Ανάπτυξη βελτιστοποιημένης παραγωγικής διαδικασίας περιστροφικής χύτευσης

Του Δρ Σταύρου Χατζηγιάννη, Μηχανολόγου Μηχανικού, Τεχνικού Διευθυντή Τμήματος Έρευνας, CNE Technology Center
Η περιστροφική χύτευση είναι η μέθοδος παραγωγής κοίλων αντικειμένων από θερμοπλαστικό υλικό (κυρίως πολυαιθυλένιο σε μορφή κόνης). Η μέθοδος πρωτοαναπτύχθηκε το 1940, ενώ κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχει τύχει ραγδαίας ανάπτυξης κυρίως λόγω του εκσυγχρονισμού των μηχανημάτων, που οδήγησε σε σημαντική μείωση του κόστους παραγωγής σε σύγκριση με άλλες μεθόδους.  Μέσω της περιστροφικής χύτευσης μπορούν να παραχθούν απλά και πολυσύνθετα αντικείμενα διαφόρων μεγεθών, όπως για παράδειγμα κάδοι απορριμμάτων, καρέκλες, όψεις αυτοκινήτων, παιδικά τρόλεϊ, αγάλματα, κώνοι τροχαίας και ντεπόζιτα νερού, πετρελαίου και άλλων υγρών που αποτελούν το στοιχείο της παρούσας αναφοράς. 
Η διαδικασία παραγωγής πλαστικών ντεποζίτων περιλαμβάνει αρχικά την τοποθέτηση μιας ποσότητας κόνης πολυμερούς υλικού μέσα σε μεταλλικό καλούπι, το οποίο εισάγεται σε θάλαμο καύσης ελεγχόμενων συνθηκών. Μέσω της θέρμανσης του καλουπιού σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τα σημεία τήξης των θερμοπλαστικών υλικών και μέσω συνεχούς περιστροφής σε όλες τις κατευθύνσεις, η κόνη τήκεται ομοιόμορφα παίρνοντας το σχήμα του καλουπιού. Μετά τη χύτευση ακολουθεί η ψύξη του καλουπιού που διεξάγεται σε ειδικά διαμορφωμένο χώρο που βρίσκεται μετά το θάλαμο καύσης. Έπειτα από τη ψύξη του καλουπιού και επομένως τη διαμόρφωση του ντεποζίτου, το τελευταίο εξάγεται από το καλούπι αποτελώντας το τελικό προϊόν, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Η διαδικασία παραγωγής λαμβάνει χώρα σε τρεις διαφορετικούς σταθμούς, χύτευση, ψύξη και ξεκαλούπωμα, που βρίσκονται σε κυκλικές θέσεις με γωνίες 120° μεταξύ τους.
Κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν την παραγωγική διαδικασία και την τελική ποιότητα των προϊόντων είναι οι θερμοκρασίες του θαλάμου καύσης, οι θερμοκρασίες εντός και εκτός του καλουπιού, η ροή θερμού αέρα στο φούρνο και ο χρόνος παραγωγής. Παρά το γεγονός ότι η διαδικασία χρησιμοποιείται για αρκετά χρόνια, εν τούτοις μέχρι σήμερα στην Κύπρο η επιλογή των παραπάνω παραμέτρων γινόταν περισσότερο εμπειρικά με αποτέλεσμα να αυξάνει ο παραγωγικός χρόνος ανά μονάδα προϊόντος οδηγώντας σε σημαντικές αυξήσεις όσον αφορά τις ενεργειακές ανάγκες της διαδικασίας, περιορίζοντας παράλληλα την παραγωγική δυναμικότητα.
Έχοντας ως γνώμονα τα νέα δεδομένα που δημιουργούνται τα τελευταία χρόνια αναφορικά με την ενεργειακή κατανάλωση, διεξήχθη μια έρευνα στα πλαίσια του προγράμματος ΝΕΠΡΟ του Ιδρύματος Προώθησης Έρευνας της Κύπρου με σκοπό την βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας πλαστικών ντεποζίτων νερού, πετρελαίου και άλλων υγρών. H έρευνα υλοποιήθηκε για την εταιρία S&T Plastikon Ltd (www.plastikon.com.cy), από ομάδα αποτελούμενη από CNE Technology Center (www.cnetechnology.com), RTD Talos Ltd (www.talos-rtd.com), Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας (www.uowm.gr) και το Polymer Processing Research Centre του Πανεπιστημίου Queen’s του Μπέλφαστ (www.qub.ac.uk).
Οι επιστημονικοί στόχοι του έργου αρχικά ήταν η μελέτη της επίδρασης των βασικών παραμέτρων της διαδικασίας στην ποιότητα του τελικού προϊόντος και στη συνέχεια η βελτίωση όλων των παραμέτρων παραγωγής ντεποζίτων μέσω εκτεταμένων πειραματικών μετρήσεων, λήψης δεδομένων από ενσύρματα και ασύρματα καταγραφικά συστήματα θερμοκρασιών και κατανάλωσης, σχεδιασμού και ρευστομηχανικής ανάλυσης της ροής, κατασκευαστικών αλλαγών καθώς και πολλών άλλων ενεργειών. Η εκπλήρωση των στόχων αυτών θα έκανε κατορθωτή τη μείωση της ενέργειας ανά μονάδα προϊόντος βελτιώνοντας έτσι την παραγωγικότητα της αναδόχου εταιρίας.
Σαν πρώτο βήμα έγινε καταγραφή όλων των παραμέτρων που επηρεάζουν τη διαδικασία παραγωγής μέσω εισαγωγής στην υφιστάμενη διαδικασία ασύρματων και ενσύρματων καταγραφικών θερμοκρασίας και χρόνου, μέσω εισαγωγής μετρητών ροής αερίου καυσίμου καθώς και μέσω θερμογραφικής κάμερας υψηλής ανάλυσης που κατέγραφε από απόσταση τις ανομοιομορφίες στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης και στα τοιχώματα του καλουπιού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπήρχε μεγάλη θερμοκρασιακή ανομοιομορφία στο φούρνο, αφού τα ψηλά από τα χαμηλά στρώματα του φούρνου είχαν μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές. Επιπλέον λόγω του γεγονότος ότι οι καυστήρες ήταν ρυθμισμένοι να σβήνουν σε προκαθορισμένη θερμοκρασία για εξοικονόμηση ενέργειας, διαφάνηκε ότι αυτό τελικά είχε αρνητικό αντίκτυπο, αφού, όταν έσβηναν οι καυστήρες χρειαζόταν αρκετός χρόνος και συνάμα υψηλή κατανάλωση ενέργειας για να επανέλθουν οι θερμοκρασίες στα αρχικά επίπεδα. Παράλληλα με τις θερμοκρασίες του θαλάμου καύσης καταγράφονταν οι θερμοκρασίες και οι χρόνοι των διαδικασιών χύτευσης και ψύξης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι θα έπρεπε να γίνουν παρεμβάσεις και προς την κατεύθυνση αύξησης των θερμοκρασιών εντός των καλουπιών, που θα οδηγούσε σε μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, αφού η χύτευση θα αποπερατωνόταν σε συντομότερο χρονικό διάστημα.
Για καλύτερη κατανόηση του φαινομένου και των κατασκευαστικών αλλαγών που θα έπρεπε να γίνουν στο θάλαμο καύσης, έγινε τρισδιάστατος σχεδιασμός του θαλάμου και αναπτύχθηκαν μοντέλα προσομοίωσης ρευστομηχανικής ανάλυσης της ροής και της θερμότητας του θαλάμου καύσης. Η υπολογιστική ανάλυση έγινε έτσι ώστε να προσομοιάζει επακριβώς την υφιστάμενη κατάσταση και ήταν εξαιρετικά χρήσιμη, αφού, προτού γίνουν οι αλλαγές, η ερευνητική ομάδα ήταν σε θέση να γνωρίζει τον αντίκτυπο των αλλαγών στη θερμοκρασία, τη ροή αέρα και το χρόνο.
Οι κατασκευαστικές αλλαγές που προτάθηκαν μετά τις εκτεταμένες πειραματικές μετρήσεις και την προσομοίωση της ροής και της θερμότητας ήταν: α) μείωση όγκου του θαλάμου καύσης κατά 15%, β) στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης, γ) στρογγύλεμα των γωνιών του θαλάμου καύσης, δ) εισαγωγή πτερυγίων στην έξοδο του αεραγωγού που διαχέουν καλύτερα τον θερμό επανακυκλοφορούντα αέρα, ε) αναβάθμιση και επαναπρογραμματισμός του πίνακα ελέγχου της παραγωγικής διαδικασίας που λαμβάνει υπόψη τις προαναφερόμενες παραμέτρους, στ) τροποποίηση των καυστήρων έτσι ώστε να μένουν συνεχώς αναμμένοι, ζ) επιτάχυνση της ροής του αέρα και η) ενίσχυση του ρυθμού ψύξης.
Τα αποτελέσματα μετά τις αλλαγές φαίνονται στο κάτω μέρος του σχήματος. Αρχικά μπορεί να παρατηρηθεί ότι εντός του φούρνου πλέον δεν παρουσιάζονται θερμοκρασιακές ανομοιομορφίες, αφού ομαλοποιήθηκε η ροή και οι καυστήρες δε σβήνουν. Επίσης μπορεί να παρατηρηθεί ότι η μέση θερμοκρασία των εξωτερικών τοιχωμάτων του καλουπιού έχει ανέβει και κυμαίνεται στους 300°C, ενώ και η θερμοκρασία του θερμοπλαστικού υλικού έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα το τελευταίο να τήκεται νωρίτερα. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα είναι ότι ο χρόνος χύτευσης μειώθηκε κατά 7 περίπου λεπτά. Λαμβανομένου υπόψη του γεγονότος ότι η διαδικασία περιστροφικής χύτευσης είναι κυκλική αποτελούμενη από τρεις βραχίονες και επομένως την ώρα που ένα βραχίονας με καλούπια είναι στο στάδιο ψύξης ένας δεύτερος βραχίονας με καλούπια είναι στο στάδιο χύτευσης, στη διάρκεια μίας ημέρας μπορούν να διεξάγονται έως και τρεις χυτεύσεις επιπλέον. Αυτό συνεπάγεται άμεσα όχι μόνο αύξηση της παραγωγικότητας, της ανταγωνιστικότητας και της τεχνολογικής βάσης της αναδόχου εταιρίας, αλλά ταυτόχρονα σημαντική μείωση κατανάλωσης ενέργειας ανά μονάδα προϊόντος υλοποιώντας έτσι στο έπακρο τους αρχικούς στόχους που τέθηκαν προτού ξεκινήσει η παρούσα ερευνητική εργασία.
Η συνολική ερευνητική προσπάθεια έχει ανοίξει νέους διαύλους συνεργασίας μεταξύ ερευνητικών φορέων και μικρομεσαίων επιχειρήσεων, αφού έχουν δημιουργηθεί νέες προοπτικές διερεύνησης παρόμοιων διεργασιών με τελικό στόχο τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης μέσω παροχής υψηλής τεχνολογικής και επιστημονικής γνώσης.