A la crisis económica y de confianza, se suma la fortísima competencia en el sector de fabricantes de maquinaria de envasado proveniente de países de economías asiáticas

Métodos de reducción de costes energéticos en procesos y máquinas de envasado

La industria de envasado, empaquetado y manipulación está sufriendo la negativa situación actual internacional con tanta o más fuerza que otros sectores industriales. A la crisis económica y de confianza en la que estamos sumergidos se suma la fortísima competencia en el sector de fabricantes de maquinaria de envasado proveniente de países de economías emergentes tales como las asiáticas. Es realmente complicado competir en el mercado por ejemplo de una máquina simple de empaquetado con alternativas provenientes de Asia, con una calidad de producto más que aceptable, y con unos costes de materiales y de mano de obra muy por debajo de los europeos.
Esta realidad nos ha llevado a que nuestra industria se decante mayoritariamente por la calidad aplicando su elevado 'know how' tecnológico en los procesos de ingeniería y fabricación, además de la especialización y un aporte de servicio postventa fundamental. El fabricante busca la diferenciación con la competencia dándole nuevos valores añadidos a su solución, tales como máquinas más rápidas y precisas, mejores materiales, simplificación y minimizado de operaciones en el cambio de formato o reducción de costes, tanto en el proceso de fabricación de la instalación como en el estadio de producción en el cliente final.
A diario, el individuo ya se ha concienciado que la energía no es un coste fijo e irrelevante, sino un gasto altamente variable que depende en gran medida de nuestra actitud personal. Podemos buscar multitud de vías de optimizar la eficiencia energética tales como apagar o disminuir la intensidad de las luces cuando no son necesarias, cambiar a bombillas de bajo consumo en vez de las clásicas y poco eficientes de incandescencia o halógenas, llevar el ordenador a modo hibernación cuando no está en uso, … pero no sólo podemos, y debemos, buscar estrategias de eficiencia energética en nuestro día a día doméstico. También es un objetivo en el mundo de la automatización de máquinas y procesos, el cual abarca la industria del envasado y empaquetado.

El uso de la energía de una manera eficiente recortará de forma sustancial los costes de funcionamiento de nuestra empresa y beneficiará al medio ambiente. Como resultado, además, mejorará la imagen que tenga la opinión pública de nuestro negocio. Es evidente y esencial una convergencia plena entre las necesidades de desarrollo tanto empresariales como de medio ambiente. La evolución de nuestra empresa y el desarrollo sostenible deben ir de la mano.

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Actuadores lineales IAI.

Larraioz cree en ello y trabaja en la implementación de soluciones eficientes, desde el punto de vista energético, y  tecnológicamente avanzadas, de forma que tanto su negocio como nuestro entorno se beneficien mutuamente. Hoy en día, realizar 'Automatización Verde' es parte fundamental de nuestro trabajo.

Nuestros productos de mecatrónica de IAI, LinMot, Smac y Exlar tienen como objetivo clave la sustitución de los tradicionales sistemas neumáticos e hidráulicos por soluciones mucho más versátiles y energéticamente eficientes. Tanto los actuadores lineales, rotativos y pinzas de IAI (Japón) como los motores lineales de LinMot (Suiza), los ejes lineales y rotolineales de precisión Smac (EE UU) o los actuadores de altos esfuerzos Exlar (EE UU) utilizan la fuerza eléctrica como única fuente de energía.

Con estos dispositivos podemos realizar operaciones tan simples como las que realiza un cilindro neumático, desplazar una masa de un punto a otro, pero el hecho de que sean sistemas servocontrolados nos permitirá tener un control total de parámetros del movimiento tales como la aceleración, deceleración, velocidad, fuerza, … además de infinitas posiciones de destino, algo realmente complicado de conseguir con las soluciones neumáticas o hidráulicas. También podremos realizar funciones mucho más complejas como sincronizaciones e interpolaciones entre diferentes ejes, emplear múltiples buses de comunicación y protocolos para enviar las secuencias de movimiento, obtener un feedback de la posición actual y estado de los actuadores, etc.

Es indudable la capacidad de los actuadores eléctricos para sustituir en prestaciones a los cilindros neumáticos y ejes hidráulicos. Pero uno de los puntos que más preocupa al fabricante de maquinaria y al cliente final a la hora de decidirse por uno u otro concepto de sistema es el de los costes. Es bastante sencillo dejarse llevar por la impresión de producto económico de las soluciones neumáticas, frente a una inversión económica inicialmente superior de los sistemas eléctricos. Pero no está de más que nos fijemos en los costes de funcionamiento y mantenimiento de las diferentes opciones.

Con los sistemas neumáticos, un compresor funciona mediante electricidad para generar el aire comprimido necesario para dichos actuadores. El aire generado se suministra mediante una red de tuberías y otros circuitos de transmisión del aire a los cilindros y otros actuadores neumáticos. En estos últimos dispositivos esta energía se convierte en una fuerza de movimiento lineal. De hecho, este conjunto de mecanismo está sujeto a una pérdida energética sustancial. Según el Instituto Tecnológico de Tokio, la eficiencia energética de los dispositivos neumáticos ronda el 14%.

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Módulo de handling.

Del 100% de la energía consumida, un 50% de la potencia se pierde en el propio compresor de aire, debido a diferentes factores como las propias pérdidas energéticas de compresión de aire, las pérdidas del motor del compresor, las pérdidas de los ciclos de marcha-paro, etc.; un 16% de pérdida de energía en las diferentes válvulas de reducción y adaptación de presión; un 5% de pérdida de energía en el tratamiento del aire, filtros, etc.; y un 15% de pérdida de energía en el propio actuador neumático.

Por supuesto se debe de tener en cuenta el coste de la instalación global, no sólo del cilindro neumático, sino de todo el conjunto que comprende el compresor, la instalación neumática de tuberías de la empresa, filtros, etc. Y el aire comprimido no es gratis. El coste económico de generación de 1 Nm3 de aire comprimido cuesta a la empresa en torno a 0,017 euros según datos de proveedores de instalaciones neumáticas (en base a una estimación de coste de kWh a 0,15 euros). Además, los sistemas de aire comprimido siempre tienen fugas. Actualmente, muchas instalaciones sufren unas pérdidas por fugas que representan entre el 25 y el 30% del consumo total del compresor. Un orificio de 1 mm de diámetro en el circuito de aire supone una fuga de 3,5 Nm3/h de aire, lo que genera unas pérdidas a la empresa de 400 euros anuales. Si la fuga es a través de un agujero de 5 mm, la pérdida de 85 Nm3/h supone la friolera de 9.500 euros anuales.

Los actuadores eléctricos como la mejor alternativa

En los actuadores eléctricos de IAI o Exlar, las revoluciones de giro del motor eléctrico rotativo se convierten mecánicamente en fuerza de movimiento lineal mediante un sistema de transmisión energéticamente eficiente. En el caso de los motores lineales de LinMot o los actuadores de bobinas móviles de Smac, donde la propia energía eléctrica del motor se transforma en un trabajo lineal, ni siquiera hay un sistema mecánico de transmisión de fuerza circular-lineal. La eficiencia energética de los actuadores eléctricos de IAI, LinMot, Smac y Exlar ronda entre el 80% y el 94%, lo que conlleva unos costes energéticos de funcionamiento de entre un tercio y una décima parte de lo que supondría la factura energética de los sistemas neumáticos.

El cilindro neumático obtiene la energía a través de la presión de un caudal de aire comprimido sobre un émbolo. Todas las fases del movimiento, aceleración, velocidad constante y deceleración consumen potencia producida por el compresor a partir de electricidad. La diferencia entre la energía consumida y la producida en el movimiento, se traduce directamente en pérdidas, ya que los sistemas neumáticos no pueden devolver energía al compresor. En cambio, los actuadores eléctricos emplean la energía directamente consumida de la red eléctrica con un alto grado de eficiencia, consumiendo únicamente en las fases donde realmente hay trabajo, es decir, en las fases de aceleración, y además devolviendo al controlador la energía producida en las fases de deceleración.

Se puede evaluar la diferencia de costes energéticos mediante un ejemplo típico de eje de manipulación. Optemos por un trabajo repetitivo de esplazamiento de 15 kg de masa 400 mm adelante y atrás, con ciclos de parada intermedios de 500 ms, y que suponga un tiempo total de ciclo de 2 segundos (30 ciclos completos por minuto). Para ello compararemos los resultados de un cilindro neumático frente a la solución LinMot.

Si se quiere desplazar la masa de 15 kg un recorrido de 400 mm en 500 ms necesitaremos alcanzar una velocidad de 1 m/s, lo que nos resulta en un cilindro neumático de 50 mm de diámetro interior como mínimo. Cada ciclo se traduce en un volumen de aire de 10 litros, y suponiendo 8.000 horas de funcionamiento al año, tendremos 24.000 m3 de aire anuales a 6 bares de presión (145.000 m3 de aire a 1 bar), unos 25.600 kWh de energía consumida, o lo que es lo mismo, 4.350 euros anuales de coste de energía eléctrica para mantener este dispositivo neumático en funcionamiento.

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Araña LinMot.
Una solución tipo con motor lineal de LinMot resulta con una potencia de motor inferior a 100 W, una energía anual consumida de 800 kWh, y una factura energética de 136 euros anuales. La elección de un sistema de actuador eléctrico supone un coste de inversión inicial superior al actuador neumático. Sin embargo, podemos estimar que en unos cinco meses de operación, el ahorro en el consumo energético amortiza esta diferencia.

Otra de las indudables ventajas de los actuadores eléctricos frente a los neumáticos e hidráulicos es el de la simplificación de componentes y su instalación. Las soluciones eléctricas de IAI, LinMot, Smac o Exlar reducen la necesidad de componentes externos a su mínima expresión. Con un simple bus de comunicaciones entre el PLC y el controlador del actuador eléctrico dispondremos en tiempo real de toda la información relativa a la posición actual, fuerza que está desarrollando, estados del sistema o prácticamente cualquier información que podamos necesitar. Nos podemos olvidar de detectores de posición, encoders o células de carga entre otros. En muchos casos, incluso podemos prescindir del PLC externo ya que con una sola señal digital podemos ordenar toda una secuencia de órdenes de programa dentro del mismo controlador del actuador.

Las ventajas de soluciones de actuador eléctrico frente a neumático o hidráulico, en cuanto a capacidad de control, para las líneas de maquinaria de envase y embalaje son indudables. En su expresión más simple, en un actuador eléctrico se pueden comandar los parámetros necesarios para definir un movimiento. Un cilindro neumático irá a un punto fijo determinado por un tope mecánico o por el corte de la electroválvula vigilado por un sistema externo tal como un PLC, con la velocidad determinada por la regulación de caudal de sus válvulas. En la solución eléctrica informaremos al controlador de que deseamos ir al punto X, con un tipo de trayectoria en el que indiquemos su aceleración, velocidad y deceleración, o mediante una curva senoidal, o incluso con una curva de puntos específicamente definida para el tipo de trabajo que tenga que realizar. También podremos limitar la fuerza que realizamos en una zona en concreto sin penalizar con ello la capacidad de aceleración o deceleración del sistema tal como ocurre con las soluciones neumáticas.

Funcionalidades típicas de envase y embalaje, tales como cambio de formato dejan de suponer un inconveniente. Los actuadores LA2 diseñados por Larraioz están especialmente preconcebidos como una solución 'low cost' para esta problemática. Mediante simples señales digitales o a través de CANopen indicaremos al actuador la cota a la que se quiere ir, con qué velocidad y aceleración se quiere ejecutar la trayectoria y qué fuerza se quiere realizar.

Operaciones de movimiento más complejas y habituales en la industria de envase y embalaje, empaquetado o manipulación son muy sencillas de llevar a cabo con actuadores eléctricos. El concepto 'Motion' va más allá de mover una masa a una posición determinada y con una cadencia dada. Las soluciones de sincronización están sumamente avanzadas. Podemos realizar la sincronización de nuestros actuadores lineales como esclavos de un eje maestro, y de esta forma un sencillo encoder instalado en la banda de alimentación de la instalación de envasado será el que guiará a los ejes mediante curvas más o menos complejas en la ejecución de operaciones de seguimiento, cizalla volante o gantrys, sin precisar de ningún dispositivo externo como un PLC o CNC. Asimismo, se puede aplicar fácilmente soluciones de interpolación entre actuadores lineales y rotativos directamente en los controladores de los accionamientos. Los nuevos actuadores rotolineales PR01 de LinMot unifican en un solo dispositivo las necesidades de movimientos lineales y rotativos sincronizados entre sí que son necesarias por ejemplo en una aplicación de roscado de tapones de envases. La enorme gama disponible de actuadores eléctricos permite encontrar una solución ideal para cada necesidad.

Los actuadores de bobina móvil de Smac están concebidos para aplicaciones donde las masas a desplazar sean pequeñas y los desplazamientos cortos
Los actuadores de bobina móvil de Smac están concebidos para aplicaciones donde las masas a desplazar sean pequeñas y los desplazamientos cortos. Especialmente indicados para industrias tales como farmacéutica o electrónica, son capaces de alcanzar dinámicas muy altas con resoluciones de posición por debajo de micras de milímetro. Las soluciones de mecatrónica en IAI para la industria de envase y embalaje pasan por más de 4.000 referencias distintas de actuadores, con mecánicas para desplazamiento lineal, unidades rotativas, pinzas eléctricas de 2 y 3 garras o robots Scara, entre otros. El rango de actuador oscila desde pocos milímetros de recorrido hasta 3 metros, para desplazar pocos gramos o más de 100 kilogramos, y con velocidades que llegan en algunos casos hasta los 3,5 metros/segundo.

LinMot, prestigioso fabricante de servomotores lineales tubulares, dispone de ejes con carreras que alcanzan desde escasos milímetros hasta los 2 metros de recorrido y que son capaces de ofrecer dinámicas monstruosas de 8 metros/segundo con aceleraciones de 100G y fuerzas pico de 2500N. Sus actuadores disponen de protección IP65 con certificación para la industria alimentaria, además de una gama específica fabricada en acero inoxidable con categoría IP69K para las aplicaciones más exigentes.

Exlar engloba el rango de grandes fuerzas. El servomotor rotativo embebido en el actuador transmite su potencia a un husillo de roscas planetarias de muy especial construcción, permitiendo una elevada vida útil a actuadores que compiten directamente con los grandes cilindros neumáticos e hidráulicos, con dinámicas considerables y desarrollando fuerzas superiores a 20 toneladas.

La inmensa versatilidad de los sistemas de IAI, LinMot, Smac y Exlar permite que todos los parámetros que comandan sus actuadores, tales como posiciones, trayectorias, velocidades, aceleraciones o fuerzas entre otros sean valores de software modificables en tiempo real a través del PLC que gobierne la instalación.

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Otro parámetro a tener muy en cuenta referido al coste de una instalación es el de la vida útil de los diferentes dispositivos que la componen y su mantenimiento. La estimación de vida de un cilindro neumático de un recorrido menor a 100 mm es de 25 millones de ciclos, o 10.000 km para cilindros de carrera superior a los 100 mm. La vida útil de los actuadores de LinMot entra en una horquilla de entre 500 y 1.000 millones de ciclos. Una solución neumática ejecutando 1 ciclo por segundo no soportaría un año de vida, frente a los 15-20 años de esperanza de funcionamiento del actuador LinMot. Los Robocylinders de IAI disponen como estándar del sistema AQ seal, que consiste en una banda de resina impregnada de lubricante solidificado. Esta innovadora tecnología de lubricación asegura una no necesidad de mantenimiento durante 5.000 km de desplazamiento o 3 años.

Por último, y no menos importante para todos nosotros, nos encontramos con que la reducción de emisiones de CO2 se ha convertido en una prioridad política y pública dentro del contexto de importantes acuerdos internacionales como el Protocolo de Kioto, del cual Europa es uno de los principales impulsores. La producción de CO2 de las plantas productoras de energía depende del combustible primario empleado y del factor de eficiencia de conversión energética. Es evidente la apuesta de los gobiernos europeos por los medios de producción de energía menos contaminantes, y empiezan a proliferar los parques eólicos y solares, las centrales de ciclo combinado, … pero a día de hoy hay mucho trabajo por hacer y la energía producida por las centrales de combustibles fósiles supone una fracción realmente importante, llegando en algunos países de la Europa de los 15 a superar el 90% del total. Según datos del Frauhofer Institut (Alemania), para un factor de eficiencia energética media de 0,39, nos encontramos con unas emisiones de CO2 de entre 515 gramos y 890 gramos para la generación de 1kWh de electricidad a partir de centrales de combustión de gas natural y centrales de combustión de carbón respectivamente.

Una solución neumática como la descrita en las líneas anteriores, que suponga un consumo anual de 25.600 kWh de energía, va a emitir a la atmósfera entre 12 y 22 toneladas de CO2, frente a las emisiones de CO2 de entre 0,4 y 0,7 toneladas de los actuadores eléctricos. Y si multiplicamos esto por el número de diferentes unidades que dispone en una empresa…

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