Ekstremalnie lekkie wałki rozprężne z CFRP: wykonanie specjalne dla częstych zmian rolek w przemyśle opakowaniowym

W jaki sposób rura nośna z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP) obniża wagę wału na tyle, że częste ręczne zmiany rolek mieszczą się w ergonomicznych wytycznych BHP, bez kompromisów w zakresie sztywności i bicia promieniowego.

Na stacji odwijania w przemyśle opakowaniowym wał nie jest przemieszczany raz na zmianę, lecz wielokrotnie: zdjęcie pustej tulei, nałożenie pełnej rolki, podniesienie wału z magazynu, osadzenie, wyrównanie. W przypadku wału stalowego, zależnie od średnicy i długości mocowania, przy każdym przejściu jest to znaczny ciężar, a z każdym powtórzeniem obciążenie odcinka lędźwiowego kręgosłupa sumuje się. Właśnie tutaj decyzja konstrukcyjna staje się kwestią bezpieczeństwa i higieny pracy.

Klient z branży opakowaniowej zwrócił się do IBD Wickeltechnik z następującym zadaniem: wałki rozprężne powinny stać się tak lekkie, aby nawet przy wysokiej częstotliwości wymiany mogły być obsługiwane przez jedną osobę, bez przekraczania dopuszczalnych limitów wagowych. Standardowy wał z aluminium znajdował się już na górnej granicy dopuszczalności. Potrzebne było nie dostrojenie, lecz zmiana materiału.

Sytuacja prawna: co konkretnie oznacza „zbyt ciężki”

Ręczne przemieszczanie ciężarów jest w Niemczech uregulowane przez rozporządzenie o przemieszczaniu ciężarów (LasthandhabV), które wdraża dyrektywę UE 90/269/EWG. Kluczowe dla praktyki: rozporządzenie nie podaje stałej wartości maksymalnej w kilogramach, lecz zobowiązuje do oceny ryzyka, która wspólnie uwzględnia wagę, postawę ciała, warunki chwytania, a przede wszystkim częstotliwość. To właśnie częstotliwość jest kluczowym czynnikiem: jednorazowo niekrytyczny ciężar staje się ryzykiem przy kilkudziesięciu powtórzeniach na zmianę.

Uznanym instrumentem oceny Federalnego Instytutu Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (BAuA) jest metoda wskaźników kluczowych: podnoszenie, trzymanie i przenoszenie (LMM-HHT). W niej dwie wartości działają jako faktyczne granice orientacyjne: jeśli mężczyźni obsługują więcej niż 25 kg lub kobiety więcej niż 15 kg, czynność uznaje się za tak krytyczną, że wymaga ona odrębnej oceny. W praktyce wartości te wyznaczają próg, powyżej którego wał staje się nieodpowiedni do powtarzalnej obsługi ręcznej (szczegóły: obszar tematyczny DGUV Obciążenia fizyczne).

Dla grup szczególnie wymagających ochrony obowiązują dodatkowo wiążące wagi maksymalne: zgodnie z § 11 ustawy o ochronie macierzyństwa (MuSchG) kobiety w ciąży nie mogą regularnie przemieszczać bez pomocy ciężarów powyżej 5 kg, a okazjonalnie powyżej 10 kg; ustawa o ochronie pracy młodzieży (§ 22 JArbSchG) ogranicza czynności wykraczające poza wydolność fizyczną. Z ekonomicznego punktu widzenia oznacza to: im lżejszy wał, tym większa grupa pracowników może obsługiwać stację i tym rzadziej kwestia wagi musi być rozwiązywana za pomocą urządzeń wspomagających podnoszenie lub doboru personelu.

Dlaczego nie po prostu aluminium

Aluminium jest oczywistym krokiem w stronę redukcji wagi i jest dostępne w standardowym programie wysokowydajnych wałków rozprężnych PSW-Z. Jednak przy dużej długości mocowania i obciążeniu nośnym aluminiowa rura nośna napotyka barierę fizyczną: dla uzyskania niezbędnej sztywności na zginanie i małego ugięcia pod pełną rolką potrzebna jest grubość ścianki, czyli dokładnie ta masa, której chcemy się pozbyć.

CFRP przełamuje ten konflikt celów dzięki sztywności właściwej, czyli stosunkowi modułu sprężystości do gęstości (E/ρ), w którym włókno węglowe znacznie przewyższa aluminium i stal. Rura nośna z CFRP osiąga tę samą sztywność na zginanie przy ułamku wagi.

Przy czym wyłącznie rura nośna została wykonana z CFRP. Czopy mocujące i łożyskowe pozostają stalowe, podobnie jak czopy zaciskowe, elementy rozprężne i zawór napełniający ze sprawdzonego systemu modułowego serii PSW-Z. Jest to zamierzone: masa wałka rozprężnego skupia się w rurze na długości mocowania, podczas gdy wysoko obciążone komponenty na końcach prawie nie wpływają na wagę, ale muszą przenosić siły łożyskowania, zacisku i napędu, do czego stal pozostaje właściwym wyborem. Dzięki temu wał zachowuje zasadę mocowania i łatwość serwisowania serii standardowej, obniżając jedynie wagę manipulacyjną.

Jak duży jest to efekt, pokazuje bezpośrednie porównanie: w przypadku 3-calowego wałka rozprężnego (76 mm) o długości mocowania 2 m, rura nośna z CFRP obniża wagę o około 20% w stosunku do aluminium i o około 60% w stosunku do stali. Godna uwagi jest przy tym mniej spodziewana różnica względem stali, a bardziej dodatkowe 20% w porównaniu do i tak lekkiego wariantu aluminiowego. Właśnie ta jedna piąta w praktyce często stanowi różnicę między wałem, który ociera się o próg ergonomiczny, a takim, który pozostaje poniżej niego z rezerwą.

Dlaczego CFRP opłaca się nie tylko ze względu na wagę

Dopłata materiałowa za CFRP jest realna i nie w każdym zastosowaniu się opłaca. Tam, gdzie jest to rentowne, rzadko wynika to z samej wagi, lecz z właściwości, których metal nie dostarcza konstrukcyjnie jednocześnie:

Mniejsze ugięcie, lepsza geometria wstęgi. Sztywny, lekki wał mniej ugina się pod pełną rolką. To wyrównuje naciąg wstęgi na całej szerokości roboczej i redukuje błędy nawijania, szczególnie przy dużych długościach mocowania.

Wyższa krytyczna prędkość obrotowa. Prędkość rezonansowa zależy od ugięcia, masy i sztywności. Wysoka sztywność właściwa CFRP podnosi ją i tworzy rezerwę dla wyższych prędkości wstęgi bez zakłóceń biegu.

Lepsze tłumienie, spokojniejszy bieg. CFRP ma wyższe wewnętrzne tłumienie materiałowe niż metal. Drgania wygasają szybciej, bieg pozostaje spokojny nawet przy wysokiej prędkości. To chroni łożyska i poprawia jakość powierzchni wstęgi.

Mniejszy masowy moment bezwładności. Mniejsza masa rotująca oznacza: szybsze przyspieszanie i hamowanie, mniejsze zapotrzebowanie na moment napędowy i mniej siły przy ręcznym rozruchu, co jest odczuwalne przy częstych cyklach start-stop.

Niska rozszerzalność cieplna. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej utrzymuje stabilną geometrię wału mimo wahań temperatury, co jest zaletą wszędzie tam, gdzie wymagane są wąskie tolerancje pozycji wstęgi.

Efekty te zazębiają się. Lżejszy, sztywniejszy i lepiej tłumiony wał nie jest sumą pojedynczych zalet, lecz pozwala na inny punkt pracy urządzenia: szybciej, spokojniej, z mniejszą ilością odpadów i na stanowisku pracy, które może być obsadzone na stałe.

Dipl. inż. Holger Brink, Dyrektor Zarządzający i Kierownik Techniczny w IBD Wickeltechnik:

„CFRP nie jest celem samym w sobie i nie w każdym wale jest właściwą odpowiedzią. Tutaj zadanie było jasno określone: częste zmiany rolek, jedna osoba, rygorystyczny cel wagowy. Aluminium było u kresu swoich możliwości i właśnie wtedy rura nośna z włókna węglowego pokazuje swoją siłę. Zachowujemy nasz sprawdzony system modułowy mocowania i łożyskowania, a materiał wymieniamy tylko tam, gdzie robi to decydującą różnicę”.

Specyficzna dla klienta konstrukcja wałów jako kluczowa kompetencja

Właściwa wartość tego rozwiązania nie leży w materiale, lecz w projekcie. Wałki rozprężne nie są częścią z katalogu: średnica tulei, długość mocowania, obciążenie nośne, prędkość obrotowa, przyłącze napędu, otoczenie i wymagana waga manipulacyjna tworzą profil wymagań, który wygląda inaczej w każdym zastosowaniu.

Modułowa architektura serii IBD jest na to przygotowana. Materiał rury nośnej, elementy rozprężne i czopy można dostosować bez rezygnacji z zasady mocowania czy łatwości serwisowania. W tym przypadku dźwignią była zmiana materiału na CFRP, w innych projektach przesuwna mechanika wału, dostosowane wyposażenie w elementy rozprężne lub specjalne łożyskowanie. Myślenie o wałkach do zwijania przez pryzmat profilu wymagań, a nie katalogu, zamiast przewymiarowywania standardowego wału aż do dopasowania, jest istotą tego, co IBD Wickeltechnik rozumie jako rozwój specyficzny dla klienta.

Możliwość zastosowania na każdej krytycznej pod względem wagi stacji wymiany

Zasadę tę można przenieść na praktycznie każdą stację odwijania lub nawijania, na której często dokonuje się ręcznej wymiany, a waga wału staje się wąskim gardłem. Wszędzie tam, gdzie standardowy wał ze stali lub aluminium przekracza granice ergonomiczne, rura nośna z CFRP obniża wagę bez poświęcania sztywności, bicia promieniowego czy łatwości serwisowania. Warunkiem jest rzetelna ocena profilu wymagań i właśnie od tego zaczyna się projektowanie.