Cum se alege o maşină-unealtă: Consecințe referitoare la maşinile-unelte

Procesele de fabricație, generatoare de produse finale – bunuri de larg consum sau industriale – trebuie să fie astfel alese, încât să satisfacă cerințele de sustenabilitate, în plus față de eficiența costurilor, flexibilitate, fiabilitate, securitate. Ca mijloc de producție fundamental, generatoare de alte mijloace de producție, mașinile-unelte trebuie să satisfacă multe condiții. Producătorilor de mașini-unelte li se solicită să livreze sisteme de producție sustenabile din punct de vedere ecologic, care să permită utilizatorilor să exploateze rațional resursele, minimizând consumul de energie, de materii prime și de alte mijloace [63].

Precizie, fiabilitate, durabilitate, flexibilitate, ergonomie, dimensiuni compacte, competitivitate, compatibilitate cu condițiile halei industriale sunt condiții general valabile pe care trebuie să le satisfacă o mașină-unealtă competitivă [27, 114].

Dimensiuni compacte se referă, în principal, la cerea ca amprenta la sol (suprafața ocupată pe radierul halei industriale, împreună cu toate instalațiile anexe) să fie cât mai mică, fără a afecta spațiul de lucru (dimensiunile maxime de prelucrare). Aceste deziderate sunt satisfăcute prin două măsuri: revizuirea structurii mașinii de bază și prin optimizarea amplasării componentelor și a sistemelor auxiliare [87].

O mare dezvoltare au luat-o de câțiva ani buni centrele de prelucrare și, în special, cele multioperaționale (capabile să execute prelucrări complexe și complete într-o singură prindere a piesei). Acestea sunt foarte versatile, flexibile și eficiente din punct de vedere economic, dar pot satisface solicitări curente, inclusiv de a fi economice la prelucrarea unor loturi de piese începând cu o piesă în serie, până la producția de serie mare. S-au avansat concepte cum ar fi Lifetime Productivity, care înseamnă realizarea de mașini-unelte capabile să asigure productivitatea și precizia de prelucrare pe întreaga durată de viață a mașinii (cu anumite intervenții periodice pentru menținerea parametrilor funcționali și de precizie) [89].

Tehnologia trebuie să ajute utilizatorul, nu să-i stea în cale. Fondatorii companiei HURCO au considerat că tehnologia trebuie să minimizeze sarcinile obositoare, plictisitoare și redundante, permițând operatorului să fie mai productiv. Ideea că tehnologia trebuie să sprijine operatorul, nu să-l controleze, rămâne elementul central al culturii firmei și al tehnologiei acesteia.

Parcurgerea mai rapidă a traseului de la desen (documentație tehnologică) la piesă este mintea care prevalează asupra metalului și reprezintă conceptul companiei [110]. Preocupări deosebite se desfășoară și sunt susținute consistent (investiții în cercetări care reprezintă 6,5% din venitul anual net) pentru a integra mașina-unealtă în ecosistem [114].

Conform Raportului [144] există o diferență clară, semnificativă între evaluarea inovării în țările din Nordul și Vestul Europei față de cele din Centrul, Estul și Sudul Europei. Pentru menținerea unor nivele actuale de prosperitate este nevoie de accelerarea eforturilor de inovare, iar Europa poate aștepta rezultate deosebite prin concentrarea pe resursele de creștere a talentelor sale. Se explorează noi modalități de evaluare a inovării, a capitalului uman și a competitivității în variate etape/stadii ale dezvoltării, ca și modul în care instrumentele de evaluare pot fi utilizate pentru prioritizarea politicilor.

Din experiența firmei HURCO (și nu numai a acesteia) rezultă următoarele: componente de înaltă calitate + fabricație meticuloasă = o mașină rigidă și fiabilă, construită să dureze.

Concurența din domeniul producătorilor de mașini-unelte ca și cea din domeniul prelucrătorilor a impus primilor (producători de mașini universal sau de sisteme de mașini – linii automate) să le reproiecteze. Noile soluții (sprijinite de dezvoltările din domeniile componentelor – mecanice, electrice, hidraulice, software etc) au condus la creșterea parametrilor dinamici (accelerație), la diminuarea amprentei la sol, a rigidității etc, toate cu avantaje evidente pentru utilizator ș112ț. Eficiența, calitatea, flexibilitatea și disponibilitatea constituie bazele succesului oricărei companii, indiferent de locul de amplasare a spațiului de producție. Costul minim este esențial în determinarea plasării unei comenzi sau nu, dar nu trebuie să fie unicul parametru de evaluare. Toate acestea sunt realizate cu ajutorul tehnologiei de producție inteligente. Accentul cade pe îmbunătățirea conceptelor (echipamente, tehnologii de comandă și software, scule și procese).

Printre stimulenții inovării se includ modificarea mărimii lotului de prelucrat, numărul foarte mare de variante ale produselor diferite (tendința de personalizare a produselor, inclusiv a celor în serie), noi materiale, cerințe de sustenabilitate ș.a. ,,în mod foarte general, cerințele ca operatorul mașinii să trebuiască să dirijeze devin progresiv mai extensive și mai complexe” Dr. Wilfried SCHÄFER.

Predictibilitatea procesului de prelucrare permite unei companii să ,,opereze” mașinile-unelte nesupravegheate noaptea, în zilele libere, de sărbătoare producând permanent. Inițial, firma s-a ocupat de proiectarea și producerea de matrițe pentru injectat mase plastice. Odată cu dobândirea de experiență, s-a modificat profilul, producând matrițe pentru cauciuc, pentru turnare și pentru suflare. S-a mers mai departe și, la ora actuală, firma s-a angajat în repararea și recondiționarea matrițelor uzate. Au reușit să prelucreze matrițele la forma și la condițiile finale, fiind necesare doar mici activități la banc.

Aceste reușite se datorează și capabilităților unei mașini-unelte care folosește blocuri de program anticipative, capabile să utilizeze avantajele unor accelerații/decelerații mari [138].

Personalizarea mașinii-unelte este o altă soluție de a crește competitivitatea producătorului de mașini-unelte și de satisfacere mai bună a necesităților utilizatorului. Această personalizare comportă două aspecte:

·       realizarea unei construcții modulare, care să permită producătorului de mașini-unelte să ,,asambleze” rapid mașina-unealtă solicitată, din module deja existente (elemente de structură, sisteme electrice/hidraulice, software etc) sau s-o reconfigureze, la cerere, cu componente mai performante (la zi);

·       posibilitatea (re)echipării mașinii deja existente cu accesorii (compatibile), care să extindă gama operațiilor tehnologice sau a domeniului de lucru, să permită dotarea cu sisteme de ultimă oră (sisteme deschise) [114].

Productivitatea unei mașini-unelte poate fi mărită prin diverse  metode, cum ar fi:

a. posibilitatea realizării de viteze mari de deplasare (avans) sau de rotire, pentru care este nevoie de mărirea rigidității, a elementelor de structură (batiu, montant, traversă etc), a ghidajelor (prin tipul și structura lor, prin distanța dintre ele – mărirea suprafeței de reazem [138,146]), a amortizării și a preciziei constante a acestora ș147ț sau realizarea de sisteme care să asigure buna funcționare a întregului; figura 1 includerea în aceeași ,,structură” de mașină-unealtă a două tehnologii complet diferite, dar care pot fi complementare [115]. Este cazul realizării unei mașini unelte ,,duble”, una având posibilitatea realizării fabricației additive (3D printing), iar cealaltă (parte) având posibilitatea prelucrării complexe și complete a piesei realizate pe prima mașină, utilizând sisteme robotizate, palete etc. Rezultă implementarea a două tehnologii diferite pe aceeași structură. figura 2

b. diminuarea duratei ciclurilor auxiliare sau suprapunerea unora, dacă este posibil (schimbarea parametrilor regimului de așchiere, prinderea/ desfacerea piesei sau a sculei, alimentarea/evacuarea piesei sau sculei, încărcarea unui nou program de prelucrare, verificarea piesei pe mașina-unealtă etc);

c. asigurarea simultană a productivității, preciziei și a scurtării duratei ciclurilor se poate realiza și prin software ș138ț, folosind blocuri de program anticipative, care pot utiliza avantajele accelerației/decelerației mari și a rezoluției traductorului, asigurând realizarea unei traiectorii precise și a unei deplasări line a ansamblurilor mobile;

d. standardizarea și modularizarea, care permit realizarea unei game largi de configurații structurale ș138ț și funcționale, care asigură eficiență economică, disponibilitate ridicată la instalare, posibilitatea și flexibilitatea reconfigurării, în funcție de evoluția activității (cererilor).

Acest mod de abordare și soluțiile elaborate se referă atât la părțile mecanice, cât și la celelalte componente ale sistemului mașină-unealtă;

e. flexibilitatea tehnologiei de automatizare, care se referă mai mult la familii de piese și nu la piese individuale, ajungându-se și în acest caz la modularizarea soluțiilor (blocuri cu funcții specifice);

f. reducerea nivelului de vibrații (prin amortizare pasivă sau activă/autoreglabilă, sau prin bucla de reacție a mașinii) permite obținerea unei rugozități mai bune a suprafeței prelucrate și utilizarea unor regimuri de așchiere mai intense, simultan cu diminuarea uzurii sculei [138]. Această cerință se poate satisface și prin creșterea rigidității fixării sculei;

g. tot în cadrul soluțiilor de creștere a nivelului de flexibilitate se poate considera și instalarea pe mașini-unelte ,,clasice” a unor tehnologii neconvenționale, diferite de prelucrarea prin așchiere. Acestea pot fi de tipul prelucrări cu laser de diferite tipuri (în funcție de puterea reglabilă a sursei sau a altor parametri) sau a tehnologiei de fabricație aditivă (3D printing)

• FIGURA 1

• FIGURA 2

Sustenabilitatea și protecția mediului impugn reducerea consumurilor de energie sau creșterea eficienței energetice care se pot realiza și prin:

a. oprirea alimentării motoarelor de acțio nare ale diverselor mecanisme, atunci când mașinaunealtă staționează (nu așchiază) un timp mai mare decât cel programat.

Măsura este coroborată cu un software de pornire rapidă (inițierea rapidă a setărilor anterioa re opririi);

b. utilizarea unor motoare adecvate (cu turație constantă sau variabilă, în funcție de aplicație) la sistemele mașinii-unelte (principale sau auxiliare) [138]; anumite costuri suplimentare pot fi amortizate în maximum 3 ani;

c. înlocuirea șuruburilor cu bile cu motoare liniare îmbunătățește dinamica (crește accelerația/ decelerația), prin reducerea frecării. O densitate de putere mai mare implică, pentru echilibrare, o productivitate mai mare;

d. există mai multe pârghii, metode de creștere a randamentului (scăderea consumului de energie) la acționarea arborelui principal, prin construcția motorului, prin tehnologia de comandă a acestuia, prin utilizarea surselor optimizate de putere cu filtru de ieșire activ [138];

e. o soluție ,,hibridă”, care satisface atât cerinț a reducerii nivelului de vibrații, dar și asigurarea nivelului de sustenabilitate îl reprezintă utilizarea structurilor din beton (variate rețete). La rândul său, această tehnologie oferă o serie de avantaje, care-i asigură, deja, aplicabilitate în multe situații, cu evidente avantaje (tehnice, economice, flexibilitate etc);

f. pentru a fi clasificat ca un produs eco-inteligent trebuie ca mașina-unealtă să aibă un impact minim asupra mediului, pe întregul ciclu de viață a produsului. S-au elaborat metode și procedure de analiză a impactului mașinii-unelte asupra mediului, pe întregul ciclu de viață a a cesteia LCA to go (Life Cycle Assessment). Pe baza rezultatelor analizei se sugerează măsuri concrete, care ar putea îmbunătăți certificatul de mediu [138].

Creșterea eficienței unei mașini-unelte sau a unui sistem tehnologic se poate realiza prin:

a. extinderea posibilităților tehnologice, ținând cont de faptul că o linie automată are durata de viață de circa 20 de ani, iar durata de ,,viață” a unui tip anume de piesă este de circa 7 ani, rezultă că acel sistem de producție trebuie să poată ,,să vadă” cel puțin trei generații de piese. Soluția aleasă a fost de a asigura flexibilitatea sistemului prin dotarea cu posibilități multiple (de exemplu doi arbori principali, având caracteristici diferite) sau cu posibilitatea reechipării, în funcție de necesități, sau prin utilizarea de module CNC, fără ca acestea să fie centre de prelucrare [138];

b. flexibilitatea liniilor automate este asigurată și de utilizarea unor sisteme de fixare/prindere a pieselor modulare sau destinate unor tipodimensiuni de piese (familii de piese);

c. multe mașini-unelte pot fi considerate sisteme de producție , care asigură flexibilitate, siguranță în funcționare și minimizarea costului pe piesă; aceste mașini-unelte dispun de posibilități de aplicare a unor variate procedee tehnologice, permițând prelucrarea unor piese complexe, cu condiții de precizie (dimensionale, de formă, rugozitate) foarte restrictive într-o singură prindere;

d. flexibilitatea unor astfel de sisteme de producție este mărită suplimentar prin utilizarea unor sisteme auxiliare, cum sunt roboții, sistemele de palete, magazine/magazii de scule, sisteme de verificare/monitorizare pe mașină a piesei, sculei sau utilizarea sistemelor de securitate (a operatorului, a mașinii și a mediului). Aceste soluții asigură, în mare măsură, satisfacerea cerinței în creștere de personalizare a diverselor produse;

e. creșterea gradului de flexibilitate este mărit și prin utilizarea meselor rotative basculante sau includerea în masa mașinii a unei mese rotative; aceste soluții constructive asigură prelucrarea completă a 5 fețe ale piesei, într-o singură prindere ș138ț;

f. extinderea posibilităților tehnologice se poate realiza prin utilizarea unor diverse capete de lucru (accesorii), care pot fi schimbate automat și al căror inventar poate fi lărgit de către furnizorul mașinii, la solicitarea utilizatorului;

g. multe mașini-unelte pot fi pregătite pentru un ,,al doilea ciclu de viață”. Acest lucru se poate realiza prin două metode:

·       prin retrofitare, care poate implica, suplimentar față de reparația capitală, modernizarea unor mecanisme, simplificarea acestora, înlocuirea unor echipamente (electric, hidraulic, de comandă numerică);

·       prin reechipare, care are în vedere noi procedee de prelucrare, prin utilizarea unor noi scule sau dispositive de prindere a piesei sau sculei, noi posibilități de deplasare [138];

h. mașinile-unelte, pentru a fi mai productive, pentru a putea prelucra varietatea tot mai mare de tipuri de materiale (cu cerințe tehnologice foarte diverse), trebuie să atingă viteze de rotire și de deplasare tot mai mari. Aceste condiții nu pot fi satisfăcute decât prin utilizarea de noi tipuri de componente (acționări, sisteme de comandă și de urmărire etc), dar și prin satisfacerea unor condiții speciale ale componentelor mașinii-unelte (precizia de execuție – dimensională, de formă, de poziție, rugozitate), conceperea de așa manieră încât să se evite masele excentrice sau să se prevadă echilibrarea lor (statică, dinamică), să se asigure constanța unor parametri [147], să se asigure o lubrifiere care să permită menținerea frecării la valori cât mai mici și evitarea contactului metal-pe-metal, dezvoltarea unei cantități minime de căldură și evacuarea eficientă a acesteia (producătorii de rulmenți se preocupă intens de dezvoltarea de produse și de metode de lubrifiere care să satisfacă aceste cerințe, indicând producătorului și utilizatorului mașinii-unelte calități și cantități de lubrifiant, metode de reglare a rulmenților, aparatură și software de urmărire a comportării în timp și de monitorizare a acestora etc).

Pentru producătorii de mașini-unelte aceste condiții înseamnă mai multă flexibilitate, o calitate mai bună (care se poate traduce în performanțe și caracteristici tehnice superioare, precizie de prelucrare mai bună, durabilitate, întreținere și operare mai ușoare și mai puțin solicitante etc), noi concept de producție, care pot utiliza/prelucra materiale cum sunt titanul, materialele compozite ș.a., mașini care economisesc resurse (inclusiv energie electrică).

În multe cazuri, întregul concept al mașinii-unelte trebuie să fie revizuit, în acesta fiind incluse sculele, echipamentele de comandă (numerică, hidraulică sau pneumatică), sistemele de acționare, dispozitivele de măsurare, software-ul și modurile de interconectare a informațiilor. Optimizarea integrării mașinilor sau a sistemelor de producție în întregul proces de producție este o sursă de progres în aceste domenii. Sustenabilitatea în producția industrială este decisivă pentru viitor, iar mașinile-unelte însele și consecințele utilizării lor (realizarea altor tipuri de echipamente) sunt un factor esențial pentru îmbunătățiri importante în producție referitoare la mediu [138]. Strategia de fabricație și-a găsit locul judicios în dezvoltarea strategiei de afaceri a organizațiilor. Germania, Japonia și SUA au făcut investiții semnificative în secțiile lor de producție, iar bunurile manufacturate în aceste țări au devenit sinonime cu ,,cele mai bune din cele mai bune” [142]. Nu trebuie uitat, neglijat faptul că ,,tehnologia” singură nu poate rezolva toate cerințele de mai sus. Conform afirmației lui Protagoras ,,omul este măsura tuturor lucrurilor”. Îmbinarea tehnologiei cu omul asigură rezultate din ce în ce mai bune!

Bibliografie

1. WEGENER, Konrad –To sleep is to sin; Swiss Quality Production; 2013

2. HOBOHM, Michel – A damper on expectations; Swiss Quality Production; 2013

3. VALNION, D. Bernhard – Reconsidering value chains; Economic Engineering, 5/2013

Corneliu Gornic este Președinte PROFEX Centru de Dezvoltare Tehnologică