Redukcja odpadów w tłoczeniu metalu: 5 technicznych strategii zwiększania rentowności

STRESZCZENIE

Redukcja odpadów przy tłoczeniu metalu to nie tylko sprzątanie; jest to najskuteczniejsze działanie mające na celu zwiększenie rentowności, ponieważ surowce zazwyczaj stanowią 50–70% całkowitych kosztów części. Aby zamienić odpady z kosztu utraconego w przewagę konkurencyjną, producenci muszą przyjąć trzystronną strategię: Projekt produktu (DFM) , Optymalizacja narzędzi (takie jak zaawansowane rozmieszczenie i odzysk odpadów), oraz Kontrola procesu (monitoring oparty na czujnikach). Główne miernikiem skuteczności jest Wskaźnik Wykorzystania Materiału (MUR) —procent powierzchni blachy, która staje się gotową częścią.

Niniejszy przewodnik omawia strategie techniczne maksymalizacji wskaźnika MUR, począwszy od stosowania „łączników nano” dla gęstszego rozmieszczenia, po wykorzystywanie czujników „aktywnej regulacji prędkości”, które zapobiegają wadom w czasie rzeczywistym. Przechodząc dalej poza podstawowe usuwanie odpadów ku inżynieryjnej redukcji odpadów, operacje tłoczenia mogą odzyskać znaczne marże.

Strategia optymalizacji 1: Zaawansowane rozmieszczanie i wykorzystanie materiału

Najbliższa możliwość redukcji odpadów leży w projektowaniu układu paska. Tasowanie odnosi się do praktyki rozmieszczania części na pasku metalu w celu zminimalizowania pustej przestrzeni (mostka) pomiędzy nimi. Chociaż standardowe układy „jednoczęściowe” są proste w projektowaniu, często pozostawiają nadmiarowy odpad w postaci rusztu. Zaawansowane strategie, takie jak rozmieszczanie „dwuczęściowe” lub „wzajemnie dopasowane”, mogą zwiększyć wykorzystanie materiału o 5–15%, bezpośrednio wpływając na wynik finansowy.

Można tu zastosować skuteczną technikę rozmieszczania według dokładnego kształtu wykorzystując nowoczesne technologie, takie jak połączenia typu nano . Jak szczegółowo wyjaśniają liderzy branżowi, tacy jak TRUMPF, nano złącza to maleńkie zakładki utrzymujące, które łączą element z taśmy, zastępując większe, tradycyjne mikrozłącza. Ponieważ te zakładki są minimalne, elementy mogą być rozmieszczane bezpośrednio obok siebie bez ryzyka wypchnięcia lub kolizji. Taka bliskość pozwala na znacznie ciaśniejsze układanie, zmniejszając szerokość międzyczęściową (web width) i efektywnie uzyskując więcej produktów z każdego kręgu.

Innym zaawansowanym podejściem jest układanie mieszane , gdzie mniejszy, inny komponent jest tłoczony ze strefy odpadów większego elementu. Klasycznym przykładem podanym przez ESI Engineering Specialties jest producent sprzętu do nurkowania, który rocznie wytwarza 20 000 pierścieni w kształcie litery D. Inżynierowie zorientowali się, że mogą wy tłoczyć mniejszy, przypominający szwash pierścień z wewnętrznego wycięcia „D” większego pierścienia – materiału, który inaczej zostałby odrzucony. Pozwoliło to efektywnie uzyskać dwa elementy za cenę materiału jednego. Istnieje jednak kluczowa zasada: wielkość produkcji większego elementu musi być równa lub większa niż tej mniejszej, osadzonej części, aby uniknąć gromadzenia zapasów niepotrzebnych komponentów.

Kluczowa lista kontrolna dla przeglądów układu paska

• Szerokość mostka: Czy szerokość nity (web) jest zoptymalizowana pod kątem grubości materiału?
• Kierunek ziarna: Czy zgięcia są ułożone prostopadle do ziarna, aby zapobiec pękaniu?
• Obrót części: Czy obrócenie części o 180 stopni umożliwi ich wzajemne dopasowanie?
• Mieszany układ (Mixed Nesting): Czy na liście materiałowej (BOM) znajduje się mniejszy element, który zmieści się w strefie odpadów?

Strategia optymalizacji 2: Projektowanie matryc i rozwiązania inżynieryjne

Po zoptymalizowaniu układu głównym celem staje się fizyczne wyposażenie. Projekt matryc postępowych ofaruje unikalne możliwości odzyskiwania materiału poprzez zastosowanie "matryc odpadowych" lub "matryc odzyskujących". Matryca odpadowa to narzędzie wtórne zaprojektowane specjalnie tak, aby przyjmować odpad (skrawki) powstający w wyniku operacji podstawowej i tłoczyć z niego użyteczny element. Choć wiąże się to z dodatkowymi kosztami narzędzi, długoterminowe oszczędności w przypadku produkcji masowej często uzasadniają taki krok.

W przypadku produkcji ciągłej niektóre tłoczarnie wykorzystują technikę „szywania” skrawków . Jak wspomniano w dyskusjach technicznych na łamach The Fabricator, fragmenty odpadów czasem można połączyć mechanicznie (za pomocą zamków typu toggle lub podobnych urządzeń), tworząc ciągłą taśmę, którą można następnie doprowadzić do wtórnej matrycy postępowej. To pomysłowe rozwiązanie inżynieryjne pozwala na automatyczne dozowanie tego, co wcześniej było luzem występującym odpadem. Inżynierowie muszą jednak zachować ostrożność utwardzania na zimno . Metal, który został już odkształcany lub naprężony w pierwszej operacji, może stracić ciągliwość, co czyni go nieodpowiednim do głębokowyciskanych elementów wtórnych. Nadaje się najlepiej do prostych wsporników lub płaskich komponentów.

Weryfikacja tych złożonych koncepcji narzędzi przed przejściem na twarde stopy jest kluczowa. To właśnie w tym momencie współpraca z producentem skupionym na możliwościach staje się niezbędna. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology oferuj kompleksowe rozwiązania tłoczenia które łączą luki między szybkim prototypowaniem a produkcją seryjną. Wykorzystując ich zdolność dostarczania zakwalifikowanych prototypów już w ciągu pięciu dni, inżynierowie mogą wcześnie w fazie projektowej przetestować przepływ materiału i możliwość rozmieszczenia, zapewniając tym samym realizowalność agresywnych strategii redukcji odpadów zgodnych ze standardami produkcji masowej w przemyśle motoryzacyjnym (IATF 16949).

Strategia optymalizacji 3: Zapobieganie wadom i kontrola procesu

Odpady to nie tylko szkielet pozostawiony po procesie; chodzi również o części, które wyrzucasz. Należy rozróżnić odpady projektowe (ubytek) i odpady produkcyjne (uszkodzone części) jest kluczowa. Podczas gdy zaplanowany odpad to decyzja projektowa, odpad produkcyjny wynika z awarii procesu. Typowe wady, takie jak wyciąganie sztabek —gdy przebitka przywiera do czoła stempla i uszkadza następną część—może zepsuć tysiące elementów, jeśli nie zostanie wykryta.

W celu przeciwdziałania temu producenci coraz częściej stosują technologię czujników umieszczonych w matrycy . Nowoczesne systemy, takie jak Active Speed Control przedstawione przez TRUMPF, wykorzystują czujniki do monitorowania promieniowania procesowego i automatycznego regulowania prędkości podawania. Jeśli system wykryje potencjalny problem, na przykład nieprawidłowe formowanie się materiału stopionego lub brak wyrzutu przebitych tulejek, może dostosować parametry lub natychmiast zatrzymać prasę. To zmienia paradygmat z „kontroli jakości po fakcie” (sortowania wadliwych części) na „wytwarzanie jakości od początku”.

Kolejnym narzędziem służącym do redukcji odpadów produkcyjnych jest wdrożenie technologii Systemy wizyjne i Drop & Cut technologia. W przypadku pozostałych arkuszy — końcówki cewek lub szkieletów, które nadal mają użyteczne pole — systemy kamer mogą nałożyć grafikę części na obraz na żywo z arkusza. Operatorzy mogą następnie przeciągać i upuszczać cyfrowe pliki części na pozostały materiał, aby natychmiast wycinać części zamienne. To zapewnia, że nawet te "nieużywane" końcówki cewek przyczyniają się do przychodu zamiast trafić do kosza na recykling.

Strategia optymalizacji 4: Projektowanie pod kątem technologii wytwarzania (DFM)

Najbardziej opłacalnym momentem na zmniejszenie odpadów jest czas przed wyprodukowaniem matrycy. Projektowanie w celu zapewnienia możliwości produkcji (dfm) obejmuje współpracę między projektantami produktów a inżynierami tłoczenia, którzy dostosowują geometrię komponentów do standardowych szerokości pasków. Często niewielka zmiana — na przykład zmniejszenie szerokości kołnierza o 2 mm lub zmiana promienia narożnika — pozwala umieścić część na węższej standardowej cewce lub zagęścić jej rozmieszczenie z sąsiednią częścią.

Wybór materiału również odgrywa rolę. Inżynierowie powinni ocenić, czy dana część może być tłoczona zamiast obrabiana mechanicznie . Frezowanie to proces odejmowania materiału, w którym do 80% bloku zamienia się w wióry (odpady). Wytłaczanie natomiast jest procesem kształtowania bez odpadów. Jak zauważa ESI, przekształcenie komponentu frezowanego na tłoczony nie tylko drastycznie zmniejsza ilość odpadów materiałowych, ale często również poprawia szybkość produkcji. Ponadto projektanci muszą uwzględniać kierunek włókien . Ustawienie elementu na taśmie wyłącznie w celu maksymalnego zagęszczenia, bez uwzględnienia kierunku włókien, może prowadzić do pęknięć podczas gięcia, co skutkuje 100% odpadem w danej partii. Zrównoważone podejście DFM waha oszczędności materiałowe względem niezawodności procesu.

Wniosek: Zamiana odpadów na zysk

Zmniejszanie odpadów w procesie tłoczenia metali to wielodyscyplinarne wyzwanie, które nagradza precyzję i kreatywność. Odrzucając pogląd, że odpady są jedynie „kosztem prowadzenia działalności”, producenci mogą odkryć znaczne ukryte zyski. Integracja zaawansowanych strategii rozmieszczania, takich jak połączenia typu nano, kreatywne ponowne wykorzystanie ubocznych produktów poprzez matryce regeneracyjne oraz wykorzystanie inteligentnych czujników tworzy solidny system, w którym maksymalizowane jest wykorzystanie materiału.

Sukces wymaga zmiany nastawienia: traktowania każdego centymetra kwadratowego blachy jako potencjalnego przychodu. Niezależnie od drobnych modyfikacji w projektowaniu ułatwiających lepsze rozmieszczenie, czy inwestycji w inteligentne sterowanie prasy zapobiegające tysiącom wad, cel pozostaje ten sam — maksymalizacja współczynnika wykorzystania materiału (MUR) oraz zapewnienie, że jedynym metalem opuszczającym fabrykę są wysokiej jakości, sprzedawane elementy.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest różnica między odpadem a waste w tłoczeniu metali?

Chociaż te terminy są często używane zamiennie, „ścinki” zwykle odnoszą się do metalu nadającego się do recyklingu (takiego jak wstęga szkieletowa lub odpady), który przy sprzedaży do dealera ma pewną resztkową wartość pieniężną. „Odpady” lub „śmieci” zazwyczaj dotyczą materiałów nierecyklingowalnych lub zasobów nieposiadających wartości odzysku. Jednak w kontekście produkcyjności typu lean każdy zakupiony materiał, który nie jest sprzedawany jako produkt, uznawany jest za odpad do zminimalizowania.

2. W jaki sposób rozmieszczenie części zmniejsza koszty materiałów?

Rozmieszczenie optymalizuje układ części na wstędze metalowej, aby zminimalizować puste przestrzenie pomiędzy nimi. Stosując techniki takie jak dopasowywanie kształtów, obracanie ich lub umieszczanie mniejszych części w strefach odpadów większych, producenci mogą wyprodukować więcej części z jednej cewki. Ponieważ koszty materiałów często stanowią 50–70% całkowitego kosztu części, zwiększenie liczby części z cewki bezpośrednio obniża koszt jednostkowy.

3. Jakie są najczęstsze wady powodujące odpady w procesie tłoczenia?

Typowe wady prowadzące do odrzucenia części (odpady produkcyjne) obejmują wyciąganie sztabek (gdzie materiał odpadowy jest wciskany z powrotem do matrycy), zadziory (ostrza powstałe w wyniku zużytego narzędziowania lub niewłaściwej luzowności), pękanie/rozszczepienie (często spowodowane problemami z kierunkiem włókien), oraz zakraczanie . Zapobieganie tym zjawiskom wymaga regularnej konserwacji matryc i monitorowania procesu.

4. Czym jest matryca odpadowa lub matryca regeneracyjna?

Matryca odpadowa, znana również jako matryca regeneracyjna, to specjalistyczne narzędzie tłocznikowe zaprojektowane tak, aby wytworzyć mniejszy, odrębny element, wykorzystując materiał odpadowy (odpad) pozostający po głównym procesie tłoczenia. Na przykład, wycięty fragment metalu z ramy okna samochodowego może zostać przekazany do matrycy odpadowej, by wytworzyć mały wspornik, co skutkuje uzyskaniem bezpłatnego materiału na część wtórną.

5. W jaki sposób kierunek włókien wpływa na wskaźnik odpadów?

Pasek metalowy ma "włókno" podobne do drewna, które powstaje w trakcie procesu walcowania. Gięcie metalu równolegle do włókna może powodować pęknięcia na zewnętrznej stronie gięcia, co prowadzi do odrzucenia elementów. Projektowanie układu taśmy w taki sposób, aby kluczowe gięcia przebiegały prostopadle do włókna, zapobiega tym pęknięciom, nawet jeśli oznacza to nieco mniej optymalną gęstość rozmieszczenia.