Poznawanie i Podbój Nieznanych Obszarów | CASE Study

Alkohol poliwinylowy (PVAL) zalicza się do mało znanych tworzyw sztucznych. Wyróżniającą go właściwością jest doskonała rozpuszczalność w wodzie przy jednoczesnej odporności na działanie większości chemikaliów, z którymi ma styczność. Przyczynę stosunkowo niewielkiej popularności PVAL stanowi fakt, że dotychczas wprawdzie produkowano z niego folię, jednakże nie potrafiono wykorzystać go do wytwarzania kształtek techniką wtryskową. Sytuacja ta spowodowana była brakiem dokładnego opisu parametrów materiału potrzebnych dla przetwórstwa technologią wtrysku.  Przełomowe w tej dziedzinie okazało się dopiero rozwiązanie zaproponowane przez austriacko-polskie przedsiębiorstwo Buzek Plastic. Firma ta na przestrzeni ponad 10 lat, na wielu etapach rozwoju opracowała technikę produkcji na dużą skalę rozpuszczalnych w wodzie pojemników na detergenty (il. 1), Dziś Buzek Plastic produkuje ponad 1,3 miliarda wyrobów rocznie. Odpowiednie wtryskarki oraz systemy automatyzacji dostarcza natomiast firma Wittmann Battenfeld.

Alkohol poliwinylowy, pomimo swoich niezwykłych właściwości, nadal pozostaje nieznany

Alkohol poliwinylowy (PVAL) po raz pierwszy został wyprodukowany już w 1924 roku przez niemieckich chemików Wilhelma Hermanna i Wolframa Hähnela i tym samym zalicza się do najstarszych tworzyw sztucznych. Interesujący jest jednakże fakt, że PVAL nie można wyprodukować bezpośrednio z monomeru alkoholu winylowego, tylko okrężną drogą, poprzez reakcję hydrolizy (znanej także jako zmydlanie) z ługiem sodowym znajdującym się w jeszcze starszym tworzywie sztucznym, octanie poliwinylowym (PVAC), który już w 1913 roku został wyprodukowany także przez niemieckiego chemika Fritza Klatte. Równie ciekawe jest zjawisko, że oba wspomniane tworzywa sztuczne, pomimo swojego bliskiego pokrewieństwa, wykazują różne właściwości. Octan poliwinylowy jest nierozpuszczalny w wodzie, butanolu, eterze dietylowym, eterze naftowym, związkach alifatycznych, jednakże rozpuszcza się w niższych alkoholach, licznych ketonach, estrach, aromatycznych i chlorowanych węglowodorach. Inaczej jest w przypadku alkoholu poliwinylowego: jest on rozpuszczalny w wodzie, jednakże odporny na działanie większości bezwodnych rozpuszczalników organicznych.

Produkcją alkoholu poliwinylowego można sterować w taki sposób, że PVAC jest całkowicie lub częściowo przetwarzany w PVAL. Im więcej resztek octanu pozostanie w alkoholu poliwinylowym, tym słabsza jest jego rozpuszczalność w wodzie. W zawiązku z tym zmianie ulegają także jego temperatura topnienia, lepkość w stanie stopienia oraz parametry produkcyjne. Podczas gdy temperatura topnienia dla w pełni hydrolizowanego PVAL wynosi około 230°C, tak w przypadku częściowo hydrolizowanych rodzajów PVAL temperatura ta znajduje się w przedziale pomiędzy 180 a 200°C. Gęstość, w zależności od rodzaju materiału, wynosi 1,21 i 1,31 g/cm³.

Wspólną cechą dla obu wspomnianych tworzyw sztucznych jest krótszy łańcuch polimerowy w porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi. Jego długość znajduje się pomiędzy wartościami 100 do 5000 i waha się w zależności od serii i warunków proceduralnych. W związku z tym właściwości mechaniczne PVAL zależą dodatkowo od zawartości wody, ponieważ dyfundująca woda działa jak zmiękczacz. Z tego względu przy dużej wilgotności powietrza PVAL traci na wytrzymałości na rozciąganie, ale zyskuje na elastyczności.

Ponadto PVAL jest bardzo dobrym łącznikiem warstw i ma wysoką zwilżalność. Ze uwagi na tą właściwość roztwory wodne PVAL przetwarzane są na składniki klejów lub środków adhezyjnych i zagęszczających w lakierach do włosów lub szamponach. Podobne zastosowanie znajdują one w produkcji papieru, ale także jako zmywalny środek antyadhezyjny do form w produkcji części z kompozytu włóknistego. W produkcji butelek PET stosuje się PVAL jako barierę CO₂. Jest on także rozpowszechniony w produkcji folii, np. na torby do pakowania ulegające rozkładowi. Bardziej nietypowe jest zastosowanie go w technice kryminalistycznej, w której waciki pokryte PVAL są używane przy pobieraniu pozostałości po wystrzale z broni palnej.

Wtryskiwanie PVAL  =  Wkraczanie na teren nieznanej dziedziny

W swojej prawie 100-letniej historii alkohol poliwinylowy był bardzo rzadko przetwarzana w technologii wtrysku. Głównym powodem takiego stanu rzeczy był zarówno brak pomysłów na produkty, które miałyby w ten sposób powstać oraz bardzo niestabilne parametry materiału, różniące się od siebie aż do plus/minus 20 procent.

Tak wyglądał punkt wyjściowy do badań nad PVAL, gdy w 2003 roku międzynarodowy koncern chemiczny zwrócił się do Buzek-Plastic w Austrii z pytaniem dotyczącym możliwości wykonania w technologii wtrysku  pojemników do granulatu do zmywarek. Andreas Huber, prezes Buzek Holding GmbH w Austrii i Buzek Plastic Poland wspomina: „Ta nowa dziedzina techniki zajmująca się procesem wtryskiwania od zawsze mnie fascynowała. Pasja ta narodziła się jeszcze wtedy, gdy pełniłem funkcję kierownika ds. produktu w firmie Battenfeld dla materiałów specjalnych. Niezmiernie dziwiło mnie wówczas, że jeszcze nikt dotąd nie podjął się produkcji części seryjnych z alkoholu poliwinylowego. Tę frapującą mnie kwestię zrozumiałem jednakże dopiero po przeprowadzeniu pierwszych eksperymentów plastyfikacji. Uzyskana w ich rezultacie substancja przypominała klej tapetowy. Materiał przyklejał się do narzędzia. Nie bez powodu alkohol poliwinylowy możemy znaleźć w składzie każdego kleju do papieru. Wtedy uzmysłowiłem sobie, że czeka nas długa droga zanim rozpoczniemy produkcję seryjną przy użyciu wspomnianego materiału. Jednocześnie przeczuwałem jednak, że jeśli uda nam się to osiągnąć, wyprodukowany produkt będzie posiadał ogromny potencjał. Z tego właśnie względu niezmiernie cieszy mnie dziś fakt, że mój wspólnik Günther Buzek i ja zdołaliśmy przekonać do naszej wizji także kierownictwo firmy Battenfeld. Zielone światło, które od nich otrzymaliśmy, oznaczało możliwość rozpoczęcia systematycznych prac nad rozwojem odpowiednich technologii.”

Po przeprowadzeniu kilku eksperymentów zdołaliśmy doprowadzić do wykrystalizowania się materiału mogącego stanowić bazę wyjściową do stworzenia tworzywa nadającego się do obróbki wtryskowej, czyli nisko-lepki rodzaj PVAL, który pierwotnie przetwarzano na potrzeby przemysłu papierniczego. Dysponując takim bazowym tworzywem i realizując powtarzający się program eksperymentów polegający na dodawaniu materiałów pomocniczych uzyskaliśmy nadające się do przetwarzania tworzywo. Jak tylko zdołano zrealizować ten cel dotyczący tworzywa, wyprodukowaliśmy cienkościenny pojemnik o wymiarach równo 30 x 40 x 15 mm (il. 1) . Najpierw próby prowadzono z formą 1-no krotną, następnie 4-krotną, a w końcu 12-krotną. Eksperymenty przeprowadzone w technikum Battenfeld przy zastosowaniu elektrycznych wtryskarek typu BA 1000/500 CDK-SE oraz EM 1600/350 wykazały, że szybkie wtryskiwanie i precyzyjna regulacja ciśnienia wtryskiwania mogą stanowić przełom w prowadzonych badaniach.  Nowa technologia była do zaakceptowania pomimo brakowości na poziomie 15-20%.

Technologia usamodzielnia się

W trakcie eksperymentu oczywistym stał się fakt, że przetwarzanie PVAL wymagało zdecydowanie więcej know-how w dziedzinie produkcji techniką wtrysku. Takiego wsparcia nie można było oczekiwać nawet od międzynarodowego koncernu, jakim była firma chemiczny zwracająca się ze wspomnianym już pytaniem. Z tego właśnie względu Andreas Huber zdecydował się razem ze swoim ówczesnym kolegą z firmy Battenfeld, Günterem Buzek, który od 1999 roku prowadzi działalność we własnym przedsiębiorstwie specjalizującym się w produkcji wtryskowej, przedstawić koncernowi chemicznemu ofertę przejęcia produkcji jako poddostawca. Jako że już podczas negocjacji wyjaśniło się, że nie chodzi o dostawy z Austrii, a produkcja powinna być realizowana bezpośrednio przy zakładzie odbiorcy, panowie Huber i Buzek zdecydowali się na utworzenie produkcji „in-house” w Polsce i w maju 2005 roku założyli Buzek Plastic Poland Sp.z.o.o.

Dysponując trzema wtryskarkami hydraulicznymi Battenfeld typu HM 270/1330 wyposażonymi w  akumulatory do szybkiego wtrysku odważono się na przeskok ze stosowania 12-krotnej formy testowej, na 32-krotną, gorącokanałową formę produkcyjną. Produkcja ruszyła pomimo niestabilnych parametrów tworzywa i odpowiednio wysokiego odsetku wadliwych produktów,. Kluczowe znaczenie w tej sytuacji okazał się mieć sposób organizacji produkcji, który składał się z bieżącej obserwacji zachowania materiału podczas ustawiania parametrów procesu wtrysku oraz zastosowanie 100% optycznej kontroli wyprasek.

2005: Stopień rozwoju II: 32- i 64-krotne formy produkcyjne stają się standardem

Dokładnie po roku od uruchomienia produkcji technika procesu i parametry materiału stały się na tyle stabilne, że można było zacząć myśleć o dalszej rozbudowie produkcji.  Początkowo zachowano opracowane parametry procesu z czasem cyklu wynoszącym 28 sekund i uzyskiwanym poziomem wadliwych wyrobów w ilości ca 15%. Dalszemu udoskonaleniu poddano natomiast sposób optycznej inspekcji produkowanych wyprasek. Zamiast oceny detali wytwarzanej na każdej maszynie pojawił się wielościeżkowy system transferu wyprasek, do którego podłączone było kilka maszyn. Wypraski kierowane były do centralnego stanowiska kontroli optycznej, w którym, tak jak miało to miejsce dotychczas, ludzie kontrolowali każdą część.

W 2008 roku doświadczenie produkcyjne zespołu Buzek umocniło się w tak znacznym stopniu, że można było podjąć się kolejnej zmiany zwiększając krotność form wtryskowych  z 32 na 64. Jednakże nie dążono do zwykłego podwojenia krotności form, lecz także jednocześnie do skrócenia czasu trwania cyklu. Warunkiem do poczynienia tego kroku było opracowanie wspólne z technikami klienta końcowego zoptymalizowanego kształtu wyrobu. W wyniku dalszych prób prowadzonych poprzez selektywną redukcję grubości ścianek detalu można było zmniejszyć o 15 % wagę wypraski oraz skrócić czas trwania cyklu. Do spełnienia tego celu potrzebne były większe i szybsze maszyny. Ze względu na wcześniejsze dobre doświadczenia kontynuowano współpracę z firmą Battenfeld i wybrano wtryskarki hydrauliczne typu HM 400/2250. Maszyny ponownie wyposażono w  akumulatory do szybkiego wtrysku, Battenfeld dostarczył wtryskarki łącznie z robotami Battenfeld oraz systemem transferu części. Rezultat tego stopnia rozwoju był zdumiewający: W przeciągu jedynie trzech lat od rozpoczęcia produkcji udało się wyprodukować o 300% więcej produktów oraz zmniejszyć ilość produktów wadliwych z 15 do 9 %. Takie ilości odrzutów skłoniły jednakże do refleksji nad kontrolą jakości wyprasek. Niemożliwe stało się już przeprowadzanie kontroli poprzez zaangażowanie personelu, ponieważ rozwiązanie to nie było do zaakceptowania nie tylko ze względów ekonomicznych, lecz także niemożliwe z punktu widzenia logistyki. W celu rozwiązania tego problemu zespół Buzek zainstalował system wspierający optyczną kontrolę z automatycznym oddzielaniem wadliwych wyprasek. System pozwalał na rozpoznanie i wychwycenie braków nie umożliwiał jednak szczegółowej oceny jakości wyprasek.

2013/14: Stopień rozwoju III: Nowa fabryka, zgodna z koncepcją czwartej rewolucji przemysłowej (Industry 4.0)

Gdy w 2012 roku możliwości  lokalizacyjne w pierwotnym zakładzie produkcyjnym, gdzie pracowało obecnie 19 wtryskarek, zostały wyczerpane., Buzek-Plastic zdecydował się na budowę nowego zakładu produkcyjnego,  zlokalizowanego poza obszarem zakładu klienta końcowego.  Brak ograniczeń wyznaczających strukturę zakładu pozwolił wprowadzić najnowsze metody produkcyjne. Wiodącą ideą przyświecającą temu przedsięwzięciu było pragnienie całkowitego połączenia wszystkich etapów produkcji, połączenia z możliwością automatycznego sterowania jakością w ramach wyznaczonych tolerancji, ograniczenia uzyskiwanych na poziomie 15-20% braków., i opracowania założeń produkcji odnie z koncepcją Industry 4.0. Celem nadrzędnym było opracowanie zautomatyzowanego systemu „zero defektów” poprzez automatycznie sterowane połączonych  poszczególnych etapów produkcji (Il. 2).

Odnosząc się do powyższych planów prezes Buzek-Plastik p.Andreas Huber stwierdził: „Po tym, jak przedstawiliśmy nasze życzenia i wyobrażenia kilku producentom maszyn, właściwego partnera do współpracy znaleźliśmy ponownie w otwartym na innowacje zespole Wittmann Battenfeld. Dzięki ich szerokiemu programowi produkcji skupionemu wokół wtryskarek oraz ich pionierskiej pracy w zakresie techniki integracji urządzeń peryferyjnych z wtryskarką (Wittmann 4.0) nasze wyobrażenia o przedsiębiorstwie do pewnego stopnia samodzielnie modyfikującym swoje rozwiązania nie zostało potraktowane jako utopia, tylko mogło krok po kroku stać się rzeczywistością.”

Równolegle do planowania koncepcji zakładu rozpoczął się, w ścisłej współpracy z odbiorcą wyrobu, proces przeprojektowania, którego celem była redukcja kosztów produktu poprzez dalsze zmniejszanie jego wagi oraz znaczące skrócenie czasu cyklu produkcji. Celem te było osiągnięcie 10 %  zmniejszenia wagi (przy zachowaniu jednakowych wymiarów wypraski) oraz skrócenie czasu cyklu o 25 procent.  Planując takie założenia zwrócono uwagę na brak możliwości ich realizacji z wykorzystaniem maszyn hydraulicznych. Jedyną sensowną alternatywą zdawało się zatem rozpoczęcie prób wykorzystania w produkcji wtryskarek serwo-elektrycznych o odpowiednich jednostkach wtryskowych.  Niestety agregaty o wielkości potrzebnej do poczynienia tego kroku były niedostępne. podjęto działania rozwojowe. Rezultatem żywego dialogu między P. Andreasem Huberem oraz technikami Battenfeld było opracowanie specyfikacji wtryskarki, która została zrealizowane dopiero w formie maszyny hybrydowej typu MacroPower E 450/2100 z hydrauliczną dwupłytową jednostką zamykająca. Specjalnie dla tego projektu powstała wtryskarka o sile zamykania 450t i jednostką wtryskową wielkości 2100, o napędzie elektrycznym. (il.3 do 5).

Koncepcja wtryskarki została następnie rozbudowana o robota liniowego oraz obiegowy transfer palet do przejmowania kształtek z dobudowanymi stacjami kontroli optycznej jakości wyprasek i systemami manipulacji. Szczególne znaczenie ma optyczny system oceny kształtek dostosowany do drastycznie zwiększających się ilości produkcyjnych oraz wymogów jakościowych. Obecnie rządzenie wyposażone w 12 kamer i system luster synchronicznie do przebiegu procesu produkcji fotografuje z pięciu stron każdą z 64 wyprasek. Powstałe w ten sposób zdjęcia zostają przekazane do systemu analizy. Software wspomnianego systemu jest w stanie rozpoznać 23 różne defekty (il. 6 i 7). Wadliwe części, bezpośrednio po ich rozpoznaniu w oparciu o fotografię, zostaną usunięte przez automaty typu Pick-and-Place, a następnie zastąpione przez dobre jakościowo wypraski, pobrane z buforu z zapasem części. Proces taki zapewnia, że 100 procent dobrych jakościowo wyprasek  zostanie przekazanych do stacji automatycznego pakowania (il. 8 i 9). Poszczególne elementy systemu komunikują się między sobą dzięki algorytmowi logistycznemu regulującym wahania wydajności.

Osiągnięty w nowej fabryce poziom wydajności można zaobserwować na podstawie  ogólnego obrazu. Nie tylko z tego względu, że ilość wytworzonych produktów przypadająca na komórkę wtryskową może zwiększyć się w ciągu ośmiu lat o 400%, lecz także ponieważ ilość wadliwych produktów może się zmniejszyć z 15 procent na odtąd mniej niż 3 procent.

Stopień rozwoju IV wkrótce

Obecnie wszystkie całkowicie zautomatyzowane komórki produkcyjne w nowej fabryce są w pełni obciążone pracą. Kolejnym etapem rozwoju jest zastąpienie starych maszyn wykorzystywanych w pierwszym zakładzie produkcyjnym nowymi  instalacjami. Ponownie nie chodzi jednak tylko o zwiększenie mocy produkcyjnej, lecz także o dodatkowe zwiększenie wydajności. Dzięki innowacyjnym optymalizacjom projektu, dzięki którym waga produktu zmniejszy się, realne zdaje się zwiększenie wydajności ponownie o 300 procent. /Autor: /

ZESTAWIENIE RYSUNKÓW

Il. 1: Pojemniki z alkoholu poliwinylowego odporne na działanie kwasów i mydlin, a jednocześnie rozpuszczające się w środowisku wodnym znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle produkującym detergenty.
Il..2: Zakład produkcyjny Buzek Plastic Poland w Płońsku, który został wykonany zgodnie z zasadami łączenia danych w myśl koncepcji Industry 4.0.
Il.3: Prezes Buzek-Plastic Andreas Huber przed panelem zaopatrzenia materiałowego.
Il.4: Podczas produkcji stosuje się komórki produkcyjne Battenfeld MacroPower E 450/2100. Cechująca je możliwość szybkiego wtryskiwania połączona z dużą precyzją pozycjonowania jest warunkiem koniecznym do formowania wtryskowego alkoholu poliwinylowego.
Il.5: Produkcja odbywa się przy zastosowaniu 64-krotnych urządzeń z gorącymi kanałami.
Il. 6: Każdy uchwyt przedmiotu obrabianego podlega kontroli wizualnej (na obrazku na dole po lewej stronie) mającej na celu automatyczne zeskanowanie kształtki z pięciu stron.
Il.7: System kontroli jakości jest w stanie wykonać 5 zdjęć każdej kształtce oraz je ocenić. W tym celu stosowane jest 12 kamer wraz z dodatkowym systemem luster. System potrafi wykonać 64 x 5 zdjęć w ciągu cyklu produkcyjnego! Połączony z nim system oceniania zdjęć jest nastawiony na identyfikację 23 rodzajów możliwych wad.
Il.8: Zidentyfikowane wadliwe części są wybierane przez system Pick&Place i zastąpione przez nieuszkodzone części (Bufor z zapasem nieuszkodzonych części znajduje się na środku ilustracji powyżej miejsca manipulacji).
Il.9:Z palet transferowych kształtki są odkładane do zasobnika transportowego w pudełka spedycyjne, a następnie przekazywane do rozlewni środków piorących producenta.

BUZEK Plastic Poland

Buzek Plastic Poland z siedzibą w Warszawie jest częścią grupy BUZEK-HUBER-GRUPPE. Przedsiębiorstwo założone w 2005 roku jest aktualnie liderem na rynku światowym w zakresie obróbki form wtryskowych rozpuszczalnych w wodzie tworzyw sztucznych. Początkowo przedsiębiorstwo zajmowało się wewnętrzną produkcją w polskiej fabryce międzynarodowego koncernu chemicznego. Wraz z nim rozwinięto i opatentowano metody przetwarzania tworzyw sztucznych rozpuszczalnych w wodzie poprzez stosowanie technik wtryskowych, których używa wyłącznie Buzek Plastic do produkcji swoich części. W 2013 roku uruchomiono dodatkowo w produkcji wewnętrznej nowy zakład produkcyjny zgodny z wytycznymi projektu Industry 4.0 w Płońsku. Drugim obszarem działania przedsiębiorstwa Buzek Plastic Poland, poza technikami formowania wtryskowego, jest rozwijanie nowych możliwość zastosowań w przemyśle tworzyw sztucznych rozpuszczalnych w wodzie.

Adres:
Buzek Plastic Poland Sp. z o.o.
Plac Czesława Niemena 1 / 22
01-748 Warszawa
Phone:  +48 734 167 801
E-Mail: andreas.huber@buzekplastic.pl
Internet: www.buzekplastic.pl
 

* * *

Grupa WITTMANN

Grupa WITTMANN jest światowym liderem w dziedzinie produkcji wtryskarek, robotów  i urządzeń peryferyjnych przeznaczonych do przetwórstwa tworzyw. Siedzibą Grupy jest Wiedeń w Austrii. Grupa zbudowana jest z dwóch głównych podmiotów WITTMANN BATTENFELD i WITTMANN. Dzięki ośmiu  zakładom produkcyjnym ulokowanym w pięciu krajach i ponad 33 agencjom przedstawicielskim Grupa prowadzi swą działalność na całym świecie.

WITTMANN BATTENFELD, z siedzibą w Kottingbrunn Austria, w sposób konsekwentny buduje swą pozycję na runku producentów wtryskarek i dostawców nowoczesnych technologii do przetwórstwa tworzyw . Jako dostawca kompleksowych technologii i maszyn o nowoczesnej modułowej budowie, firma spełnia obecne i przyszłe wymagania  rynku maszyn do przetwórstwa tworzyw.

Asortyment produktów oferowanych przez WITTMANN obejmuje roboty i systemy automatyzacji produkcji, systemy podawania surowców, suszarki, młynki, dozowniki objętościowe i grawimetryczne. WITTMANN oferuje kompleksowe rozwiązania począwszy od pojedynczych komórek produkcyjnych aż po pełne złożone instalacje produkcyjne.  

Połączenie pod patronatem grupy Wittmann obszarów związanych z konstrukcją wtryskarek, budową urządzeń peryferyjnych i technologiami przetwórstwa doprowadziło do stworzenia oferty optymalnie dostosowanej do potrzeb współczesnego rynku. 

W Polsce Grupa WITTMANN reprezentowana jest przez Wittmann Battenfeld Polska. Nasi doświadczeni pracownicy działów sprzedaży i serwisu i logistyki pozostają Państwa dyspozycji.

WITTMANN BATTENFELD  Polska Sp. z o.o.
Adamowizna, ul. Radziejowicka 108
05-825 Grodzisk Mazowiecki
Tel.: +48 22 724 38 07
Fax: +48 22 724 37 99
www.wittmann-group.pl

WITTMANN BATTENFELD GmbH
Wiener Neustädter Straße 81
A-2542 Kottingbrunn
Tel.:    +43 2252 404-1400
Fax:    +43 2252 404-991400
gabriele.hopf@wittmann-group.com
www.wittmann-group.com