Een vergelijking van hydraulische en elektrisch aangedreven spuitgietmachines: Wanneer is produceren met een elektrische machine voordeliger?

Transcriptie

1 Een vergelijking van hydraulische en elektrisch aangedreven spuitgietmachines: Wanneer is produceren met een elektrische machine voordeliger? Dit artikel is eerder gepubliceerd in Sprint Innovatief 2010, 6 voorbeelden van innovatieve samenwerking in de bètaketen ( Door: H. Gankema, N.P. Boks, Hogeschool Windesheim, Zwolle, Lectoraat Kunststoftechnologie Door het ontstaan van de kredietcrisis in (minfin.nl) en de daaruit volgende economische situatie in Nederland, is het voor pas afgestudeerde HBO-ingenieurs moeilijk om aan werk te komen. Om deze groep jonge mensen perspectief op de arbeidsmarkt te laten houden heeft het platform bètatechniek een crisismaatregel genomen in het kader van Sprint-Innovatief Deze maatregel omvat o.m. het in het leven roepen van werkervaringsplaatsen onder de naam Sprint Plekken. Door zulke plekken aan te bieden aan pas afgestudeerden krijgen deze de mogelijkheid om gedurende een bepaalde periode relevante werkervaring op te doen en daarbij hun kennis te vergroten. In dit kader heeft het Lectoraat Kunststoftechnologie van de Hogeschool Windesheim werkervaringplaatsen beschikbaar gesteld aan recent afgestudeerde bachelors van de opleidingen van de School of Enigneering & Design. Dit artikel beschrijft de resultaten van een onderzoek op het gebied van procesoptimalisatie en duurzaamheid in de kunststofverwerkende industrie uitgevoerd door twee alumni van de opleiding Technische Bedrijfskunde. Binnen de kunststofverwerkende industrie bestaat al langer een behoefte naar meer duurzaamheid tijdens het produceren. In een ideale situatie worden producten geproduceerd waarbij rekening wordt gehouden met het cradle to cradle -principe. In dit onderzoek is er echter voor gekozen om met de bestaande materialen en producten een besparing op materiaal en energieverbruik te realiseren met behoud van functionaliteit en kwaliteit. Hierbij moet eigenlijk ook opgemerkt worden dat een besparing op materiaal indirect ook een besparing op energie is. De basis voor het onderzoek is het statistische Design of Experiments (DoE) en de bijbehorende variantieanalyse (ANOVA). Bij DoE wordt er op een gestructureerde manier onderzocht hoe groot de invloed van procesparameters zijn op de uitkomsten van een experiment, bijvoorbeeld het gewicht van een spuitgietproduct. Het is echter ook ook mogelijk dat parameters elkaar beïnvloeden. Als gekeken wordt naar het gewicht van een spuitgietproduct, dan zal deze een invloed ondervinden van de nadruk (Pa) maar ook van de nadruktijd. Maar deze parameters zullen ook een wisselwerking met elkaar hebben. Deze interacties worden uitgerekend en toegevoegd aan de uitkomstentabel. Zo ontstaat een evenwichtig overzicht van de invloeden van de betrokken parameters op het proces. Nu zijn deze twee parameters niet de enige parameters met invloed op het spuitgietproces. Echter, hoe meer parameters worden meegenomen in de analyses, hoe meer experimenten er nodig zijn. Omdat elke procesparameter op twee instelwaardes wordt getest, zijn er bij het doormeten van vier procesvariabelen 16 experimenten nodig. Dit is erg tijdrovend en daarom vaak voor een productieomgeving niet interessant. Er bestaat echter een aanpassing op de hierboven beschreven full-testing methode. Grondlegger van deze aanpassing is Genichi Taguchi. Deze Japanner ontdekte dat, als de te onderzoeken variabelen goed gekozen worden en weinig wisselwerking met elkaar hebben, één van de wisselwerkingkolommen gebruikt kan worden voor een instelbare procesvariabele. Deze Taguchi-methode houdt in dat er voor het doormeten van vier procesvariabelen niet 16, maar slechts 8 experimenten nodig zijn. In het geval van spuitgieten kunnen deze experimenten doorgaans binnen één dag uitgevoerd worden. De reductie in het aantal experimenten maakt dat deze methode in een productieomgeving zeer interessant is. Binnen het Lectoraat Kunststoftechnologie is vorm gegeven aan de Taguchi-

2 methode en wordt daar de Procesparameter Effect Methode genoemd (PEM). Deze benaming zal in dit artikel verder ook gebruikt worden. Binnen de kunststofverwerkende industrie zijn er diverse verwerkingstechnieken om producten te fabriceren. De meest bekende, qua productievolumes, is wellicht het spuitgietproces. Eén van de mogelijkheden om energiezuiniger te produceren met behulp van spuitgieten, is door gebruik te maken van elektrische spuitgietmachines in plaats van machines op basis van hydrauliek. Er zijn echter nog vragen met betrekking tot onder welke condities het interessant wordt om een elektrisch aangedreven machine te gaan gebruiken. Daarom zijn voor deze pilotstudie de volgende onderzoeksvragen geformuleerd: Hoeveel materiaalbesparing is er te realiseren? In welke mate is het proces verder te optimaliseren? Bij welk shotgewicht is het voordeliger om op een elektrisch aangedreven spuitgietmachine te produceren? Om deze vragen te beantwoorden is contact gezocht met een geschikt kunststofverwerkend bedrijf dat de beschikking heeft over deze verschillende types spuitgietmachines. Op verzoek van het betreffende bedrijf zijn de gegevens in dit artikel geanonimiseerd. De geselecteerde producten werden geproduceerd op twee hydraulische machines met sluitkrachten van respectievelijk 100 en 175 ton en op een elektrisch aangedreven machine met een sluitkracht van 155 ton. Het onderzoek heeft zich gericht op producten met relatief kleine shotgewichten van 30 gram (product A ), 62 gram (product B ) en 95 gram (Product C ). Elk product is op elk van de drie genoemde machines geproduceerd en geoptimaliseerd middels de PEM. Parameters die in het spuitgietproces het grootste effect op het gewicht hebben, zijn de nadruk en de duur van de nadruk. Uit het onderzoek is gebleken dat in deze situatie, als er materiaal materiaalbesparing gerealiseerd kan worden, deze slechts gemiddeld 0,4% bedraagt (Zie Tabel 1). Echter, doordat de onderzochte producten een laag shotgewicht hebben is de behaalde materiaalbesparing relatief gering. Zodra er namelijk nog minder materiaal gebruikt wordt, wordt de matrijs niet goed gevuld en voldoet het product niet meer aan de specificaties. Al met al kon geconcludeerd worden dat het betrokken bedrijf al zeer kritisch omgaat met materiaalverbruik. Tabel 1: gerealiseerde materiaalbesparing Product Sluitkracht Machine 100 ton 175 ton 155 ton A Standaard gewicht (gr.) 30,99 31,20 29,99 Nieuw gewicht (gr.) 30,87 31,04 29,99 Besparing (%) 0,38 0,52 0,02 B Standaard gewicht (gr.) 62,81 62,88 61,56 Nieuw gewicht (gr.) 62,81 62,83 61,43 Besparing (%) n.v.t. 0,07 0,21 C Standaard gewicht (gr.) 95,91 97,47 94,94 Nieuw gewicht (gr.) 95,24 96,79 94,74 Besparing (%) 0,70 0,69 0,21 Dit betekent echter niet dat er bij het onderzochte bedrijf geen verbetering mogelijk was. Uit hetzelfde onderzoek bleek namelijk dat er een winst van gemiddeld 5% in de cyclustijd geboekt kon worden (Zie Tabel 2).

3 Tabel 2: gerealiseerde cyclustijdverkorting Product Sluitkracht Machine: 100 ton 175 ton 155 ton A B C Standaard cyclustijd 7,50 9,90 9,80 Nieuwe cyclustijd 7,20 9,40 8,80 Besparing (%) 4,00 5,05 10,20 Standaard cyclustijd 7,50 9,80 8,00 Nieuwe cyclustijd 7,50 9,40 7,60 Besparing (%) n.v.t. 4,08 5,00 Standaard cyclustijd 10,57 11,90 11,10 Nieuwe cyclustijd 9,50 11,30 10,60 Besparing (%) 0,70 5,04 4,50 De winst kon gehaald worden door te kijken naar het effect van de nadruktijd en de koeltijd. Het is in dit verband wellicht goed te melden dat een specifiek product op verschillende machines verschillende besparingen laten zien. Dit komt doordat de standaard (en meer optimale instellingen) op elke machine verschillen en daarmee de producten ook enigszins van elkaar verschillen (kijk bijvoorbeeld naar de verschillende shotgewichten van dezelfde producten in de verschillende machines). Om vast te stellen onder welke condities de verschillende types spuitgietmachines de laagste operationele kosten hebben is het vanzelfsprekend dat in een vergelijkend onderzoek als deze het energieverbruik aan de orde te laten gekomen. Figuur 1 geeft een grafische weergave van het energieverbruik (kwh/kg) per product per machine.

4 Energieverbruik (kwh/kg) 1,50 1,20 0,90 0,60 Hydraulisch (175 ton) Hydraulisch (100 ton) Elektrisch (155 ton) 0,30 0, Shotgewicht (g) Figuur 1: Grafische weergave van energieverbruik per kilogram per product per machine Uit deze figuur is af te lezen dat de twee hydraulische machines, bij de 3 onderzochte producten meer energie verbruiken dan de elektrisch aangedreven machine. De hydraulische machine met een sluitkracht van 175 ton verbruikt de meeste energie. Een besparing op energie zou direct gerealiseerd kunnen worden door deze machine niet voor deze producten in te zetten. Temeer omdat op de twee andere machines producten van gelijke kwaliteit te produceren zijn. Wat verder opvalt is dat het verschil in energiegebruik tussen de hydraulische machine met een sluitkracht van 100 ton en de elektrische machine met een sluitkracht van 155 ton steeds kleiner wordt. Dit gaf aanleiding tot het onderzoeken van een extra product (shotgewicht van ca. 130 gram). Omdat de zwaarste hydraulische machine overall meer energie verbruikte, is deze machine buiten beschouwing gelaten. Uit Figuur 1 is af te leiden dat het energieverbruik van de twee overige machines, bij vervaardigen van het zwaarste product, nagenoeg gelijk zijn. Uit deze pilot kunnen dan de volgende conclusies getrokken worden: Tot een shotgewicht van ca. 130 gram is de elektrische machine met een sluitkracht van 155 ton het meest voordelig op het gebied van energieverbruik per kilogram product en wordt hierbij het minste materiaal gebruikt zonder verlies van productkwaliteit. De cyclustijd is voor alle producten het kortst op de hydraulische machine met een sluitkracht van 100 ton. Interessant zou zijn om nog een onderzoek uit te voeren met een elektrische machine met een sluitkracht lager dan 155 ton (indien beschikbaar). Hypotetisch is dan een nog lager energieverbruik te verwachten en zou het veschil met de hydraulisch aangedreven machines nog groter worden. Wanneer ook aanschafkosten meegenomen worden in de overwegingen om te kiezen voor een spuitgietmachine, wordt in dit geval geadviseerd om beneden shotgewichten van 130 gram te produceren op de elektrisch aangedreven machine. De productiekosten zijn dan het laagst en het milieu wordt minder zwaar belast.

5 Met medewerking van: Harm Jan Dekker, Sander van Vliet & Alexander Jansen