Energie-onderdelen manufacturing: Een duurzame, hernieuwbare toekomst pionieren

Zorgen over klimaatverandering en wereldwijde koolstofdioxide-niveaus hebben groene energie in de laatste jaren dichter bij het stuur gezet. Volgens de International Energy Agency's (IEA) Global Energy Review verwachten de meeste experts dat hernieuwbare bronnen in 2021 bijna 30 procent van alle elektriciteit zullen produceren, met wind- en zonne-opwekking die met 17 procent respectievelijk 18 procent stijgen.

Ondertussen domineren fossiele brandstoffen de markt nog steeds, met de IEA die voorspelt dat de vraag naar kolen alleen al 60 procent meer zal bedragen dan alle hernieuwbare bronnen gecombineerd. Als gevolg zijn energiegerelateerde CO2-uitstoot op het punt te staan hun tweede grootste jaarlijkse stijg ooit te bereiken, wat eventuele pandemie-gedreven reducties in broeikasgassen teniet doet.

Het is een dynamische industrie, dat is zeker, maar één ding is zeker: Wereldwijd energieverbruik – wat de vorm ook is – zal nieuwe kansen creëren voor machineshops en andere discrete fabrikanten. Pomp- en turbinebehuizingen, tandwielkasten, windmolenwortelsecties, wellhead- en boorcomponenten – dit zijn slechts enkele van de onderdelen die elke dag geproduceerd worden door energie-OEM's en hun Tier-leveranciers, veelal groot, zwaar en gemaakt van uitdagende materialen zoals Inconel en Duplex staal.

Go Big or Go Home

Grote onderdelen vereisen grote machines, grote werkstukspanning en grote snijgereedschappen – wat allemaal een grote investering vereist. Klaus Miller, vicepresident sales voor Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, helpt graag met de eerste. Hij merkte op dat de energie- en aerospace-markten de afgelopen twee jaar langzaam zijn geweest, hoewel beide nu opkomen nu het ergste van de pandemie hopelijk achter ons ligt.

"Wij zijn importeur van You Ji en andere merken CNC-machines," zei Miller. "You Ji voorziet sommige van hun grotere apparatuur van hydrostatische tafellagers, wat ze heel populair maakt bij energie-onderdelenfabrikanten. Omdat deze werktuigmachines de extremelijk zware belasting in deze en andere bewerkingsectoren aan kunnen, en uitstekende langetermijnnauwkeurigheid bieden dankzij deze functie."

In een recent voorbeeld installeerde Absolute een You Ji vertical turret lathe (VTL) met een 4-m tafel. Het bedrijf dat het kocht, bewerkt grote energie-werkstukken, wat Miller zei sterk aanzet na de stijging in schone energie-investeringen rond 2006, maar ongeveer tien jaar later afnam toen productie offshore ging naar China, Roemenië en andere laagkost-leveranciers. Deze nieuwe installatie kan een omkering van wat lang een trend is geweest aanduiden.

Absolute installeerde ook eerder dit jaar een grote boringmachine voor een lokale klant. Hoewel shopmanagement de specifieke toepassing niet onthulde, vertelden ze Miller dat het voor energie-werk bedoeld was en een belastbaarheid van 35.000 lbf (155,7 kN) moest hebben. "Ze hadden al een Johnford brugmachine maar hadden iets groters nodig," zei hij. "Hier weer, tussen de hydrostatische lagers en de pure massa van de machine – 130.000 lb (58.967 kg) – bleek het de juiste oplossing."

Hoe Zwaarder, Hoe Beter

Machinemassa is duidelijk belangrijk bij zware sneden en streeven naar nauwkeurigheid in onderdelen groter dan een pickup. Miller en anderen stelden dat weinig machine tool bouwers vandaag de dag "ze maken zoals vroeger" en dat veel machineshops daarom hebben gekozen om hun Lucas, Giddings & Lewis en ander oud ijzer te retrofitten met CNC-besturingen. En hoewel dit een uitstekende manier is om de levensduur van wat zeker een aanzienlijke investering was te verlengen, komt er een moment dat zelfs de beste apparatuur tekort schiet ten opzichte van zijn moderne equivalent, hoe vaak het ook geüpdatet is.

Een andere manier voor shops om deze investeringen te maximaliseren is door hun grote-onderdeel-bewerkingsmogelijkheden te gebruiken om verder te gaan dan de energiemarkt. Bijvoorbeeld, de defensie-industrie is een significante gebruiker van supersized onderdelen, evenals de mijnbouw, landbouw- en bouwindustrie. Dergelijk werk aanpakken betekent echter dat shops moeten investeren in flexibele werktuigmachines die eenvoudig aangepast kunnen worden aan een verscheidenheid aan onderdelen en functies hebben die downtime minimaliseren.

Bernard Otto, directeur technische ondersteuning en productmanager voor Kiwa Japan en OKK Japan producten bij Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., heeft verschillende aanbevelingen om dat te bereiken. Hij merkte op dat talloze Methods-klanten de fracturing-industrie ondersteunen, produceren pompen, behuizingen en vergelijkbaar grote componenten. Competitief zijn hier betekent niet alleen grote hoeveelheden materiaal van staalgietingen en smedstukken efficiënt te verwijderen, maar ook de spindle constant te laten draaien.

"Hoge spindle-gebruik vereist dat de persoon die de machine bedient, 17.000 lb (7.711 kg) onderdelen snel, nauwkeurig en vooral veilig in en uit de machine kan krijgen," zei hij. "In de meerderheid van de gevallen wordt dit het beste bereikt met een palletwisselaar."

Diepgaan

Otto wees er ook op dat een breed bereik van spindelsnelheden vergelijkbare flexibiliteit biedt. Hij zei dat veel van de bewerkingscentra in deze arena 50-taper getande hoofdkoppen hebben met slechts twee bereiken, hoge snelheid en lage snelheid, en maximaal 3.600 rpm. Dit beperkt de eigenaars hun vermogen om kleine boormachines en frezen te gebruiken of aluminiumlegeringen te bewerken.

"OKK is een van de weinig bouwers die drie tandwielbereiken en tot 6.000 rpm aanbieden, wat hun klanten in staat stelt om heel agressief te frezen met grote vlakfrezen, en ook kleinere snijgereedschappen te gebruiken wanneer nodig," zei Otto. "Dit maakt ze veel veelzijdiger voor shops die een verscheidenheid aan werkstukken moeten produceren."

Andere te zoeken kenmerken zijn hoge Z-as duwkracht voor zware booroperaties, geïntegreerde plumbing voor geautomatiseerde hydraulische werkstukspanning, en, bij boringmachines, de mogelijkheid om de kwijl (de W-as) op zijn plaats te vergrendelen, wat de stevigheid bij het ruwfrezen van diepe gaten aanzienlijk verhoogt. Het is om deze en andere redenen dat Otto akkoord gaat met Absolute's Miller dat bijhouden met huidige werktuigmachinetechnologie de duidelijke weg vooruit is voor shops die zo competitief mogelijk willen blijven.

Maar misschien de belangrijkste aanbeveling voor energie-fabrikanten en anderen met wisselende vraag is om hun machines aan te laten staan en volledig operationeel te houden. Dit is vooral waar voor de olie- en gassector, die heel cyclisch kan zijn, en voor bedrijven met machine-activa die al lang betaald zijn en neigen te rusten tussen jobs.

Zei Otto, "In deze situaties zal ons servicedepartment vaak oproepen ontvangen van klanten die proberen een machine op te starten die maanden en soms jaren niet gebruikt is, alleen om te ontdekken dat een as vastzit of een elektronisch component defect is. Daarom vertellen we shops om hun machines periodiek te cyclen, en, nog beter, ze op een preventief onderhoudsschema te zetten met een geautoriseerde distributeur. Dit helpt om onverwachte verrassingen te vermijden, ongeacht het machinemerken, de grootte of het type werk."

Consistent Spannen

Braden Damman bevestigde de noodzaak voor hydraulische werkstukspanning, hoewel hij snel opmerkte dat de eerder genoemde geïntegreerde plumbing geen voorwaarde is. Een application engineer bij werkstukspanningscomponentenleverancier Vektek LLC, Emporia, Kan., wees Damman erop dat diverse extra configuratieopties beschikbaar zijn, inclusief waar de werkstukspanningsfixtuur zelf voor hydrauliek is aangesloten en aangedreven door een externe "accu", een apparaat dat druk op het systeem handhaaft tijdens bewerking.

Ongeacht de benadering, is hydraulische werkstukspanning de duidelijke winnaar in termen van consistentie en betrouwbaarheid, zo niet in prijs. "In de meeste toepassingen is hydraulisch de duurste oplossing, hoewel de initiële kosten snel gecompenseerd worden door productiviteitsverbeteringen," zei Damman. "Het elimineert de variatie die gezien wordt met handmatige spanningsmethodes en is een must voor geautomatiseerde processen."

Ironisch genoeg is veel van de grote energie-onderdeel werkstukspanning waar Dammen gerond wordt om te helpen, voor secundaire operaties. "We zien een redelijk aantal gasturbine-componenten die een soort fijn detail hebben met zeer strakke tolerenties," zei hij. "In deze toepassingen wil de klant het onderdeel vaak op een CNC-slijpmachine monteren voor afwerking en het geautomatiseerd hebben. Hydraulische werkstukspanning is bijna altijd de bevorzugde methode vanwege de hoge herhaalbaarheid."

Larry Robbins, president van werkstukspanningsspecialist SMW Autoblok Corp., Wheeling, Illinois, is een grote fan van herhaalbare spanning, maar merkte op dat het vaak noodzakelijk is om grote onderdelen te herpositioneren vanwege hun variabiliteit. "Of het nu een smedstuk of gietstuk is, elke keer als je boven een meter of zo in diameter komt, heb je bijna altijd een manier nodig om de locatie in de span aan te passen," zei hij. "We bieden al waarschijnlijk 25 jaar onafhankelijke kaakaanpassing met onze handmatige en hydraulische spannen, maar hebben die capaciteit de afgelopen jaren uitgebreid naar onze elektrisch geactiveerde lijn van werkstukspanningsproducten."

Energetische Werkstukspanning

Robbins legde uit dat de MM e-motion spannen van het bedrijf een gepatenteerd lineair positioneringssysteem (LPS) hebben dat de operator – automatisch of handmatig – in staat stelt de locatie van het onderdeel in de machine te meten via een tastvoort, de positionele informatie naar de controller te sturen en de span het onderdeel te laten centreren. Elke kaak wordt aangedreven en gecontroleerd door zijn eigen "e-motor" die op zijn beurt aangedreven wordt door een inductieve koppelaar, waardoor het systeem gebruikt kan worden op stationaire of rotatie-toepassingen. Onderdelen van alle vormen en maten tot 1.250 mm worden geaccommodeerd, evenals aanpassing van de spankracht, zelfs tijdens bewerking.

Zoals verschillende anderen hier stelden, hebben Robbins en SMW Autoblok vertragingen in de energie- en aerospace-sectoren ervaren de afgelopen twee jaar, hoewel beide onlangs een opstijging hebben beleefd. Interessant genoeg, ziet hij nu vraag uit de olie- en gasindustrie voor spannen die nog grotere pijpen kunnen grijpen, een verzoek dat uitdagend is vanuit zowel werkstukspanning- als werktuigmachine-perspectief.

"In het verleden hebben we de master kaken herontworpen om de capaciteit in bestaande spannen te vergroten, maar we staan nu voor volledig nieuwe productontwerpen gegeven het verzoek voor doorboringen van 24" (610 mm)," zei hij. "Zulke grote diameters leggen ook een zware belasting op de spindellagers van een draaibank. Dit kunnen we enigszins verlichten door het gebruik van steunlagen, maar hier weer benaderen we de grenzen van bestaande werkstukspanningstechnologie. Energieleveranciers staan op het punt een volledig nieuwe marktplaats te creëren."

Akkoord over Automatisering

Automatiseringssysteemleverancier Fastems LLC USA, West Chester, Ohio, ziet vergelijkbare vraag naar nieuwe technologie. Regional Sales Manager Loy McEldowney zei dat de energiesector traditioneel traag is geweest in het adopteren van geautomatiseerde onderdeelafhandeling, hoewel die mentaliteit begonnen is te veranderen dankzij de lopende tekort aan geschoolde arbeidskrachten. "Zoals veel industrieën, verliezen ze expertise en hebben ze geen keuze dan te automatiseren waar ze kunnen."

Dit vereist verschillende dingen. Een van de pallet-wisselende bewerkingscentra die eerder beschreven zijn, is een goed begin, gevolgd door een vorm van geautomatiseerde werkstukspanning. Naast de hydraulische en elektronische spanningsystemen die al besproken zijn, zijn ook lucht- of mechanisch geactiveerde zero-point positioneringssystemen beschikbaar. McEldowney zei dat de retentieknopen voor dergelijke systemen vaak direct op grote werkstukken gemonteerd zijn, met de passende ontvanger bevestigd aan de pallet.

Misschien het allerbelangrijkste is de ontwikkeling van stabiele, voorspelbare processen. Deze taak kan uitdagend zijn op elk bewerkt onderdeel, maar vooral voor de lage-volume, hoge-mix werk die gemeengoed is in energie-manufacturing. Toch doen een toenemend aantal olie- en gascomponentenleveranciers precies dat.

"De investering in automatisering en daaropvolgende procesontwikkeling rechtvaardigen vereist niet zoveel hoge volumes als wel redelijk herhaalbare orders," zei McEldowney. "Voor bedrijven die langetermijnovereenkomsten hebben met hun klanten en kunnen zien wat er aankomt de komende 18 tot 24 maanden, is het veel minder eng om geld uit te geven aan toegewijde fixturen, pallets om ze op te zetten, en een geautomatiseerde of zelfs semi-geautomatiseerde opslagsysteem. Wanneer een order binnenkomt, hoeven ze alleen de pallet te laden, het programma op te roepen en het onderdeel te draaien. En voor diegenen met ons MMS (manufacturing management software) systeem en geïntegreerde celcontroller, kunnen ze het lights-out doen. Op welke manier dan ook, het maakt zelfs lagere volume manufacturing heel efficiënt."