Memilih Pers yang Tepat

Teknologi pers — baik mekanis, hidraulik, atau servo — memainkan banyak peran

Ada pilihan di mesin cetak, yang merupakan hal yang baik. Perdebatannya bukanlah mana yang terbaik, tetapi mana yang tepat untuk pekerjaan yang ada. Ada pengorbanan dalam biaya, fungsi, dan kualitas antara jenis mesin press utama yang dapat dipilih.

Ini adalah debat persahabatan, dan kartunya ada di meja untuk dilihat semua orang.

Ulasan Singkat Teknologi

Menurut Stephanie Price, insinyur aplikasi senior di Promess Inc, Brighton, Michigan, banyak orang di industri tidak sepenuhnya menghargai keunggulan teknologi servo press. Sebaliknya, Mike Josefiak, insinyur mesin di Greenerd Press &Machine, Nashua, N.H., berpendapat bahwa press hidrolik adalah solusi terbaik untuk beberapa aplikasi. Dan Jim Landowski, wakil presiden di Komatsu America Industries LLC yang berbasis di Chicago, akan memberi tahu Anda bahwa masih ada situasi di mana mesin pres mekanis tradisional baik-baik saja.

Pers mekanis mengubah gerakan rotasi roda gila menjadi gerakan linier ram yang menekan ke benda kerja. Seperti yang dijelaskan Landowski, Anda dapat “membayangkan lingkaran, dengan nol di bagian atas dan 180 di bagian bawah. Pers mekanis bergerak dari nol hingga 180 dan kembali ke nol, atau 360, dalam satu gerakan terus menerus. Pukulan tidak memiliki gaya di bagian atas dan gaya maksimum di bagian bawah, jadi “tergantung pada dadu, Anda mungkin mulai mendorong material pada 160 derajat atau lebih. Tetapi ketika mencapai 180, bagian tersebut selesai, karena slide Anda akan kembali ke atas.”

Seperti yang dijelaskan oleh Bob Southwell, wakil presiden eksekutif AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, sebagian besar servo press adalah versi dari pengaturan yang sama, “kecuali bahwa Anda menggerakkan kereta penggerak mekanis dengan motor servo, versus roda gila. dengan mekanisme rem kopling.” Sebuah mesin press memiliki langkah tetap dan kecepatan konstan. Tetapi “tambahkan motor servo ke dalamnya, dan sekarang Anda dapat memprogram profil gerakan. Anda dapat memperlambat, menjeda, melakukan restriking cepat, dan melakukan berbagai hal yang tidak pernah mungkin dilakukan dengan mesin press standar.” Ada juga versi penggerak langsung (motor servo ke sekrup bola), dengan karakteristik torsi yang lebih baik daripada hibrida servo-mekanis.

Mesin press hidrolik menggabungkan satu set pompa, katup, dan selang untuk menghubungkan ram dengan cairan bertekanan. Meskipun pendekatan ini memiliki kelebihan, mereka tidak menyertakan jenis kontrol gerakan yang dibahas di atas. Jadi mesin press servo menawarkan kemampuan tambahan dan memecahkan sejumlah masalah yang terjadi dengan mesin press mekanis atau hidrolik murni.

Materi Baru, Tantangan Baru

Landowski mengamati bahwa langkah menuju paduan canggih yang dibawa oleh bobot ringan otomotif dan faktor lainnya mendorong permintaan untuk menekan servo. Seperti yang dia katakan, “Bayangkan baja sebagai cairan, ia harus mengalir… Anda tidak mengerjakan materi, Anda bekerja dengan materi.”

Bahan yang lebih keras membutuhkan penyesuaian yang baik pada kecepatan ram untuk "membiarkan bahan mengalir dengan benar, atau menjadi seperti gula-gula dan mulai terlepas." Misalnya, katanya, membentuk cangkir dalam paduan keras mungkin memerlukan perlambatan dari 30 menjadi 15 IPM selama langkah 3" (76,2 mm), pada tingkat perubahan yang tepat—dan mungkin bervariasi.

Hanya kontrol servo yang dapat mengatur ini, mengingat penyesuaian terjadi dalam milidetik.

Keuntungan utama servo, kata Landowski, adalah fleksibilitas untuk bekerja dengan logam yang berbeda dengan memutar aliran material. “Itulah mengapa kami memiliki orang-orang yang datang untuk mencoba berbagai opsi. Saya bisa membuat bagian yang bagus atau bagian yang buruk hanya dengan mengubah kecepatan slide.”

Southwell sependapat dan melaporkan bahwa tantangan material ini telah menghasilkan pangsa pasar servo press sekitar 80 persen di manufaktur otomotif Amerika Utara. “Baja dan aluminium kekuatan tinggi dan kekuatan ultra tinggi jauh lebih menantang untuk dibentuk daripada bahan sepuluh hingga lima belas tahun yang lalu. Dan kemampuan servo untuk menyesuaikan profil pembentukan telah terbukti sangat bermanfaat bagi basis pelanggan.”

Josefiak dari Greenerd setuju bahwa kontrol servo memiliki keunggulan dalam waktu respons dibandingkan hidrolika, di mana responsnya diredam, tetapi mengatakan dia belum “melihat banyak aplikasi di mana tingkat kontrol dalam profil gerak itu secara material memengaruhi apakah Anda membuat atau tidak. produk yang bagus.” Namun dia mengakui bahwa “menyerang adalah contoh yang baik dari fungsi servo saja. Pergi ke bawah dan kemudian menyerang kembali dalam sepersekian detik bukanlah sesuatu yang dapat Anda lakukan dengan hidrolika.”

Jika Anda tidak perlu mengontrol kecepatan, Landowski berpendapat, Anda mungkin tidak memerlukan servo.

“Jika Anda membuat mesin cuci, misalnya, atau paku keling kecil atau semacamnya, Anda tidak akan memperlambat penekanan, Anda tidak akan mengontrol kecepatan. Anda ingin membuat sebanyak mungkin bagian, secepat mungkin.” Di situlah pers mekanis bersinar, katanya. Ini juga tempat yang paling tidak sesuai dengan tekanan hidrolik.

Fleksibilitas Servo dalam Perakitan

Southwell menambahkan bahwa kemampuan pers servo untuk dengan mudah diprogram ulang untuk bagian yang berbeda merupakan faktor lain dalam kesuksesan mereka, bahkan di dunia otomotif dengan volume tinggi.

“Sebagian besar sistem pers dirancang untuk menjalankan beberapa jenis suku cadang. Mereka akan menjalankan satu alat selama satu jam, menggantinya dan menggunakan alat lain. Hampir tidak ada yang mengatur satu pers dan hanya menjalankannya ... Tidak mungkin mereka bisa tetap kompetitif. Kami menjual banyak sistem ke OEM melalui Tier Ones dan Tier Twos untuk keluarga besar dari berbagai suku cadang atau set die melalui sekali tekan.”

Fleksibilitas pers servo melampaui pemrograman yang mudah dan meluas ke operasi perakitan yang rumit, kata Price dari Promess.

Berpegang pada contoh otomotif, Price menunjuk untuk merakit engsel pintu. Dia menjelaskan bahwa pers servo menawarkan presisi tinggi dan loop umpan balik yang melekat yang mampu memantau posisi dan kekuatan dengan cermat. Jadi, dalam menekan engsel bersama-sama, Promess juga dapat mengukur hambatan yang dihasilkan pada sambungan, sehingga mereka dapat memastikan bahwa pintu tidak terlalu mudah terbuka atau terlalu kaku sehingga tidak nyaman bagi pemilik mobil.

Kemampuan untuk mengaktifkan bagian yang bergerak dan mengukur gaya secara real time juga menghasilkan peluang untuk melonggarkan toleransi bagian, sehingga menurunkan biaya komponen. Seperti yang dijelaskan oleh Price, tanpa umpan balik selama perakitan, para insinyur sering kali dipaksa untuk merancang dan memproduksi dengan toleransi yang sangat ketat untuk memastikan bahwa bagian-bagiannya cocok satu sama lain dengan benar.

“Mereka menggunakan fakta bahwa pers pergi ke kedalaman tertentu, dan berdasarkan toleransi ketat mereka, menganggap bahwa bagian itu dirakit dengan benar. Mereka tidak memiliki analisis tanda tangan untuk memverifikasi itu.”

Dengan pers servo, mereka malah dapat melonggarkan toleransi dan menonton data selama proses perakitan untuk menentukan bahwa apa yang telah mereka tekan bersama-sama benar-benar terpasang dengan benar. Price mengatakan kemampuan penginderaan bawaan dari servo press mereka telah menghasilkan pengurangan tingkat memo hingga 50 persen dalam beberapa kasus.

Price juga menunjukkan bahwa jika suatu aplikasi memerlukan penginderaan tambahan (di luar umpan balik dari motor servo), aplikasi tersebut mudah diintegrasikan dengan sistemnya.

“Kami memiliki pelanggan yang menggunakan sembilan hingga sepuluh transduser tekanan yang berbeda, atau transduser posisi, atau sel beban eksternal. Kami dapat mengambil semua informasi itu untuk memahami apa yang terjadi dalam prosesnya, ”katanya. “Dan kita bisa bereaksi terhadap itu selama proses itu. Dan karena semuanya listrik, sangat mudah untuk mengaturnya. Cukup colokkan transduser ke pengkondisi sinyal digital. Pengontrol kemudian dapat menerima sinyal itu dan menggunakannya untuk membuat keputusan.”

Tekan, Kontrol, dan Pengorbanan

Pengepres hidrolik tidak buta di area ini. Josefiak mengatakan ada pengontrol gerakan yang didedikasikan untuk sistem hidraulik dengan “waktu pemindaian yang sangat cepat yang melihat tekanan di kedua sisi aktuator hidraulik. Dan kemudian menggunakan transduser tekanan kerja cepat, kami dapat menunjukkan gaya aktual yang diterapkan pada pekerjaan.” Salah satu sistem tersebut memperbarui pengukuran gaya di bawah satu milidetik. Menurutnya, aplikasi yang membutuhkan pengukuran gaya yang lebih cepat adalah "sedikit dan jarang".

Menurut Southwell, pengepres servo jauh lebih baik daripada pengepres hidrolik dalam membuat bagian kompleks yang memerlukan serangkaian cetakan. Bertahun-tahun yang lalu ini akan dilakukan dengan mentransfer bagian dengan tangan dari pers ke pers, jelasnya. Tapi sekarang "satu-satunya cara untuk bersaing" adalah mentransfer bagian secara mekanis dari panggung ke panggung dalam satu pers. Namun “ketika Anda menggunakan beberapa stasiun untuk membuat bagian, Anda memiliki beban di luar pusat, yang sangat merugikan drive train hidraulik.”

Josefiak membalas bahwa “pemuatan di luar pusat merugikan baik sistem mekanis maupun hidraulik. Keduanya menangani beban di luar pusat ini dengan konstruksi dan pemandu kerangka baja yang sesuai. Kami memiliki sistem yang menggunakan beberapa silinder hidraulik untuk memungkinkan pemuatan di luar pusat jauh lebih besar daripada pers servo-mekanis yang tersedia.”

Ada juga beberapa kontroversi tentang aplikasi yang membutuhkan penggunaan minyak food grade sebagai pelumas. Landowski melaporkan bahwa “beberapa pelanggan telah beralih dari pengepres hidrolik ke mekanis servo semata-mata karena silinder menangis dan gib geser menetes ke material. Semua bagian perlu dibersihkan setelah dibentuk untuk menghilangkan setiap dan semua kemungkinan kontaminasi. Pelanggan juga telah memberi tahu kami bahwa membersihkan pelumas food grade lebih murah daripada non-food grade karena peraturan FDA atau EPA.”

Josefiak mengatakan mereka telah memenuhi standar medis dan keamanan pangan pada sejumlah proyek "dengan memodifikasi penyegelan pada mesin press mereka untuk menggunakan minyak food grade sebagai pengganti minyak industri standar." Sedangkan Landowski menyatakan bahwa servo press standar mereka tidak memerlukan modifikasi apa pun, "hanya oli food grade untuk press drive dan pelumas geser." Seorang pelanggan “membuat sumbat karet untuk tabung reaksi. Setiap langkah pers menghasilkan 65 hingga 75 sumbat karet, dan pelumas non-food grade akan membatalkan proses khusus ini.”

Hidraulik Menaklukkan Penarikan Dalam

Menurut Southwell, “keuntungan dari press hidrolik adalah Anda memiliki tonase penuh atau kemampuan kekuatan melalui seluruh langkah. Jadi, jika ini adalah pers 200 ton dan Anda memiliki pukulan dua belas inci, Anda dapat menerapkan tekanan 200 ton sepanjang pukulan itu. Dengan pers servo yang memiliki drive train eksentrik mekanis yang sama dengan pers mekanis asli, Anda memiliki roda gigi, poros engkol atau poros sentris, dan penggerak roda gigi tengah. Ada kurva tonase atau torsi, dan gaya yang dapat Anda terapkan bervariasi tergantung pada sudut poros motor dari bagian bawah. Ini tidak berlaku untuk mesin press servo penggerak langsung seperti yang dibuat oleh Promess, tetapi sistem ini menjadi sangat mahal seiring dengan peningkatan tonase. Promess mencapai 1 MN (~100 ton) dalam satu silinder, misalnya.

Kemampuan untuk menerapkan kekuatan penuh melalui seluruh langkah membuat tekanan hidrolik sempurna untuk aplikasi deep-draw, dan Josefiak melangkah lebih jauh dengan mengatakan bahwa itu adalah "satu-satunya pilihan yang benar-benar masuk akal".

Salah satu contoh terbaru yang dia kutip adalah proyek untuk memproduksi ”tangki bertekanan yang relatif besar. Kami memasang sistem otomatis yang memuat blanko datar yang besar ke dalam mesin press deep draw yang memiliki langkah kerja lima kaki.” Sistem ini memiliki banyak operasi, jelasnya. Yang pertama menggunakan alat pres 170 Ton untuk menggambar dua bagian tangki. Ini diikuti oleh mesin press otomatis dan pemangkasan dan pengelasan di bagian hilir. Kuncinya di sini, kata Josefiak, adalah bahwa pukulan kerja seperti itu “bukanlah sesuatu yang mudah direplikasi dengan servo press. Jadi deep draw adalah area di mana hidraulik masih mendominasi. Dan itu terjadi di beberapa industri. Ini lebih merupakan proses daripada industri.”

Josefiak mengatakan hidraulik juga “berfungsi dengan sangat baik dalam situasi dengan waktu siklus yang sangat lama, di mana kita dapat mengelola penarikan daya yang sangat rendah dalam tekanan yang konsisten di seluruh area dasar dan relatif murah dari perspektif biaya modal.” Cetakan kompresi menawarkan contoh utama. “Biasanya, compression moulding akan menjadi kombinasi waktu, suhu dan tekanan yang membentuk suatu material menjadi suatu bentuk,” jelas Josefiak. Pers akan menahan bahan yang relatif tipis terhadap bentuk cetakan positif atau negatif di bawah tekanan. “Durasinya bisa sesingkat lima detik, atau selama dua jam. Dan sangat sering… kami mencoba untuk mempertahankan suhu pelat yang konstan di seluruh area kerja di mana saja dari sekitar 300 hingga 700 derajat, dan mencoba untuk mengontrol tekanan yang sangat konsisten di seluruh area kerja.” Itu memastikan bahan yang dibentuk seragam di seluruh. Teknik ini digunakan untuk hal-hal seperti pelapis tempat tidur otomotif (termasuk pelapis tempat tidur komposit baru) dan headliner otomotif yang dibuat dengan bahan seperti karpet. Contoh lain yang dia sebutkan adalah “pemadatan bubuk untuk membuat roda gerinda aluminium oksida”.

Pertimbangan Biaya

Secara umum, investasi modal untuk mesin press servo melebihi baik mesin press mekanis atau hidrolik tradisional. Tetapi ada biaya operasional dan faktor terkait yang perlu dipertimbangkan yang membuat perbandingan ini hampir tidak berguna. Terlebih lagi, tidak semua tekanan dari jenis tertentu sama, bahkan untuk peringkat tonase/torsi yang sama.

Mari kita mulai dengan konsumsi energi. Mesin press hidrolik harus mempertahankan tekanan di saluran untuk menggerakkan ram sesuai permintaan, dan itu berarti menjalankan pompa melalui siklus. Itu tidak menguntungkan dibandingkan dengan pers servo, yang menggunakan listrik hanya ketika ram bergerak. Menurut Landowski, itu menghasilkan kira-kira "penghematan daya 50 persen dengan pers servo, tergantung pada ukuran mesin." Price mengacu pada studi oleh University of Kassel, yang menemukan bahwa servo press menjadi 90 persen efisien dalam konversi energi, dibandingkan 57 persen untuk sistem hidrolik yang sebanding. Southwell mengatakan Honda mempelajari sistem mereka sendiri dan menerbitkan temuan bahwa servo press memberikan penghematan 30 persen dalam konsumsi daya aktual.

Southwell juga menunjukkan bahwa beberapa mesin press AIDA menggunakan “sistem manajemen energi berbasis kapasitor 100 persen.” Ini menyimpan energi kerja yang diperlukan dalam kapasitor, yang diisi ulang selama bagian stroke yang tidak bekerja. Ini "sangat mengurangi beban puncak," jelasnya, dibandingkan dengan mesin press mekanis atau hidrolik, yang memiliki "lonjakan besar saat pertama kali digunakan." Pengundian AIDA saat ini “cukup datar. Jadi aliran puncak Anda yang sebenarnya mungkin hanya 20 hingga 30 persen dari beban puncak sistem mekanis atau hidraulik. Itu penting, karena perusahaan listrik harus mengukur listrik yang mereka berikan kepada pelanggan berdasarkan beban puncak.”

Josefiak membalas bahwa di lingkungan produksi tinggi hanya ada sedikit atau tidak ada waktu idle, jadi “tidak terlalu penting” bahwa pompa hidraulik bekerja terus menerus. Dan “dalam sistem di mana kita memiliki waktu idle yang lama 10 menit atau lebih, kita dapat memasang kontrol motor 'mulai lunak' yang mematikan motor untuk menghemat energi.” Menariknya, meskipun opsi ini hanya menambah 2 persen hingga 3 persen dari biaya sistem, Josefiak melaporkan bahwa tidak pernah ada permintaan yang kuat untuk itu. Dia menambahkan bahwa beralih dari pompa perpindahan tetap ke pompa perpindahan variabel juga dapat “secara dramatis menurunkan konsumsi daya idle kami.” Tapi sekali lagi itu adalah pilihan yang belum menjadi norma di AS

Dengan semua pompa, katup, pipa, dan selangnya, teknologi hidraulik sering kali dianggap lebih kompleks dan lebih intensif perawatan daripada sistem berbasis servo. Price said their servo presses require nothing more than twice-a-year greasing of the ball screws—and even that is being very cautious. Conversely, keep hydraulic lines under high pressure for months, through cycle after cycle, and sooner or later something is bound to leak or a sub-component is bound to fail. The counterargument, said Josefiak, is that “nobody is using NPT fittings anymore. There is a range of metal-to-metal and O-ring style seals, built with better materials, that have done a much better job controlling leakage.” Plus, he said, the individual components are relatively inexpensive and easy to repair, while “doing repairs to a servo system is dramatically more expensive.”

This last point brings us to the topic of correctly sizing the components for the job. It’s true that if you burn out a servo motor in a few years you’re in for a big repair bill. But Price said their systems routinely run for 20 years without any such failures, because they are designed with a safety factor of 2.5×. The drives are sized to run in the continuous current of the servo motor, instead of the peak, so the press can hold the part indefinitely without overheating and failing.

Likewise, the ballscrews will have a dynamic load capacity of 2.5× the force rating of the press. For example, the ballscrew in a Promess 40-kN press has a dynamic load capacity of 134 kN and a static load capacity of 320 kN. Price said such a system can be expected to perform without a failure for 22-plus years when running a job with an average force of 30 kN, with 16 cycles/min over 14 hours/day. Compare that to only 32 weeks for a ballscrew rated at 40 kN dynamic load; even at a rating of 80 kN, the system would last under five years.