Jak zmienia się branża przetwórstwa tworzyw sztucznych
Adobe Stock – markobeBranża przetwórstwa tworzyw sztucznych korzysta na powszechnym wykorzystywaniu materiałów polimerowych do bardzo wielu zastosowań. Także jednak w tym sektorze przetwórstwa przemysłowego niezbędne są zmiany. Wynikają one m.in. z konieczności ulepszania metod wytwórczych oraz dostosowywania ich do zmieniającego się otoczenia i nowych wyzwań rynkowych.
Przemysł tworzyw sztucznych, w tym ich przetwórstwo, to bardzo ważny sektor polskiej gospodarki. Popularne plastiki można dziś spotkać w większości urządzeń codziennego użytku, co nie dziwi, ponieważ dzięki dostępnym metodom formowania tworzyw sztucznych można z nich uzyskać dowolny kształt.
Bez tworzyw sztucznych ciężko byłoby dziś wyobrazić sobie funkcjonowanie większości gałęzi przemysłowych, w tym tak istotnych jak np. motoryzacja, lotnictwo, medycyna, branża spożywcza oraz elektrotechniczna i elektroniczna.
Branża przetwórstwa tworzyw sztucznych, analogicznie jak pozostałe gałęzie przemysłowe, znajduje się obecnie u progu poważnych zmian. Można znaleźć dwa główne kierunki, które będą decydować o przyszłym obliczu tej branży.
Pierwszym jest postęp technologiczny związany m.in. z koncepcją Przemysłu 4.0. Drugi kierunek to dążenie do osiągnięcia neutralności klimatycznej poprzez przestawienie się na gospodarkę o obiegu zamkniętym i na zrównoważony rozwój.
Ewolucja wtryskarek
W branży przetwórstwa tworzyw sztucznych wykorzystuje się różne technologie. Niewątpliwie do najczęściej stosowanych metod produkcyjnych należy technologia formowania wtryskowego tworzyw szztucznych, którą stosowało się już w pierwszej połowie ubiegłego stulecia. W procesie tym główne role odgrywają wtryskarka i zintegrowane z nią formy wtryskowe. Oba te elementy stale są udoskonalane, poszerzając możliwości przetwarzania tworzyw sztucznych i zwiększając wydajność tych procesów.
Ważną zmianą było wynalezienie wtryskarek ślimakowych, które dzięki licznym zaletom wyparły z rynku wcześniej stosowane wtryskarki tłokowe. W przypadku tych drugich występowały często problemy z uzyskaniem jednorodnego temperaturowo uplastycznionego tworzywa.
Dzięki wtryskarkom ślimakowym można dużo łatwiej kontrolować prędkość wtrysku, co z kolei przekładało się na wyższą jakość uzyskanego elementu. Zmiana ta otworzyła również drzwi do stosowania bardziej różnorodnych tworzyw, w tym tworzyw kolorowych i pochodzących z recyklingu.
Kolejnym istotnym punktem w ewolucji wtryskarek było wprowadzenie technologii wspomagania gazowego. Dzięki temu rozwiązaniu procesy stały się powtarzalniejsze i zredukowano liczbę odpadów, co oczywiście przełożyło się na obniżenie kosztów przetwarzania. Wtryskarki wspomagane gazem pozwoliły także na wytwarzanie mocniejszych elementów o bardziej złożonych kształtach.
Natomiast obecnie jesteśmy na etapie stopniowego przejmowania coraz większego udziału w rynku przez wtryskarki elektryczne (choć maszyny do wtryskiwania z napędem hydraulicznym wciąż stanowią dużą część tego rynku). W pełni elektryczne maszyny są co prawda droższe od ich hydraulicznych odpowiedników (różnica w cenie jednak stopniowo się zmniejsza). Oszczędności, które wynikają z niższego zużycia energii (szacuje się, że jest mniejsze o ok. 20–40%) i mniejszego zapotrzebowania na wodę chłodzącą, pozwalają jednak na szybki zwrot z inwestycji w ten rodzaj wtryskarek. Ponadto do pracy nie potrzebują one oleju hydraulicznego.
Poza korzyściami, które wynikają z wyższej efektywności energetycznej, wtryskarki z napędem elektrycznym zapewniają także większą dynamikę pracy i wysoką precyzję, dokładność i powtarzalność. Do tego są to maszyny, które pracują ciszej i bez wibracji.
Nie emitują też szkodliwych dla pracowników oparów i mają niższy poziom emisji ciepła niż wtryskarki hydrauliczne. Spełniają również rygorystyczne normy dotyczące czystości, dzięki czemu nadają się do pracy w takich branżach, jak spożywcza, medyczna, optyczna czy elektrotechniczna.
Dynamiczny rozwój ma miejsce również w przypadku układów sterowania wtryskarek. Produkcja ze sterowaniem komputerowym zapewnia większą dokładność i powtarzalność, ale przede wszystkim umożliwia wytwarzanie produktów o dużo bardziej skomplikowanych kształtach, które wymagają bardziej skomplikowanych form wtryskowych.
W kierunku zrównoważonego rozwoju i gospodarki o obiegu zamkniętym
Bardzo ważnym trendem, który widać nie tylko w branży tworzyw sztucznych, ale w całym przemyśle, jest zrównoważony rozwój i przejście na gospodarkę obiegu zamkniętego. Wymusza on na firmach wdrażanie nowych rozwiązań i technologii, a często również całkowitą zmianę strategii działania, która pozwoli dostosować się do bardziej restrykcyjnych przepisów i regulacji.
Jednocześnie przedsiębiorstwa, których działanie będzie bardziej zrównoważone i proekologiczne, muszą cały czas pamiętać o zapewnieniu odpowiedniej jakości wytwarzanych produktów – w tym ich właściwości mechanicznych i fizycznych.
Na popularności zyskują więc dziś wszystkie technologie proekologiczne, które pozwolą zmniejszyć ślad węglowy, który wiąże się z produkcją i przetwarzaniem tworzyw sztucznych. Bardzo dobrym przykładem są oczywiście odnawialne źródła energii, które pozwalają zmniejszyć zużycie energii pochodzącej z paliw kopalnianych (a niejako przy okazji zmniejszają koszty energii, jakie ponoszą przedsiębiorstwa).
Postęp technologiczny w przypadku maszyn, które stosuje się w procesach formowania tworzyw sztucznych, dotyczy przede wszystkim zmniejszania zużycia energii i minimalizowania strat energii podczas realizowanych czynności wytwórczych. Nowoczesne rozwiązania pozwalają także odzyskiwać część utraconej energii.
Zmiany związane przede wszystkim z gospodarką obiegu zamkniętego wymuszają stosowanie tych tworzyw sztucznych, które w całości będą się nadawać do późniejszego recyklingu. Pozwoli to utrzymywać je dłużej w obiegu, zmniejszając zapotrzebowanie na surowce, które są niezbędne do wytworzenia nowych tworzyw sztucznych.
Mimo że poziom recyklingu tworzyw sztucznych w Polsce utrzymuje się poniżej europejskiej średniej, widoczny jest trend wzrostowy w tym obszarze. Jak wynika z danych Fundacji PlasticsEurope Polska, polskiego oddziału europejskiego stowarzyszenia, w porównaniu z 2018 r. poziom recyklingu wzrósł o 8,7%.
Dane dla Polski są jednak nadal poniżej średniej. W nowych produktach i częściach z tworzyw sztucznych 10,2% surowców pochodziło ze źródeł cyrkularnych. Poziom recyklingu tworzyw sztucznych w Polsce w 2022 r. wyniósł natomiast 21,2% (co odpowiada 542 tys. tonom odpadów tworzyw poddanych recyklingowi).
Innowacyjne tworzywa sztuczne
Ciągły rozwój widoczny jest nie tylko w obszarze maszyn do formowania tworzyw sztucznych, ale również w obszarze samych materiałów polimerowych. Jednym z największych problemów, które wiążą się z polimerami, jest długi czas ich całkowitej degradacji.
Przykładowo, folia polietylenu LDPE o grubości 60 µm potrzebuje kilkaset lat, żeby uległa całkowitemu rozkładowi. Żeby więc zmniejszyć negatywny wpływ na środowisko naturalne, prowadzi się prace nad nowymi grupami tworzyw sztucznych. Jednym z mocno promowanych obecnie trendów jest wytwarzanie materiałów z surowców kopalnych i odnawialnych, które są uzupełniane dodatkami organicznymi. Dodatki te dużo szybciej się degradują, co przyspiesza proces rozkładu takiego tworzywa, kiedy staje się już odpadem.
Kolejnym trendem, który w dużej mierze wymuszają odbiorcy wyrobów z tworzyw sztucznych, jest zmniejszanie masy tych produktów, jednak bez uszczerbku dla ich wytrzymałości i innych właściwości. Lżejsze tworzywa oznaczają zmniejszenie masy podzespołu, który tworzą, co np. w przypadku pojazdów samochodowych przekłada się na mniejsze zużycie paliwa.
Niewielka masa plastikowych produktów oznacza często także łatwiejszą obsługę. W przypadku np. kilkugodzinnej pracy z danym urządzeniem zwiększato komfort pracowników.
Przykładem innowacyjnego tworzywa sztucznego, który może znacząco wpłynąć na branżę przetwórstwa tworzyw sztucznych, jest polieteroeteroketon (PEEK). Ten polimer, dzięki swoim licznym i wszechstronnym zaletom, zyskuje na popularności w różnych branżach (m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym czy medycznym).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Do największych zalet PEEK należy większa odporność i stabilność w wysokiej temperaturze niż większości innych powszechnie stosowanych termoplastów. Do tego tworzywo to wyróżnia się większą odpornością chemiczną, wytrzymałością na zużycie i (co niebagatelne w dzisiejszych czasach) jest materiałem biokompatybilnym.
W porównaniu z innymi popularnymi polimerami PEEK jest twardszy i ma większą wytrzymałość na rozciąganie. Ponadto jest ognioodporny, łatwo poddaje się obróbce i ma dobre właściwości ścierne. Jego największym ograniczeniem jest wysoka cena, co wciąż może skłaniać wielu przedsiębiorców do sięgania po tańsze tworzywa.
Wymienione wyżej bardzo dobre właściwości termiczne, chemiczne i mechaniczne PEEK sprawiają, że materiał ten stosuje się coraz częściej także jako zamiennik metalu (ma podobne właściwości jak aluminium). Mowa tu przede wszystkim o zastosowaniach wysokotemperaturowych, związanych m.in. z urządzeniami, które uczestniczą w wytwarzaniu energii. Jednocześnie z PEEK wytwarza się urządzenia medyczne, które wymagają częstej sterylizacji.
Choć wysoka cena tego tworzywa i pewne ograniczenia, które wiążą się z jego obróbką i przetwarzaniem, mogą zniechęcać do sięgania po ten materiał, długofalowe korzyści (wynikające przede wszystkim z większej trwałości i wytrzymałości wykonanych z niego produktów) z pewnością przewyższą poniesione koszty.
Ponadto PEEK umożliwia realizację różnych zadań, które są niewykonalne z innymi tworzywami termoplastycznymi. Można się więc spodziewać, że rola tego materiału w różnych branżach przemysłowych będzie coraz większa.
Automatyzacja i nowe technologie
Osobnym trendem, który również będzie miał olbrzymi wpływ dalszy na rozwój branży przetwórstwa tworzyw sztucznych, jest Przemysł 4.0 i związane z nim zaawansowane technologie. Co ważne, coraz śmielej sięgają po nie także polskie firmy z tej branży.
Inteligentne i zautomatyzowane w coraz większym stopniu rozwiązania produkcyjne integrują m.in. algorytmy oparte na sztucznej inteligencji czy urządzenia z obszaru internetu rzeczy. Ponadto wykorzystują takie zaawansowane narzędzia, jak analityka Big Data, chmury obliczeniowe czy uczenie maszynowe.
Wszystkie te nowe technologie przekładają się na nowe możliwości procesów formowania tworzyw sztucznych, zwiększają ich wydajność i redukują liczbę błędów. Nowoczesne technologie nie tylko jednak pozwalają zwiększyć poziom automatyzacji procesów przetwarzania tworzyw. Produkcja wyrobów z polimerów jest również coraz bardziej zdigitalizowana.
Liczne czujniki, które są zlokalizowane w różnych urządzeniach i na różnych etapach procesu, umożliwiają gromadzenie wielu różnorodnych danych. Dzięki nim można na bieżąco śledzić parametry procesu oraz poszczególnych maszyn i urządzeń, które biorą w nim udział.
Wykorzystane algorytmów sztucznej inteligencji pozwala na analitykę tych danych w czasie rzeczywistym, a więc także szybką reakcję, gdyby pojawiły się pewne nieprawidłowości. W dłuższej perspektywie wiedza uzyskana ze zgromadzonych danych pozwoli zoptymalizować cały proces. A to może się przełożyć na większą jego wydajność, wyższą jakość wytworzonych produktów, ograniczenie kosztów eksploatacyjnych i mniejszą ilość błędów i odpadów produkcyjnych.
Sztuczna inteligencja odgrywa także dużą rolę w monitorowaniu i kontroli procesu przetwarzania tworzyw sztucznych. Pozwala wykrywać wszelkie nieprawidłowości w trakcie realizacji procesu i wprowadzać szybko niezbędne poprawki.
Dzięki gromadzeniu danych i algorytmom sztucznej inteligencji, które są w stanie szybko te dane przeanalizować, można również prowadzić konserwację predykcyjną. Dzięki niej przedsiębiorca jest odpowiednio wcześnie informowany o możliwości awarii lub wystąpienia innej nieprawidłowości i może skutecznie zareagować.
Przeprowadzenie niezbędnych czynności serwisowo-konserwacyjnych zapobiega awariom, a tym samym kosztownym przestojom w produkcji. Konserwacja predykcyjna umożliwia też właściwe planowanie cyklu produkcyjnego i niezbędnych czynności serwisowych. W efekcie przedsiębiorstwo oszczędza czas i pieniądze.
Rosnąca rola wytwarzania przyrostowego (druku 3D)
Technologia wytwarzania przyrostowego, w tym druku 3D, w ostatnim czasie bardzo zyskuje na popularności. Produkcję addytywną przedstawia się jako przełomową technologię produkcyjną, która z czasem będzie wypierać inne metody wytwarzania. W tej metodzie produkcja odbywa się poprzez nakładanie kolejnych cienkich warstw jedna na drugą. Pozwala to uzyskiwać skomplikowane kształty, które często są nieosiągalne z użyciem innych technik wytwarzania.
Według typowego podejścia jest to technologia konkurencyjna wobec tradycyjnych metod przetwarzania tworzyw sztucznych. Można jednak znaleźć również takie podejście, zgodnie z którym wytwarzanie przyrostowe i formowanie wtryskowe mogą się uzupełniać i zapewniać przedsiębiorstwu bardziej elastyczne możliwości produkcyjne.
Wytwarzanie przyrostowe i formowanie wtryskowe to dwie technologie przetwarzania tworzyw sztucznych, które mogą się uzupełniać. Formowanie wtryskowe jest uznaną technologią, która umożliwia użytkownikom ekonomiczną produkcję części z tworzyw sztucznych w partiach do 10 mln sztuk przy użyciu szerokiej gamy materiałów.
Z kolei wytwarzanie przyrostowe umożliwia przedsiębiorcom ekonomiczną produkcję części w zindywidualizowanej produkcji masowej, o złożonych strukturach geometrycznych, a także w małych partiach (do 200 tys. sztuk) i w ramach całkowicie cyfrowego łańcucha wartości.
Osoby zarządzające w przedsiębiorstwach powinny mieć możliwość wyboru między formowaniem wtryskowym a produkcją przyrostową w oparciu o określone kryteria. Kryteria te powinny jednoznacznie wskazywać – na podstawie np. czynników technologicznych lub ekonomicznych – która z tych dwóch technologii jest w danym momencie bardziej wskazana.
Warto jednak poszerzać zdolności produkcyjne przedsiębiorstwa. Możliwość wyboru między formowaniem wtryskowym a wytwarzaniem przyrostowym zależnie od konkretnego przypadku i cyklu życia produktu to bowiem dodatkowe korzyści dla przedsiębiorstwa.
Taką wartością dodaną mogą być np. niższy koszt produkcji, większa elastyczność i szybsze reagowanie na zmieniający się popyt rynkowy. Możliwość dowolnego wyboru metody wytwarzania pozwala też kompensować wady drugiej technologii zależnie od etapu cyklu życia produktu.
O Autorze
