Koncepcja komór natryskowych dla procesów produkcji przyrostowej w centrach logistycznych

Transkrypt

1 KRÓLIKOWSKI Tomasz 1 NIKOŃCZUK Piotr 2 DOBRZYŃSKA Renata 3 RYPINA Łukasz 4 BAŁASZ Błażej 5 ZMUDA-TRZEBIATOWSKI Piotr 6 Koncepcja komór natryskowych dla procesów produkcji przyrostowej w centrach logistycznych WPROWADZENIE W logistyce dostaw pojawiła się idea dostarczania szerokiej grupy towarów w trybie rapid manufacturing z wykorzystaniem technologii produkcji przyrostowej. W założeniach tych bierze się pod uwagę rozproszone centra logistyczne w których znajdować się będą gniazda produkcyjne z drukarkami 3D. Takie podejście ma wpłynąć na przyśpieszenie dostaw oraz ograniczenie kosztów transportu. Duża koncentracja drukarek 3D oraz intensywna produkcja w technologii produkcji przyrostowej spowoduje znaczny wzrost emisji lotnych związków organicznych w nadmiernej ilości co będzie skutkowało powstawaniem zagrożeń zatruciem personelu. W związku z tym, w punktach z dużą koncentracją produkcji przyrostową należy uwzględnić zachowanie odpowiedniej jakości powietrza poprzez właściwą wentylację.pozwoli to na zapewnienie bezpieczeństwa personelu. Aby zapewnić powyższe wymogi należy rozważyć opracowanie i stosowanie komór natryskowych dla procesów technologicznych produkcji przyrostowej. 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA TECHNOLOGII PRODUKCJI PRZYROSTOWEJ Produkcja przyrostowa to przede wszystkim bardzo szybko rozwijający się rynek druku 3D. Do produkcji tej można również zaliczyć nakładanie powłok ochronnych czy nanopowłok wzmacniających powierzchnie. O ile nakładanie powłok czy nanopowłok odbywa się w środowisku zamkniętym i personel nie jest narażony bezpośrednio na uboczne efekty produkcji to większość dostępnych na rynku urządzeń druku 3D nie ma zabezpieczenia przeciw wydostawaniu się substancji lotnych do otoczenia. Najszybsza z technologii druku CLIP (Continuous Liquid Interface Production) przedstawiona 16 marca 2015 polegająca na użyciu syntetycznej żywicy światłoutwardzalnej w osnowie tlenu również nie posiada takich zabezpieczeń. Metoda ta jest dużo szybsza od innych technologii wydruku rys. 1 i emituje najmniej szkodliwych substancji. Technologia Polyjet (tworzenie modeli ciekłą żywicą akrylową utwardzaną światłem UV), czy SLS (selektywne spiekanie laserem proszków poliamidowych) przy drukowaniu tego samego materiału potrzebuje ponad 3 godziny, a technologia SLA (laserowe utwardzanie żywicy fotopolimerowej) co najmniej 11 godzin co w porównaniu z metodą CLIP powoduje dużo większą emisję lotnych substancji. 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Technologii i Edukacji, Koszalin, ul. Śniadeckich 2, Tomasz.Krolikowski@tu.koszalin.pl 2 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Szczecin, Al. Piastów 41, Piotr.Nikonczuk@zut.edu.pl 3 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Al. Piastów 4, Renata.Dobrzynska@zut.edu.pl 4 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Koszalin, ul. Racławicka 15-17, Łukasz.Rypina@tu.koszalin.pl 5 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Koszalin, ul. Racławicka15-17, Blazej.Balasz@tu.koszalin.pl 6 Politechnika Koszalińska, Uczelniane Centrum Kształcenia na Odległość,, Koszalin, ul. Śniadeckich 2, piotr.zmuda@tu.koszalin.pl 2578

2 Rys. 1. Wykres porównania szybkości druku 3d dla różnych technologii na podstawie badań zleconych przez firmę Carbon3D Opisane powyżej technologie druku 3D nie obejmują drukarek niskobudżetowych, których ceny zaczynają się od 1000 złotych. Niski budżet na produkcję takich urządzeń nie pozwala na realizację osłon oraz pochłaniaczy wyziewów. 2. EMISJA I TOKSYCZNOŚĆ LOTNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH W TRAKCIE PRODUKCJI PRZYROSTOWEJ Używanie drukarek desktopowych niskobudżetowych w małych pomieszczeniach może powodować zatrucie, poprzez wdychanie uwolnionych lotnych substancji z takich filamentów jak: ABS ABS ( Akrylonitrylo Butadieno Styren), PLA (Polilaktyd kwas mlekowy), nylon (syntetyczny polimer), poliwęglan, bandlay, LayBrick, LayWoo-d3. Przeprowadzono wstępną analizę kart charakterystyki produktów dla materiałów termoplastycznych stosowanych w drukarkach 3D. Na rysunku przedstawiono fragment karty charakterystyki produktu. Z treści karty wynika, że wdychanie oparów materiału stanowi niebezpieczeństwo podrażnienia dróg oddechowych. Brakuje również dostępnych informacji dla długotrwałego oddziaływania na organizm ludzki. Jak widać na rysunku 2, karty charakterystyki produktów zawierają wiele niewiadomych. Ogólnie są znane zjawiska powstawania lotnych związków podczas obróbki cieplnej lub spalania materiałów. Najczęściej prowadzi się badania toksyczności produktów spalania materiałów [1,2, 3, 4, 5]. 2579

3 Rys. 2 Fragment karty charakterystyki materiału termoplastycznego dla drukarek 3D [18] 3. KONCEPCJA KABIN NATRYSKOWYCH DLA PRODUKCJI PRZYROSTOWEJ Techniki produkcji przyrostowej są dość młodymi i szybko rozwijającymi się technologiami. Jednak jak wcześniej wspomniano obecnie nie porusza się tematyki ilościowej oraz toksyczności uwalnianych lotnych związków organicznych w procesach druku 3D. Przy dużej koncentracji gniazd produkcyjnych opartych o technologie przyrostowe można się spodziewać powstawania atmosfery podejrzanej o zagrożenie życia i zdrowia. Powstawania atmosfery można spodziewać zarówno w halach produkcyjnych jak i pomieszczeniach magazynowych. Aby zapobiec zatruciom personelu mającego bezpośredni kontakt z masową produkcją przy wykorzystaniu drukarek 3D należy przewidzieć środki ochrony osobistej oraz odpowiednią wentylację. Problematyka odpowiedniej wentylacji i zagrożeń znana jest w wielu procesach wytwarzania, między innymi w procesach malarskich [6, 16]. W zależności od powierzchni produkcyjnej ilości gniazd produkcyjnych oraz intensywności produkcji przyrostowej można stosować odciągi miejscowe lub zamknięte pomieszczenia produkcyjne komory natryskowe. Odciągi miejscowe mogą być wyposażone w indywidualne wentylatory wywiewne lub mogą być przyłączane do central wywiewnych o wydatku powietrza zapewniającym wymianę powietrza w wymaganym stopniu. Ze względu na potrzeby zrównoważonej gospodarki energetycznej proponuje się kabiny natryskowe wewnątrz których zostaną skumulowane gniazda produkcyjne z drukarkami 3D. Takie podejście pozwala na minimalizację kanałów wentylacyjnych, ograniczenie kubatury zagrożonej powstawaniem niebezpiecznej atmosfery. Dodatkowym atutem przemawiającym za stosowaniem zamkniętych kabin natryskowych jest duża ilość ciepła odpadowego z procesu produkcji przyrostowej. Skoncentrowanie wielu stanowisk w jednym miejscu nie będzie powodowało nadmiernego wzrostu temperatury wewnątrz hali. Dodatkowo pozwoli to na stosowanie instalacji odzysku ciepła odpadowego. Odzyskane ciepło mnożna w ramach racjonalnej gospodarki cieplnej wykorzystywać do ogrzewania hali w okresie zimowym, koncentrować w akumulatorach ciepła i/lub kierować do innych odbiorów ciepła na przykład ciepłej wody użytkowej. Na rysunku 3 przedstawiono koncepcyjny schemat komory natryskowej. Komora natryskowa wyposażona jest w moduł wymiany powietrza. Moduł ten jest odpowiedzialny zarówno za dostarczanie odpowiedniej jakości powietrza jak i odciąganie powietrza z wnętrza komory produkcyjnej. Moduł wymiany powietrza może również realizować proces oczyszczania powietrza oraz odzysku ciepła odpadowego. Koncepcja proponuje wertykalny obieg powietrza, można jednak rozważyć inne obiegi powietrza podobnie jak w kabinach lakierniczych [10]. 2580

4 1 2 Rys.3 Koncepcja kabiny natryskowej dla produkcji przyrostowej 1 gniazda produkcji przyrostowej, 2- moduł wymiany powietrza PODSUMOWANIE Szybki rozwój technologii produkcji przyrostowej oraz drastyczne skrócenie czasu wytwarzania produktów z wykorzystaniem drukarek 3D [17] prognozuje powstawanie w niedługim czasie centrów logistycznych opartych o technologię rapid manufacturing. Wymaga to jednak systemów wentylacji. W celu optymalizacji systemów wentylacji skojarzonej energetycznie dla procesów produkcji przyrostowej należy indywidualnie rozpatrywać każde centrum logistyczne pracujące w takim trybie. Numeryczne modelowanie wymiany powietrza za pomocą narzędzi CFD pozwoli już na etapie projektowania centrum logistycznego na optymalizację wentylacji w procesach produkcyjnych oraz racjonalne wykorzystanie ciepła odpadowego [8, 12, 15]. Wstępne założenia w projektowanie wymiany powietrza oraz odzysku ciepła w komorach produkcyjnych można wzorować na kabinach natryskowych dla branży lakierniczej [9, 11, 13], obróbki ściernej [14], lub innych procesów wymagających ciągłej wymiany powietrza. W rozważaniach konstrukcji komory produkcyjnej oprócz odzysku ciepła z wyrzucanego powietrza należy również wziąć pod uwagę oczyszczanie powietrza z lotnych związków organicznych. Streszczenie W logistyce dostaw pojawiła się idea dostarczania szerokiej grupy towarów w trybie rapid manufacturing z wykorzystaniem drukarek 3D. Rozpatruje się rozproszone centra logistyczne w których znajdować się będą gniazda produkcyjne z drukarkami 3D. Ma to przyśpieszyć dostawy i ograniczyć koszty transportu. Intensywna produkcja z wykorzystaniem drukarek 3D spowoduje znaczny wzrost emisji lotnych związków co będzie skutkowało powstawaniem zagrożeń zatruciem personelu. W związku z tym, należy uwzględnić zachowanie odpowiedniej jakości powietrza poprzez właściwą wentylację. W artykule przedstawiono koncepcję komory natryskowej dla technologii produkcji przyrostowej. Słowa kluczowe: druk 3D, kabiny natryskowe, toksyczność The concept of spray booths for incremental production processes in logistics centers Abstract In supply logistics is planned to deliver a wide range of goods in rapid manufacturing mode using 3D printers. Is contemplated logistics centers scattered in which will be located manufacturing cells with 3D 2581

5 printers. This has to speed up delivery and reduce transport costs. Intensive production using 3D printers will result in a significant increase of volatile compounds emissions which will result in the poisoning hazards. Therefore control of the air quality and the proper ventilation should take into account. The paper presents the concept of the spray chamber for incremental production technology. Keywords: 3D printing, spray booth, toxicity BIBLIOGRAFIA 1. Dobrzyńska R., Zagrożenie toksyczne podczas pożaru pomieszczeń mieszkalnych, Logistyka 2014 nr 5, s Dobrzyńska R. Toksyczność produktów rozkładu termicznego i spalania pianek poliuretanowych stosowanych do wyrobu mebli, Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza = Safety & Fire Technique Vol. 28, nr 4 (2012), s Dobrzyńska R., Ocena zagrożenia toksycznego w czasie pożaru układów tapicerskich stosowanych do wyrobu mebli tapicerowanych, Archiwum Spalania Vol. 10 (2010) nr 1-2 s Dobrzyńska R., Ocena poziomu zagrożenia toksycznego pomieszczeń mieszkalnych na statku w początkowej fazie rozwoju pożaru, Perspektywy rozwoju systemów transportowych: Materiały VIII Konferencji Okrętownictwo i Oceanotechnika Szczecin: Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2006 S Dzięcioł Małgorzata, Dobrzyńska R., Oznaczanie lotnych produktów degradacji termicznej poli(tereftalanu etylenu), 40 Zjazd Naukowy PTCh i SITPChem, Wydawnictwo Centrum Książki, S-1;P FLYNN M. R. and SILLS E. D. On the Use of Computational Fluid Dynamics in the Prediction and Control of Exposure to Airborne Contaminants - an Illustration Using Spray Painting, Ann. occup. Hyg., Vol. 44, No. 3, , 7. Kacperski M., Dobrzyńska R., Spychaj T., Emisja gazów toksycznych przy spalaniu sztywnych pianek poliuretanowych z udziałem produktów aminoglikolizy PET, Materiały polimerowe Pomerania-Plast 2001, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2001 S Li J., Uttarwar R. G., and Huang Y., CFD-Based Modeling and Design for Energy-Efficient VOC Emission Reduction in Surface Coating Systems 9. Nikończuk P.,Odzysk ciepła w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 9/2011, str Nikończuk P., Rozwiązania elementów wentylacji kabin lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 3/2012, str Nikończuk P., Study of Heat Recovery in Spray Booths, Metal Finishing Vol. 111 (6) p , 12. Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Sugalski K., Ogólne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej, Logistyka 09/2014; 3(2014), str Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Stempnakowski Z., Wstępna analiza korzyści ze stosowania innowacyjnego rozwiązania odzysku ciepła w kabinach lakierniczych, Logistyka 09/2014; 2014(3): Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Analiza strat ciepła w wyniku odpylania podczas procesu obróbki ściernej, Mechanik 09/2014; 8-9: Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł.., Wstępne wyniki modelowania przepływów w kabinie lakierniczej, Logistyka 6/ Ubowska A., Niewińska E. Bezpieczeństwo w lakierniach samochodowych zagrożenie ze strony substancji chemicznych. Logistyka 2014(5):