Obróbka drewna obejmuje wiele etapów, które są dostosowane do wymogów produktu końcowego. Determinuje on także wybór gatunku drzewa. Chociaż drewno to jeden z najbardziej wszechstronnych materiałów, nie każde jest takie samo. Różne jego typy mają właściwości, które wpływają na zastosowanie. Przykładowo, drewno z drzew iglastych (sosna, jodła, świerk) ma małą gęstość i jest miękkie, przez co pozostaje podatne na zarysowania i wgniecenia. Dlatego używa się go do produkcji elementów konstrukcyjnych budynków, takich jak więźby dachowe, oraz tanich, masowo produkowanych mebli, ale nie nadaje się na podłogi w miejscach o dużym natężeniu ruchu – w przeciwieństwie do drewna z drzew liściastych (dąb, buk, jesion). To z kolei jest cięższe, twardsze i trwalsze, więc oprócz podłóg wykonuje się z niego droższe meble lepszej jakości, schody czy poręcze.
Wybrane drewno tnie się przy użyciu piły, aby uzyskać pożądany kształt, długość i grubość. Pocięte drewno powinno zostać wysuszone przez wystawienie na działanie powietrza oraz ciepła w kontrolowanych warunkach. Usunięcie nadmiaru wilgoci zapobiega jego odkształcaniu i pękaniu. Kolejne etapy zależą od rodzaju wyrobu finalnego.
Przykłady półproduktów drzewnych poddawanych dalszej obróbce to: tarcica, czyli drewno pocięte na deski, listwy, belki, oraz drewno rozdrobnione, w postaci trocin, wiórów, zrębków. To ostatnie jest produktem ubocznym (odpadem), jak wspomniane trociny i wióry, które powstają podczas obróbki mechanicznej większych kawałków drewna. Może też być celowo wytwarzane, jak zrębki będące surowcem do produkcji m.in. papieru.
Produkcja zrębków
Zrębki są efektem rozdrabniania większych kawałków drewna. Jeżeli mają zostać wykorzystane do produkcji papieru, kluczowe są ich jakość i regularność, które wpływają na właściwości produktu końcowego. Wybór gatunku drewna zależy z kolei od przeznaczenia papieru. To z drzew iglastych, o długich włóknach zapewniających wytrzymałość, nadaje się do produkcji papieru opakowaniowego. To z drzew liściastych, z krótkimi włóknami, jest natomiast częściej wykorzystywane do produkcji gładkiego, łatwego do zadrukowania papieru biurowego i chusteczek higienicznych.
Jeżeli zrębki pozyskiwane są z całych kłód, te najpierw trzeba okorować. Usunięcie kory, a razem z nią nagromadzonych na niej zabrudzeń, jest konieczne, ponieważ inaczej zanieczyszczałaby produkt końcowy. Okorowanie wykonuje się przy użyciu korowarek mechanicznych i myjek ciśnieniowych. Jeżeli chodzi o te pierwsze, najpopularniejsze są: bębnowe, rolkowe i z obrotowymi nożami.
W maszynach pierwszego typu pnie są wkładane do obracających się bębnów. Kora jest usuwana przez tarcie w wyniku ocierania się drzew o siebie nawzajem i dodatkowo o wypustki wewnątrz bębnów, które wspomagają przewracanie się kłód. W ten sposób można jednocześnie okorowywać wiele pni. Niestety, kora bywa usuwana niedokładnie, zwłaszcza z cienkich kłód, a ta zmrożona może w ogóle nie zostać zdjęta. Zapobiega temu spłukanie pni wodą, która rozpuszcza lód. Ograniczeniem tego podejścia jest duże zużycie wody, zwiększające koszty eksploatacji. Konieczne staje się także zagospodarowanie ścieków.
Case study: serwonapędy i systemy wizyjne w branży drzewnej
Rys. 1. Serwonapędy zmniejszyły ilość odpadów drzewnych
W pewnym tartaku postanowiono zmodernizować linię cięcia drewna. Jej główny komponent, piła, wyposażony był w napęd hydrauliczny. Spełniał on wymagania tego zastosowania, jeżeli chodzi o moc i moment obrotowy potrzebne do cięcia desek. Niestety był także źródłem licznych problemów. Wynikały one przede wszystkim z częstych wycieków płynu hydraulicznego. Rozlana ciecz brudziła drewno, sprawiając, że stawało się niezdatne do sprzedaży. Oprócz tego płyn, łącząc się z trocinami, będącymi ubocznym produktem obróbki desek, tworzył lepką maź. Ta z kolei zatykała mechanizmy i zakłócała działanie maszyn. Powodowało to przestoje. Konieczna też była częsta konserwacja.
Aby rozwiązać ten problem, postanowiono zrezygnować z napędu hydraulicznego na rzecz napędu serwo. Do tej pory nie było to brane pod uwagę, gdyż zakładano, że, po pierwsze, nie zapewni on wymaganej mocy ani momentu obrotowego, a po drugie, będzie zajmować zbyt dużo miejsca w stosunku do przestrzeni, która jest dostępna na stanowisku cięcia. To jednak w ostatnich latach, wraz z upowszechnieniem się kompaktowych serwosilników, których parametry spełniają warunki tego zastosowania, przestało być przeszkodą.
W zakładzie wdrożono także nowy system sterowania piłą i przenośnikami transportującymi deski na stanowisko cięcia, również wyposażonymi w serwonapędy. Współpracuje on z systemem wizyjnym. Oprogramowanie tego ostatniego określa położenie desek na transporterze i na wejściu piły. Na tej podstawie zostają obliczone punkty pozycjonowania. Oprogramowanie serwonapędów, opierając się na nich, wyznacza profile ruchu dla serwosilników w napędach pił i przenośników. Dzięki temu ostrza piły i rolki w sekcji wyrównania transportera są ustawiane pod kątami odpowiednimi do stopnia przekrzywienia deski. Pozwala to na jej wstępne wypozycjonowanie na przenośniku. Biorąc pod uwagę to, że ze względu na nieuniknione wibracje, na wejściu piły położenie deski może znów ulec nieznacznemu przesunięciu, stosownie do niego ustawiane są też ostrza piły. Dzięki temu udało się znacząco ograniczyć straty drewna.
Sterowanie korowarkami
Wiele pni jednocześnie oczyszczają również wspomniane korowarki rolkowe. Od bębnowych odróżnia je sposób toczenia kłód. W rolkowych u dołu nieruchomej rurowej obudowy zamontowane są stopniowane rolki z wypustkami tnącymi korę. Jednocześnie wałki te wypychają kłody w górę z boku obudowy, te zaś następnie staczają się po innych – i cykl się powtarza. Korę usuwają nie tylko ściernice na rolkach, odpada ona także na skutek wzajemnego tarcia kłód. Korowarki tego typu zdzierają korę z pni o różnych średnicach, także tę przymrożoną, zużywają mniej energii niż bębnowe i łatwiej można je regulować.
W trzecim typie maszyn warstwę wierzchnią z pni zrywają obrotowe noże. Lepiej sprawdzają się one w obróbce drewna miękkiego. Oprócz tego można regulować siłę nacisku noży odpowiednio do grubości i typu kory. W tym celu korowarki wyposaża się w czujniki, które mierzą cechy kłód i warunki, w jakich odbywa się korowanie (średnice wzdłuż pnia, długość kłody, jej skrzywienia, temperaturę). Na tej podstawie dobierane są parametry obróbki: siła nacisku ostrzy, szybkość przesuwu taśmy z kłodami i prędkość wirowania noży. Są one dodatkowo korygowane w oparciu na danych dostarczanych w pętli sprzężenia zwrotnego z systemu wizyjnego monitorującego jakość kłód na wyjściu. Tę charakteryzuje ilość pozostawionej kory, stopień utraty włókien, gładkość powierzchni.
Korowarki natryskowe
W korowaniu natryskowym przy użyciu myjek ciśnieniowych kora jest usuwana przez strumień wody. Jej ciśnienie dobierane jest tak, żeby siła uderzenia była wystarczająca do rozerwania wiązań między korą a drewnem, ale nie powodowała uszkodzenia tego ostatniego. W maszynach tego typu kłody przesuwają się przez system natryskowy albo dysze przemieszczają się wzdłuż pni. Kłody mogą być obracane, dzięki czemu strumienie wody uderzają w nie ze wszystkich stron.
Ponieważ korowarki natryskowe zużywają duże ilości wody, poddaje się ją recyklingowi – ta zużyta jest zbierana, filtrowana i wykorzystywana ponownie. Zaletą tych maszyn jest duża wydajność. Są w stanie okorować dużą liczbę kłód w stosunkowo krótkim czasie. To czyni je odpowiednimi do użytku na skalę przemysłową. Oprócz tego zautomatyzowane korowarki natryskowe usuwają korę z poszczególnych pni równomiernie i jednakowo dla wszystkich kłód, dzięki czemu drewno ma mniej skaz. Ponieważ nie wymagają bezpośredniego kontaktu z pniami, nie mają elementów, które na skutek ścierania się z czasem zużywałby się jak ostrza i bębny. Ciśnienie natrysku oraz konfigurację dysz można dostosować do różnych gatunków drewna, rozmiarów kłód i stopnia ich zawilgocenia.
Rodzaje rozdrabniaczy
Po okorowaniu kłody są cięte na krótsze odcinki jednakowej długości, co ma ułatwić ich dalszą obróbkę w rozdrabniaczu (rębaku). W tej maszynie są one krojone na zrębki. Wyróżnia się rębaki tarczowe i bębnowe. Rozdrabniacze drugiego typu wykorzystują bęben wyposażony w noże tnące, które obracają się z dużą prędkością, tnąc drewno na kawałki. Rębaki bębnowe sprawdzają się, gdy wymagane są duża wydajność, a zarazem jednakowy rozmiar zrębków – oraz w rozdrabnianiu grubych i twardych pni. Z drugiej strony, są większe i cięższe niż tarczowe, jak również droższe w zakupie i konserwacji. Poza tym wymagają silników o większej mocy, przez co zużywają też więcej energii. To zwiększa koszty ich eksploatacji.
W rozdrabniaczach tarczowych pnie na kawałki tną ostrza zamontowane na obrotowym dysku. Ich ograniczeniem jest mniejsza wydajność w porównaniu z rębakami bębnowymi. Ponadto nie nadają się do cięcia grubych kłód ani twardych gatunków drewna, zaś zrębki w nich uzyskiwane nie mają jednakowych rozmiarów.
Po rozdrobnieniu zrębki są przesiewane, co ma na celu usunięcie tych za dużych i tych zbyt małych. Wykorzystuje się do tego sita wibracyjne lub sita obrotowe. Wióry ponadwymiarowe podlegają powtórnemu rozdrabnianiu, natomiast te zbyt drobne są odrzucane jako trociny.
Henryk Jaszcz
ifm electronic
Które branże spośród drzewnej, meblarskiej i papierniczej są dla Państwa kluczowe?
Wszystkie trzy. W tartakach automatyzacja procesów takich jak cięcie i transport drewna znacząco zwiększa wydajność. W branży meblarskiej wspieramy działania związane z montażem, malowaniem i pakowaniem, co przekłada się na wyższą jakość produktów i szybszą produkcję. Z kolei w papierniach automatyzacja przetwarzania surowców, kontroli jakości i pakowania pozwala ograniczyć koszty i usprawnić cały proces wytwórczy.
Jakie rozwiązania automatyzacyjne oferują Państwo w tych sektorach?
W tartakach wdrażamy rozwiązania wspierające automatyczne systemy cięcia, czujniki wibracji do monitorowania maszyn, kamery analizujące geometrię kłód oraz czujniki optyczne wspierające transport i sortowanie. W fabrykach mebli stosuje się nasze systemy wizyjne 2D i 3D, wykorzystywane w robotach montujących i malujących, a także rozwiązania usprawniające automatyczne pakowanie. W papierniach natomiast używa się naszych czujników do pozycjonowania, czujników indukcyjnych do potwierdzania pozycji zaworów oraz ciśnienia, które wspierają precyzyjne sterowanie procesami. Dobrze również sprawują się nasze kable z wysokim IP oraz wytrzymałością na ciężkie warunki przemysłowe.
W jaki sposób rozwiązania od ifm wpływają na efektywność i jakość produkcji?
Nasze systemy zwiększają efektywność np. poprzez bieżący monitoring stanu maszyn (choćby poprzez analizę wibracji), a także zwiększają jakość produkcji dzięki kontroli wizyjnej i śledzeniu partii produkcyjnych na każdym etapie za pomocą RFID i kodów 1D/2D.
Jakie największe potrzeby zgłaszają klienci z trzech omawianych branż?
Najczęściej chodzi o zrównoważone wykorzystywanie surowców, a co za tym idzie – redukcję odpadów i zwiększenie wydajności produkcji oraz o problem z brakiem pracowników.
Czy widać rosnące zainteresowanie automatyzacją w mniejszych zakładach?
Zdecydowanie tak. Wynika to przede wszystkim z coraz szerszej dostępności nowoczesnych technologii automatyki, które jeszcze niedawno były zarezerwowane głównie dla dużych graczy. ifm, jako lider w tym obszarze, oferuje rozwiązania dopasowane do potrzeb i możliwości także mniejszych firm, co pozwala im realnie zwiększyć wydajność i jakość produkcji, bez konieczności dużych inwestycji infrastrukturalnych.
Jak zmieniły się oczekiwania klientów na przestrzeni ostatnich 2–3 lat?
Klienci oczekują dziś bardziej ekologicznych, spersonalizowanych produktów oraz szybszej realizacji zamówień, co przekłada się na wzrost znaczenia automatyzacji również w logistyce i magazynowaniu.
Czy automatyzacja wspiera działania proekologiczne lub zmniejsza zużycie surowców?
Zdecydowanie tak – precyzyjne systemy wizyjne pozwalają lepiej wykorzystać surowce, a monitoring stanu maszyn zwiększa wydajność przy niższym zużyciu energii, co wiąże się z obniżeniem kosztów.
Czy klienci pytają o technologie zwiększające efektywność energetyczną lub ograniczające odpady?
Tak, klienci aktywnie poszukują rozwiązań pozwalających monitorować zużycie energii i mediów, a także ograniczać straty materiałowe. Cele te mogą zostać zrealizowane dzięki systemom monitorowania zużycia sprężonego powietrza, energii elektrycznej oraz wibracji, pomagającym optymalizować procesy i ograniczać straty.
W jakim kierunku będzie rozwijać się automatyzacja omawianych branż w nadchodzących pięciu latach?
W mojej ocenie rozwój będzie ukierunkowany na roboty i coboty mające na celu optymalizację prac, IIoT, analizę danych w chmurze oraz automatyzację, umożliwiającą personalizację produkcji i predykcyjne utrzymanie ruchu.
Czy planują Państwo nowe produkty lub funkcje skierowane do omawianych branż?
Tak, rozwijamy m.in. technologie IO-Link, zaawansowane systemy wizyjne oraz rozwiązania do monitorowania maszyn z wykorzystaniem AI i chmury.
