Jak globalne megatrendy zmieniają technikę obróbki mechanicznej – i sprawiają, że jest ona cool

© AdobeStock_196833565_pickup

© iStock_1427146272_Parradee-Kietsirikul

© AdobeStock_328267323_Sergey-Ryzhov

Co łączy trendy tematy związane z gospodarką obiegu zamkniętego, produkcją baterii i białkami roślinnymi? Wyzwania dla kreatywności inżynierów procesowych oraz podążanie za globalnymi megatrendami: niedoborem zasobów, mobilnością, żywieniem i ochroną klimatu. Podczas gdy w minionej dekadzie skupiano się na nowych procesach chemicznych i technologiach cyfrowych, nadszedł czas mechanicznej inżynierii procesowej.

Zasilanie gospodarki i mobilności elektrycznej to przyszłość. Decydującą rolę odegrają w tym technologie magazynowania energii. Jednak gdy zapytamy ekspertów, gdzie w technologii baterii można oczekiwać największego potencjału innowacyjnego, odpowiedź zaskoczy większość: nie w chemii i nowych materiałach, lecz w technologiach produkcji. Podczas gdy na przykład pod względem materiałowym w bateriach litowo-jonowych widoczny jest już technologiczny szczyt, produkcja ogniw i baterii nadal nie jest w pełni dojrzała. Gęstość energii, żywotność i wydajność ogniw zależą w dużej mierze od precyzji wielkości cząstek i kształtowania, zwłaszcza przy niskich temperaturach. Mimo że Chiny są obecnie niekwestionowanym liderem rynku w produkcji baterii do samochodów elektrycznych, w najbliższych latach sytuacja może się zmienić, gdy nowi gracze w USA i Europie zbudują na dużą skalę nowe fabryki baterii z najnowszą technologią.

Kluczem jest proces produkcji, przekonują naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji, IPA. Ważnym czynnikiem są technologie mechaniczne: umożliwiają produkcję i przetwarzanie nanomateriałów oraz precyzyjne wytwarzanie elektrod. Złożoność łańcucha wartości baterii zaczyna się już na etapie pozyskiwania surowców przez górnictwo lub ekstrakcję chemiczną – ale prawdziwe wyzwanie pojawia się podczas przetwarzania materiałów: muszą one być nie tylko produkowane w stałej wysokiej jakości („Battery Grade”), ale także w dużych ilościach. Ponieważ aktywne materiały do baterii są toksyczne, procesy produkcyjne muszą być hermetycznie zamknięte (konteneryzacja).

Producenci mieszadeł, dispergatorów i reaktorów podjęli się tego tematu. Przykładem jest rozwój reaktorów rurowych do syntezy proszków: pulsujący strumień gorącego gazu zapewnia turbulencje w reaktorze firmy Glatt Ingenieurtechnik, co pozwala na precyzyjne i powtarzalne ustawianie wielkości, powierzchni i struktury cząstek. Jednak nie tylko w technologiach reakcyjnych rozkład temperatury ma kluczowe znaczenie dla jakości produktu. Ponieważ materiały anodowe i katodowe często są wytwarzane w wysokich temperaturach, istotne są również ogrzewanie, prowadzenie przepływu i izolacja maszyn produkcyjnych.

Kolejnym etapem w produkcji baterii jest powlekanie folii nośnikowych, na które nakładany jest aktywny materiał. Masa powlekająca musi być wyjątkowo jednorodna, ponieważ odchylenia w wielkości cząstek lub lepkości mogą obniżyć wydajność. Nowoczesne mieszadła i dispergatory, takie jak te od firmy Ystral, mają na celu precyzyjne kontrolowanie ilości energii i minimalizację zużycia energii – co jest ważne przy dużych ilościach materiałów do przetworzenia.

Procesy ciągłe wymagają nowej technologii maszyn

Coraz większym zainteresowaniem cieszą się technologie ciągłe: w przeciwieństwie do tradycyjnej produkcji w partiach, procesy ciągłe zwiększają wydajność, eliminując czas przestoju i czyszczenia. Ponadto umożliwiają lepszą kontrolę nad procesem produkcyjnym, mogą być łatwiej hermetycznie zamknięte i osiągają wyższą jakość produktu. To szczególnie ważne, gdy produkt jest wrażliwy na zanieczyszczenia lub konieczne jest unikanie zanieczyszczeń mikrobiologicznych. Dodatkowo procesy ciągłe są łatwiejsze do skalowania i prowadzą do wyższej efektywności energetycznej i kosztowej.

Aby osiągnąć procesy ciągłe, konieczne jest dostosowanie lub opracowanie nowych technologii maszyn: młyny, mieszadła, suszarki czy wirówki – konstrukcja maszyn ciągłych opiera się na innych zasadach. Przełomowe podejście z myślą o „kontynuacji” już prowadzi do nowych rozwiązań. Przykładem są separatorzy z dyszami opracowani przez firmę Flottweg, służące do ciągłego oddzielania ciał stałych od cieczy, np. w biotechnologii. W przeciwieństwie do klasycznych wirówek, maszyna korzysta z lżejszej bębnowej konstrukcji, co znacznie zmniejsza zużycie energii napędowej.

Kolejnym przykładem są ciągłe ekstrudery stosowane w recyklingu tworzyw sztucznych. Na przykład podwójne śrubowe ekstrudery firmy Coperion zapewniają wysoką efektywność energetyczną podczas termicznego recyklingu polimetakrylanu metylu (PMMA), umożliwiając szybkie i energooszczędne depolimeryzacje.

Gospodarka obiegu zamkniętego: potencjał recyklingu chemicznego i mechanicznego

Rozwój maszyn rzuca światło na rosnący rynek przyszłościowy gospodarki obiegu zamkniętego: produkcja tworzyw sztucznych oparta na recyklingu chemicznym to perspektywiczna opcja. Jednak rozkład polimerów na ich składniki chemiczne to tylko ostatni etap. Znacznie bardziej opłacalne z punktu widzenia bilansu energetycznego jest recykling mechaniczny, który jednak często napotyka na problem niesortowanych odpadów plastikowych. W przyszłości mają pomóc technologie cyfrowe. Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe mogą analizować dane z kamer i sensorów na urządzeniach sortujących, rozdzielając odpadki w różne frakcje – także przy pomocy robotów.

Rosnące wskaźniki recyklingu stanowią wyzwanie dla technologii mechanicznych: urządzenia osiągają granice pojemności. Na przykład, ze względu na ograniczenia konstrukcyjne, mechaniczne mieszadła mają ograniczoną wielkość, a wraz z ilością rośnie siła mechaniczna. W recyklingu PET mieszanie odpadów PET w dużych ilościach powoduje wahania jakości. Silosy mieszające, w których surowiec jest pobierany z różnych wysokości, to rozwiązanie firmy Zeppelin Systems, pozwalające na delikatne mieszanie dużych ilości. Wyższe przepływy wymagają także innych koncepcji transportu.

Już w tym momencie widać, że mechaniczne procesy, mimo nowoczesnych metod projektowania, takich jak numeryczna mechanika płynów (CFD), modelowanie czy symulacje, nie mogą być w pełni planowane na podstawie cyfrowych modeli. Producenci maszyn i urządzeń coraz częściej inwestują w własne laboratoria i testowe instalacje, aby znaleźć najlepsze rozwiązanie dla konkretnego zastosowania. Nowe rozwiązania powstają we ścisłej współpracy między dostawcami maszyn a użytkownikami. Jest to tym ważniejsze, że – jak pokazuje przykład gigafabryk baterii – coraz częściej skaluje się na dużą skalę także nie w pełni dojrzałe technologie i procesy w „pierwszych na świecie” instalacjach.

Zrównoważone żywienie wymaga nowych procesów

Coraz bardziej istotne stają się wspólne wysiłki rozwojowe, także w branży spożywczej, która również przechodzi transformację. Oszczędność zasobów i zrównoważony rozwój to megatrendy napędzające poszukiwanie nowych rozwiązań. Widać to wyraźnie na przykładzie rosnącego zainteresowania alternatywami dla mięsa, białkami roślinnymi i zamiennikami mleka. W nadchodzących dekadach będą one odgrywały coraz większą rolę, ponieważ tradycyjna produkcja białek zwierzęcych osiąga granice ze względu na rosnącą populację świata i zmieniające się nawyki żywieniowe. Również tutaj kluczową rolę odgrywają technologie mechaniczne – od mielenia i przesiewania, przez odwirowanie, filtrację i suszenie, aż po teksturowanie zamienników mięsa za pomocą ekstrudera. Innowacje powstają również dzięki interdyscyplinarnej współpracy technologów żywności, inżynierów maszyn i inżynierów procesowych.

Bez automatyzacji i cyfryzacji nie da się tego zrobić

Chociaż nie ulega wątpliwości, że sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe będą odgrywać ważną rolę w przyszłości w przemyśle procesowym, są one tylko wyrazem cyfrowych technologii, które w przyszłości mogą przynosić korzyści w mechanicznej inżynierii procesowej. Dwa główne trendy to rosnący poziom automatyzacji i potrzeba modułowych instalacji. Podstawowa idea: systemy oparte na pojedynczych jednostkach technologicznych lub modułach umożliwiają nie tylko uproszczenie inżynierii, lecz także elastyczne rozbudowywanie mocy instalacji. Analiza danych z procesów i sensorów pozwala na ciągłe optymalizacje.

Ze względu na skomplikowaną integrację (orkiestrowanie) takich modułów w klasycznym podejściu do automatyzacji procesów, wymaga się dużego nakładu pracy inżynieryjnej i programistycznej, konieczny jest więc przełom. Obecnie dokonuje się tego poprzez automatyzację modułową. Celem jest, aby podstawowe operacje technologiczne i moduły można było łączyć w prosty sposób, bez dużego nakładu programistycznego. Ponieważ moduły już zawierają logikę sterowania w formie pakietu typu Module Type Package (MTP) i posiadają standaryzowany interfejs, ich funkcje mogą być wykorzystywane jako usługa przez system sterowania centralnego – bez konieczności dodatkowego programowania. Dla producentów maszyn i urządzeń mechanicznych jest to wyzwanie – muszą oni coraz intensywniej zajmować się kwestiami cyfryzacji, automatyzacji i sterowania. Jednak coraz więcej operatorów i producentów maszyn dostrzega korzyści – bo konsekwentna modularizacja opłaca się w obliczu niedoboru wykwalifikowanej siły roboczej. Pierwsze firmy, w tym producent urządzeń GEA, już podjęły to wyzwanie i oferują nowe pakiety z MTP.

Podsumowując: technologia baterii, gospodarka obiegu zamkniętego czy zrównoważone żywienie – wyzwania techniczne są ogromne. Mechaniczne procesy wspierane technologiami cyfrowymi odgrywają kluczową rolę i stanowią centralny element drogi do zrównoważonego rozwoju. Ekscytujące pytania, sensowne zadania i aktywne kształtowanie zrównoważonej przyszłości – inżynieria procesowa nie brakuje tu atrakcyjnych aspektów.