat zprostředkovává naší firmou na míru vyvinutý software, který zpracovává data z jednotlivých fluorescenčních senzorů. Vyhodnocuje intenzitu a rozložení fluorescence lubrikační látky a pomocí matematického modelu tyto informace přepočítává na plošnou koncentraci oleje. Pomocí datového rozhraní kontrolér předává informace nadřazenému systému a ten přizpůsobuje parametry dávkovacího zařízení pro zajištění optimální lubrikace materiálu vstupujícího do procesu tváření.

MM: Kde lze detekci mazacího systému s výhodou ještě použít?

Ing. Kudláček: Toto detekční zařízení pro online vyhodnocování mazacího systému je primárně určeno pro technologie lisování kovových materiálů. Cílovým segmentem nově vyvinutého zařízení však mohou být všechny automatizované výrobní technologie z oblasti tváření, svařování, lepení a v neposlední řadě povrchových úprav. Další možné uplatnění detekčního zařízení může být v těch odvětvích, kde je vyžadována výrazná energetická úspora ve výrobním procesu, optimalizace celých výrobních technologií či výrobních nástrojů, snižování výrobních nákladů a snižování ekologické zátěže. Zařízení může také nalézt uplatnění i v dalších oborech, nejen strojírensky orientovaných (stavebnictví, elektronika, potravinářství, chemický průmysl, energetika, medicína).

Systém detekce mastných látek se v testovacím provozu osvědčil a stal se tak významnou a neoddělitelnou součástí celého inteligentního mechatronického systému řízení lisování ve společnosti Dafra. V současné době na trhu neexistuje funkčně a cenově srovnatelný nástroj, který ve výrobních linkách v reálném čase hodnotí parametry mazání a umožňuje zpětnovazebně řídit proces nanášení lubrikačních látek.

MM: Lze tedy říci, že jste splnili hlavní cíl projektu?

Ing. Kudláček: Určitě. Naším cílem bylo zapojit se do vývoje pokročilých senzorových systémů splňujících požadavky Průmyslu 4.0 a umožnit jejich integraci v automatizovaných, robotických a informačních systémech, což se povedlo.

MM: Gratuluji k dosaženému výsledku a přeji mnoho dalších.