Andrzej Tomczak, Kamil Tomczak, Katarzyna Wierzbicka
Rozpowszechnienie wyników projektu badawczo-rozwojowego nr RPLD.01.02.02-10-0004/19 pn. „Opracowanie automatyzacji procesu produkcji wyrobów przeznaczonych do nowych samochodów”
Projekt badawczo-rozwojowy pn. „Opracowanie automatyzacji procesu produkcji wyrobów przeznaczonych do nowych samochodów”, realizowany przez PPHU Przedsiębiorstwo Tworzyw Sztucznych A.H.A. Tomczak Sp. J. w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Łódzkiego, stanowi przykład kompleksowego przedsięwzięcia obejmującego badania przemysłowe, prace rozwojowe oraz wdrożenie rezultatów działalności B+R do praktyki przemysłowej przedsiębiorstwa. Niniejsze opracowanie stanowi rozpowszechnienie wyników projektu.
Automatyzacja produkcji wyrobów polimerowych dla motoryzacji
Celem projektu było opracowanie innowacyjnej, zautomatyzowanej technologii produkcji wyrobów polimerowych przeznaczonych do podzespołów nowo produkowanych samochodów. Projekt stanowił odpowiedź na rosnące wymagania przemysłu motoryzacyjnego w zakresie zwiększenia poziomu automatyzacji procesów produkcyjnych, poprawy jakości i powtarzalności wyrobów oraz ograniczenia wpływu czynnika ludzkiego na stabilność parametrów technologicznych. Wymagania te wynikają bezpośrednio ze specyfiki branży automotive, w której komponenty polimerowe pełnią funkcje krytyczne z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacji pojazdów oraz niezawodności układów technicznych.
Realizacja projektu obejmowała trzy etapy badań przemysłowych oraz etap prac rozwojowych związanych z integracją, uruchomieniem oraz testami prototypowej zautomatyzowanej linii technologicznej. Zakres prac badawczo-rozwojowych obejmował między innymi badania nad właściwościami materiałów polimerowych pracujących w podwyższonych temperaturach, opracowanie systemów redukcji adhezji pomiędzy wyrobem a powierzchnią formy, integrację układów sterowania, automatyki i monitorowania procesu oraz opracowanie rozwiązań umożliwiających automatyzację operacji technologicznych realizowanych w trudnych warunkach środowiskowych. W ramach projektu opracowano również nową konstrukcję formy technologicznej oraz dedykowanego oprzyrządowania procesowego. Projekt zakładał zastosowanie zaawansowanych technik projektowania inżynierskiego CAD/CAM oraz technologii obróbki CNC w procesie przygotowania elementów linii technologicznej.
Wyzwania technologiczne w przetwórstwie i badaniach materiałowych
Istotnym wyzwaniem technologicznym była specyfika przetwarzania materiałów polimerowych. Wyroby polimerowe charakteryzują się wysoką elastycznością, niską sztywnością oraz znaczną podatnością na deformacje mechaniczne, szczególnie w podwyższonych temperaturach procesu wulkanizacji osiągających około 200°C. Wysoka temperatura procesu oraz oddziaływania międzycząsteczkowe powodują ponadto bardzo wysoki poziom adhezji wyrobów do powierzchni formujących, co w istotny sposób utrudnia realizację automatycznych operacji manipulacyjnych oraz procesów odformowania detali. Dodatkowym utrudnieniem technologicznym było powstawanie nagaru i zgorzeliny wynikających z przebiegu procesu sieciowania materiałów polimerowych w agresywnym środowisku termochemicznym.
W ramach realizacji projektu opracowano innowacyjne rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne umożliwiające przezwyciężenie wskazanych ograniczeń technologicznych. Jednym z kluczowych rezultatów badań było opracowanie materiału polimerowego wykorzystującego technologię smaru wewnętrznego, umożliwiającego samoczynne tworzenie warstwy redukującej przyczepność wyrobu do powierzchni formującej. Równolegle prowadzono badania nad zwiększeniem parametrów wytrzymałościowych materiałów polimerowych w wysokich temperaturach, w tym odporności na rozdzieranie oraz wytrzymałości mechanicznej podczas operacji automatycznego odformowania. W pracach badawczych wykorzystano rozwiązania oparte na strukturach nanomateriałowych i nanonapełniaczach poprawiających właściwości użytkowe mieszanek polimerowych.
Innowacyjna zautomatyzowana linia technologiczna a Przemysł 4.0
Opracowano również nową konstrukcję formy technologicznej wyposażonej w systemy instalacji próżniowej oraz układy sprężonego powietrza, których zadaniem było ograniczenie zjawiska podciśnienia pomiędzy powierzchnią wyrobu a powierzchnią gniazda formującego. Zastosowanie technologii wtrysku do środowiska próżniowego oraz sterowanych układów pneumatycznych umożliwiło poprawę jakości procesu formowania oraz zwiększenie skuteczności automatycznego odformowania detali bez ryzyka uszkodzeń mechanicznych. Opracowanie konstrukcji oprzyrządowania wymagało uzyskania bardzo wysokiej klasy gładkości powierzchni roboczych form oraz zastosowania specjalistycznych powłok ograniczających adhezję materiałów polimerowych.
W trakcie realizacji projektu przeprowadzono szeroki zakres badań laboratoryjnych oraz analiz jakościowych mających na celu ocenę właściwości mechanicznych, cieplnych oraz eksploatacyjnych opracowanych materiałów polimerowych. Analizie poddano między innymi mikrotwardość materiałów metodą Micro-IRHD zgodnie z normą ISO 48, wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie przy zerwaniu zgodnie z normą ISO 37, a także odporność cieplną oraz stabilność właściwości materiałowych w środowisku podwyższonych temperatur i oddziaływania mediów chemicznych. Przeprowadzono również analizy właściwości reologicznych mieszanek polimerowych oraz ocenę stabilności parametrów procesu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły możliwość osiągnięcia wymaganych parametrów jakościowych przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej stabilności procesu produkcyjnego oraz wysokiej powtarzalności wyrobów. Ocena zdolności procesu realizowana była przy wykorzystaniu wskaźników jakościowych Cp i Cpk, charakterystycznych dla przemysłu motoryzacyjnego oraz systemów zarządzania jakością zgodnych z normą IATF 16949.
W ramach realizowanych prac badawczo-rozwojowych prowadzono również współpracę z Politechniką Łódzką, obejmującą między innymi badania materiałów polimerowych metodą elektronowej mikroskopii skaningowej SEM-EDS oraz analizy składu chemicznego i dyspersji składników materiałowych.
Wdrożenie wyników i rozwój przedsiębiorstwa
Rezultatem projektu było opracowanie, wykonanie oraz wdrożenie prototypowej zautomatyzowanej linii technologicznej przeznaczonej do produkcji wyrobów polimerowych dla branży motoryzacyjnej. Automatyzacja procesu umożliwiła zwiększenie wydajności produkcji, ograniczenie strat materiałowych, zmniejszenie energochłonności procesu oraz poprawę bezpieczeństwa i ergonomii pracy operatorów. Opracowane rozwiązania przyczyniły się również do zwiększenia stabilności parametrów technologicznych oraz poprawy powtarzalności jakościowej produkowanych wyrobów. Projekt wpisuje się jednocześnie w założenia transformacji przemysłowej związanej z wdrażaniem koncepcji Przemysłu 4.0 oraz inteligentnych systemów zarządzania produkcją.
Wyniki projektu zostały wdrożone do działalności przedsiębiorstwa i wykorzystane do realizacji produkcji komponentów polimerowych w ramach projektów OE przeznaczonych dla międzynarodowych koncernów branży motoryzacyjnej. Opracowana technologia została zastosowana w procesach produkcyjnych związanych z nowoczesnymi komponentami wykorzystywanymi w pojazdach produkowanych na rynkach europejskich oraz światowych.
Potwierdzeniem innowacyjnego charakteru opracowanych rozwiązań było podjęcie działań związanych z ochroną własności przemysłowej. Dokonano zgłoszenia patentowego w Urzędzie Patentowym Rzeczypospolitej Polskiej dla rozwiązania dotyczącego systemu automatyzacji procesu produkcji wyrobów polimerowych na wtryskarce. Równolegle dokonano zgłoszenia patentowego w Niemieckim Urzędzie Patentowym DPMA. Działania te potwierdzają wysoki poziom innowacyjności technologicznej opracowanych rezultatów oraz ich potencjał wdrożeniowy i komercjalizacyjny.
Realizacja projektu przyczyniła się do istotnego zwiększenia potencjału badawczo-rozwojowego przedsiębiorstwa, rozwoju kompetencji technologicznych oraz umocnienia pozycji konkurencyjnej firmy na rynku międzynarodowym. Projekt stanowi przykład skutecznego transferu wyników badań przemysłowych oraz prac rozwojowych do praktyki gospodarczej oraz efektywnego wykorzystania działalności B+R do tworzenia nowoczesnych technologii produkcyjnych dla sektora motoryzacyjnego.
P.P.H.U. Przedsiębiorstwo Tworzyw Sztucznych A.H.A. Tomczak jest producentem wyrobów polimerowych dla branży motoryzacyjnej z ponad 35-letnim doświadczeniem. Firma jest strategicznym dostawcą międzynarodowych koncernów motoryzacyjnych działających na rynkach europejskich i światowych. Przedsiębiorstwo od wielu lat konsekwentnie realizuje strategię rozwoju opartą na podnoszeniu konkurencyjności poprzez regularne inwestycje w działalność badawczo-rozwojową oraz innowacje technologiczne.
Andrzej Tomczak, Kamil Tomczak, Katarzyna Wierzbicka
PPHU PTS AHA Tomczak
www.pts-tomczak.com
