Kontrola čistoty povrchu

Narušení dodavatelských řetězců vlivem pandemie, růst cen energií, komodit a dění na Ukrajině vede mnohé k tomu zabývat se otázkou udržitelnosti (či samotné existence) o to intenzivněji. V procesech souvisejících s čistotou povrchu lze díky efektivním nástrojům hodnocení skutečného stavu povrchu docílit nejen úspory energií, ale také významně snížit výrobní časy a snížit ekologické dopady výroby.

Kontrola čistoty povrchu fluorescenční metodou
Společnost TechTest, s. r. o., se problematice efektivní kontroly stavu povrchu z hlediska výskytu nečistot a mastnoty věnuje více než 10 let. Za tuto dobu působení jsme nasbírali mnoho zkušeností se snižováním energetické náročnosti a ekologické zátěže výroby převážně v procesech povrchových úprav, spojování materiálu a tváření. Ve všech případech se jednalo o optimalizaci technologických procesů na základě znalostí skutečného stavu povrchu. Pro tyto účely jsme vyvinuli již 3. generaci ručních analyzátorů fluorescence Recognoil, ale i průmyslové senzory a měřící boxy, které shodně umožňují rychlé, objektivní stanovení skutečného znečištění povrchu. Tyto produkty koncovému uživateli umožňují nejen hodnotit kvalitu dílů, a zabezpečit tak stabilitu produkce, ale především slouží jako velice účinný nástroj pro správné nastavení základních parametrů procesů pro zvýšení jejich hospodárnosti a snížení nákladů.

Obr. 1: Posouzení čistoty povrchu dílů v práškové lakovně (vlevo), rychlé odhalení nadlimitně znečištěných komponent (vpravo)

Je relativně běžné, že provozovatel výrobního závodu nedisponuje žádným nástrojem pro hodnocení účinnosti předúpravy povrchu, či hodnocení záměrné aplikace maziva. Potom mu však nezbývá při řešení optimalizace procesu nic jiného, než jen dbát pokynů dodavatelů odmašťovacích prostředků (technologií), či se spoléhat na léty ověřený, nijak neinovovaný technologický postup a reagovat změnami pouze při narůstajícím počtu zmetků a reklamací. Pokud však bude vyvinut tlak na zrychlení či zlevnění procesu odmaštění, jakou metodou bude technolog v takovémto provozu ověřovat, že kvalita dílů, které odchází na povlakování, je stále na vysoké úrovni? A jak posoudí, že dodavatelem doporučený produkt, který má snížit nutnost temperace lázně na vysoké teploty, je skutečně stejně tak účinný jako jeho stávající? Jak zjistí, zda pro účely lubrikace před lisováním nanáší skutečně předepsané množství oleje rovnoměrně?
Detektory fluorescence Recognoil umožňují plošné snímání povrchu součásti a vizualizují intenzitu fluorescence formou obrazového snímku (fluorescenční mapy) a hodnot intenzity fluorescence jednotlivých bodů. Díky tomu lze okamžitě odhalit, zda je povrch skutečně čistý a lokalizovat i drobné nečistoty. Čím nižší je pak naměřená hodnota intenzity fluorescence, tím je povrch čistší. Díky tomu má uživatel nejen možnost skutečně posoudit vhodnost povrchu pro další technologické operace, ale i nastavit správně parametry procesu a zadokumentovat průběh výrobního cyklu součásti. Samotné hodnocení stavu povrchu přístroji Recognoil lze pak provádět buď pomocí mobilních ručních přístrojů, laboratorních boxů či senzory instalovanými do výrobních linek. Kontrola stavu povrchu tak může být po celou dobu výroby komplexní a spolehlivá a nemusí se týkat pouze čistících procesů.

Energetická náročnost povrchových úprav
Energetická a ekologická náročnost povrchových úprav je obecně dobře známá. Automobilka TPCA uváděla v roce 2008, že největší podíl na spotřebě energií má provoz lakovny (74 %), přičemž na další výrobní provozy připadají již významně nižší podíly spotřeby (svařovna 7 %, montáž 7 %, lisovna 4 % a nevýrobní celky 8 %) [1]. Podobné procentuální zastoupení spotřeby energií při procesu lakování v porovnání s ostatními procesy při výrobě automobilu uvádí i autoři článku [2]. Graf publikovaný rovněž v článku [2] pak ilustruje objem spotřeby přímým spalováním zemního plynu a dále spotřebu elektrické energie. Celková spotřeba energie v lakovně pak představuje 73 % celkové energie spotřebované ve všech procesech výroby automobilu. Graf z článku [3] navíc předkládá náklady na energie pro jednotlivé technologické části lakovny. V grafu je pak pro jednotlivé části celé lakovny barevně odlišen podíl spotřeby zemního plynu, elektrické energie a dále spotřeba energie na ohřev a chlazení vody.

Úpravy parametrů odmašťovacího procesu
Chemické předúpravy povrchu patří k energeticky náročným operacím a liší se významně v závislosti na typu povrchové úpravy a typu a velikosti povlakovaného materiálu. Pro modelový příklad zvolíme čištění drobných skleněných dílů určených pro přesnou optiku. Technologický postup odmaštění těchto dílů navržený výrobcem odmašťovacího prostředku [4] je uveden v tabulce 1.

Tab. 1: Technologický postup pro čištění skleněných dílů

Uvedený technologický proces odmaštění dílů a jeho výsledek je závislý na 4 základních parametrech chemického odmaštění – prostředku (typ, koncentrace), teplotě, čase a zvolené metodě odmaštění (vliv mechanických účinků) [5]. Pro odmaštění dílů doporučuje výrobce odmašťovacího prostředku použít odmaštění ponorem za působení ultrazvuku. Ve výše uvedeném postupu je mechanický účinek kavitace vlivem ultrazvuku podpořen ještě vertikálním pohybem koše s díly. Oproti běžnému odmaštění ponorem lze použitím odmaštění za působení ultrazvuku docílit významného zkrácení času potřebného pro dosažení požadované čistoty dílů (viz graf na obrázku 2).

Obr. 2: Graf podílu spotřeby energií v procesu výroby automobilu (vlevo) [2], graf nákladů na energie a podíl jejich spotřeby v jednotlivých technologických částech lakovny automobilky [3]

Z grafu na obrázku 3, kde jsou porovnávány účinnosti jednotlivých metod odmaštění fluorescenční metodou Recognoil, je patrné, že z výchozí hodnoty zamaštění povrchu lze vysokého stupně čistoty docílit relativně rychle pomocí elektrolytického odmaštění, přičemž docílení stejného stupně čistoty pomocí ultrazvukového odmaštění vyžaduje delší dobu odmaštění. Pokud bychom měli proces ultrazvukového odmaštění zefektivnit (zkrátit např. čas potřebný k dosažení vysokého stupně čistoty) bude nezbytné modifikovat zbývající základní parametry procesu (změnit prostředek či zvýšit jeho koncentraci, zvýšit pracovní teplotu, zvýšit mechanickou energii v procesu).

Obr. 3: Porovnání účinnosti jednotlivých metod odmaštění pomocí fluorescenční metody Recognoil [6]

Pokud se opět vrátíme k modelovému technologickému postupu, tak pokud bude uživatel odmašťovací linky sledovat průběžně stav povrchu dílů přístroji Recognoil (viz obrázek 4), tak při založení lázně a provedení celého procesu dle předpisu dodavatele odmašťovacího prostředku dosáhne určitého stupně čistoty vyjádřeného v jednotkách F.U. Pokud bude například z důvodu úspor chtít snížit koncentraci produktu či teplotu lázně, bude mít k dispozici etalon, ke kterému se bude snažit přiblížit. Navíc hodnocením dílů před odmaštěním může významným způsobem regulovat nežádoucí kontaminaci lázně a provést předmytí dílů či díly vyřadit z výrobního procesu. Porovnáním stavu povrchu dílů před a po odmaštění pak získá informaci o účinnosti a kondici lázně. Protože samotné díly mohou být znečištěny nestejnoměrně, může pro objektivní posouzení lázně používat etalony čistoty (tj. plechy s definovanou rovnoměrnou vrstvou kontaminantu či plechy v surovém stavu).

Obr. 4: Porovnání stavu povrchu skleněného dílu před a po procesu odmaštění pomocí zařízení Recognoil QB

Pokud bychom měli nastínit možné úspory vyplývající ze změny parametrů technologického postupu uvedeného v tabulce 1, tak lze postupovat následovně:
Ohřev 12 l lázně A na teplotu 55°C obnáší spotřebu cca 0,854 kWh. Ultrazvukové čištění po dobu 5 minut pak spotřebuje cca 0,026 kWh, 10 minut cca 0,052 kWh. Snížení výkonu ultrazvuku na 30 % sníží spotřebu energie při 10 minutovém cyklu a stejné teplotě na 0,022 kWh. Pokud výrobce odmašťovacího prostředku uvádí rozsah koncentrací pro produkt A od 1 do 5 procent a rozsah teplot od 25°C do 65°C, naskýtá se možnost snížit teplotu lázně, a tím i významný zdroj spotřeby energie. Díky objektivní kontrole stavu povrchu se pak nemusíme obávat nutnosti zvyšování koncentrace produktu pro dosažení stejných parametrů čistoty povrchu. Navíc se může uživatel stejným způsobem pokusit snížit koncentraci odmašťovadla či zvolit jiný produkt, a tím se opět pokusit snížit celkovou nákladovost procesu.
Konkrétní příklad úspor ve formě odstranění vysoce temperované lázně a využití odmaštění pouze v momentech, kdy je skutečně nezbytné, lze demonstrovat na konkrétním zákazníkovi. Tomuto zákazníkovi ze segmentu automotive byly do výrobní linky instalovány detektory Recognoil pro účely nepřetržitého automatického monitoringu vstupního materiálu před proces předúpravy (odmaštění a tryskání ostrohranným abrazivem). Zákazník do té doby před nanášením lepidla prováděl standardně proces odmaštění všech dílů, které byly následně tryskány ostrohranným abrazivem. Současně s instalací detektorů uzavřel dohodu s dodavateli o nutnosti dodávání již vyčištěných dílů (tak, aby mohl z procesu odstranit mycí cyklus). Avšak s ohledem na koncept linky, kde zakládání dílů provádí operátoři, přistoupil k plně automatické kontrole stavu povrchu. Pokud se tedy na vstupu objeví díly nadlimitně znečištěné, je ihned proces výroby zastaven a vedoucí technolog rozhodne o dalším postupu. V případě potřeby je možné automaticky nastavit spouštění mycího cyklu. Samotné díly jsou pak ještě hodnoceny před samotným procesem lepení z důvodů ověření požadované kvality povrchu a pro účely sběru validních dat pro jednotlivé výrobní šarže.
Tento konkrétní zákazník ušetřil díky instalací zařízení společnosti Tech-Test přibližně 600 000 Kč na jedné výrobní lince za jeden rok provozu. V současné době je tento systém kontroly využívaný již na třech výrobních linkách tohoto zákazníka.

Obr 5: Systém Recognoil pro účely kontinuální detekce homogenity a plošné koncentrace olejového filmu instalovaný do lisovacího stroje

Úspora díky hospodárnému a efektivnímu způsobu mazání
Existuje celá řada výrobních procesů, ve kterých je naopak na povrch dílu záměrně nanášeno mazivo (lubrikace, konzervace, atp.). Znalost homogenity a tloušťky vrstvy může hrát roli nejen z hlediska spolehlivosti a stability produkce, ale může být klíčovým aspektem pro úsporu nákladů. Například při procesu lisování je nanášen olej pro snížení opotřebení tvářecího nástroje a pro dosažení parametrů vhodných pro lisování. Co když je ale mazivo nanášeno nerovnoměrně nebo nehospodárně? Pokud například máme předepsáno, že na povrch plechu máme nanést 1-2 g.m-2, tak pokud reálně naneseme v průměru 4 g.m-2 zvýší se například spotřeba maziva i více jak dvojnásobek. V případě, že přístřih plechu bočnice automobilu bude mít v průměru plochu 4 m2, tak při objemu produkce 750 000 automobilů se jedná o nárůst spotřeby oleje o 15 t. Nejen, že se v daný moment jedná o zcela nezanedbatelnou položku, ale je třeba do celkových nákladů promítnout náklady na zbavení se těchto nadbytečných vrstev v procesech povrchových úprav. Všechny přístroje Recognoil nejen, že jsou schopné vyhodnotit homogenitu olejových filmů, ale umožňují i stanovit jejich tloušťku a plošnou koncentraci, a díky tomu přináší možnost, jak správně nastavit a zhospodárnit procesy mazání.

Závěr
Současné složité a náročné období, které přináší celou řadu úskalí a zvýšených nároků na pilíře udržitelného rozvoje představuje zároveň výzvu pro ambiciózní podniky s jasnou vizí ohledně dalšího směřování a trvalé udržitelnosti výroby. Provozy povrchových úprav pak s ohledem na svojí energetickou náročnost a ekologické aspekty vyžadují pro splnění cílů ve smyslu snižování energetické náročnosti, spotřeby zdrojů a ochrany životního prostředí racionální přístup s důrazem na využití moderních technologií, vědeckých poznatků a inovací.

TEXT/FOTO Ing. Michal Zoubek

Seznam literatury:
[1] Výroba, nebo spotřeba: čím zatěžuje automobil více?. Ekolist [online]. 2008 [cit. 2022-04-10]. Dostupné z: https://ekolist.cz/cz/zelena-domacnost/zpravy-zd/vyroba-nebo-spotreba-cim-zatezuje-automobil-vice
[2] Rao, P. P., & Gopinath, A. (2013). Energy Savings in Automotive Paint Ovens: A New Concept of Shroud on the Carriers. In Journal of Manufacturing Science and Engineering (Vol. 135, Issue 4). ASME International. https://doi.org/10.1115/1.4024537
[3] Giampieri, A., Ling-Chin, J., Ma, Z., Smallbone, A., & Roskilly, A. P. (2020). A review of the current automotive manufacturing practice from an energy perspective. In Applied Energy (Vol. 261, p. 114074). Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114074
[4] Borer – Advanced Cleaning Solutions – Blind Test Results – Muditis s. r. o. 2022
[5] KREIBICH, Viktor. Úvod do problematiky povrchových úprav: Výukový text. 2014
[6] KOPŘIVA, Andreas. POROVNÁNÍ ÚČINNOSTI ODMAŠŤOVACÍCH PROSTŘEDKŮ. Praha, 2015. Bakalářská práce. FS ČVUT v Praze. Vedoucí práce Ing. Jan Kudláček, Ph.D.