Zastąpienie jednych materiałów innymi może zapewnić ogromne oszczędności w sytuacji gwałtownie rosnących kosztów metali i tworzyw sztucznych. GM przyjmuje nową strategię.
GM wykorzystuje więcej formowanego tworzywa w postaci arkuszy w Pontiaku Solstice.
Silny popyt w Azji spowodował, że w ciągu ostatnich trzech lat zapasy podstawowych metali uległy zmniejszeniu, a ceny wzrosły. Problem ten powiększyły jeszcze niewystarczające inwestycje po katastrofie cenowej pod koniec roku 2001 i w 2002.
W roku 2003 tona ołowiu kosztowała 500 dolarów, ale cena ta wzrosła w sierpniu już do 3.400 dolarów. Tona niklu w maju 2003 roku kosztowała 7.000 dolarów, a potem już 50.000 dolarów. Teraz kosztuje 28.000 dolarów. Cena tony kobaltu wzrosła w 2004 z 1.250 dolarów do 74.000 dolarów i ustabilizowała się na poziomie 50.000 dolarów.
W wyniku tego marże zysku producentów OEM zmniejszyły się, co z kolei wzbudziło zainteresowanie materiałami zastępczymi, a także alternatywnymi technologiami, które mogłyby doprowadzić do zmniejszenia kosztów. W niektórych przypadkach, zastosowanie nowych rozwiązań pociągnęło za sobą wzrost jakości i uproszenie budowy produktu.
Jedną z firm aktywnie poszukujących nowych rozwiązań materiałowych jest General Motors, firma, której dyrektor ds. łańcucha dostaw, Bo I. Andersson, powiedział reporterom podczas niedawnej konferencji, że ceny materiałów są „straszne” i że GM bada możliwości zastąpienia drogich materiałów innymi.
W wywiadzie udzielonym Design News Andersson oświadczył, że główną strategią jest opracowanie opcji materiałowych, zanim jeszcze powstanie projekt pojazdu, dzięki czemu GM ma pewien margines bezpieczeństwa, jeśli zaburzenia równowagi na rynku spowodują wzrost cen materiałów. Zwykle patrzymy, co da się zrobić, żeby stworzyć alternatywy, zanim jeszcze zaistnieje taka potrzeba – dodaje Andersson. W jednym z naszych globalnych programów uwzględniliśmy opcję (przed przygotowaniem właściwego projektu pojazdu), że oprócz stalowych zbiorników paliwa zastosujemy także plastikowe.
To naprawdę radykalna zmiana, ponieważ wielowarstwowe, plastikowe zbiorniki paliwa do samochodów zyskały w ciągu ostatnich 20 lat znaczną popularność.
Tworzywa sztuczne umożliwiły zmniejszenie wagi, dały większą elastyczność przy projektowaniu, mają też inne zalety. Już w roku 1993 mniej więcej jedna czwarta samochodów osobowych wyposażona była w niemetalowe zbiorniki paliwa. Istnieją dwa powody przyjęcia nowych rozwiązań. Używamy plastikowych zbiorników paliwa od 10 lat, a cena żywicy rośnie. Po drugie, przyglądamy się kosztom transportu, ponieważ w przypadku wszystkiego, co kupujemy, szukamy najlepszej ceny z wyładunkiem. W skrócie można powiedzieć, że stalowy zbiornik można zespawać bardzo blisko zakładu montażowego, co daje zmniejszony koszt transportu i jest to kolejny czynnik kluczowy – stwierdza Andersson.
Firmy, które produkują stalowe zbiorniki paliwa, uruchomiły kilka lat temu, za pośrednictwem Strategicznego Przymierza na rzecz Stalowych Zbiorników Paliwa, wielką kampanię marketingowo-technologiczną, ale nie uzyskały zbyt dużego odzewu. Wielowarstwowe systemy plastikowe miały się coraz lepiej. Firmy wytwarzające zbiorniki ze stali także miały swoje argumenty, między innymi: 1) nowe typy stali coraz łatwiej jest formować, co daje większą swobodę przy projektowaniu i 2) stalowe zbiorniki w 100 procentach nadają się do ponownego wykorzystania. A ich ceny są coraz atrakcyjniejsze. Po uwzględnieniu kosztów z wyładunkiem i zastraszającej cenie węglowodorów, zbiorniki takie są nawet preferowane ze względów kosztowych.
Wielka Czwórka General Motors
Andersson twierdzi, że firma koncentruje się na czterech materiałach, w przypadku których istnieje znaczna presja cenowa: palladzie, aluminium, stali i tworzywach sztucznych.
Jeśli przyjrzeć się naszym samochodom sportowym w ogólności, staramy się zastąpić części stalowe częściami z tworzyw sztucznych – twierdzi Andersson. Uzyskujemy mniejszą wagę i mniejsze koszty. Przykłady to Chevrolet Corvette i Pontiac Solstice.
Corvette był oczywiście pierwszym samochodem o nadwoziu z tworzyw sztucznych. Powstał w roku 1953. Ale jubileuszowa wersja Z06 miała maskę z włókna węglowego – było to pierwsze w historii wykorzystanie tego materiału na malowanym, zewnętrznym elemencie nadwozia klasy A. Formowane tworzywo w postaci arkuszy (sheet molding compound – SMC) stosowane jest na dużą skalę w modelu Solstice. Innym nowatorskim rozwiązaniem zastosowanym w Z06 jest pierwsze w historii wykorzystanie stopu magnezu jako jednoczęściowego elementu części ramy podtrzymującej silnik, co pozwoliło zastąpić wieloelementowe zespoły wykonywane z aluminium. Corvette jest często wykorzystywany przez GM jako platforma do testowania nowych technologii. Takim dobrym przykładem jest odlewanie kokilowe elementów przenoszących duże obciążenia.
Ale czy są to faktycznie dobre przykłady zastosowania alternatywnych materiałów w celu zmniejszenia kosztów? Głównym powodem zastosowania kokilowego odlewania stopu magnezu była redukcja wagi. Andersson stwierdził, że zastosowanie magnezu umożliwiło GM uniknięcie podatku nakładanego na samochody o dużym zużyciu paliwa. Współpracujemy z projektantami, technologami i działem produkcji, by sprawdzić, na jakie cechy chcemy wpłynąć. W niektórych przypadkach chodzi o koszty – dodaje Andersson. W innych chodzi o masę, a w jeszcze innych może chodzić o koszty transportu lub elastyczność projektową. A czasem o wszystkie te rzeczy.
Wyższe koszty materiałów naprawdę spowodowały podjęcie wspólnych wysiłków mających na celu stworzenie alternatyw, gdy tylko jest to możliwe.
Współpracujemy z działem technicznym w czymś, co nazywamy zespołami zarządzania systemami – stwierdza Andersson. Wcześnie, dział techniczny koncentrował się na systemach, a dział zakupów na towarach. Cztery lata temu, Jim Queen (wiceprezes ds. techniki globalnej) i ja powiedzieliśmy: ‘Zbierzmy to wszystko razem’. Więc dziś istnieje siedem zespołów zarządzających systemami w dziale technicznym i zakupów. Te zespoły spotykają się w każdy wtorek. Nie osiągnęliśmy jeszcze tego, co chcemy, ale poczyniliśmy duże postępy. Dostawcy także są bardziej zaangażowani w proces projektowania i mają dodatkową korzyść w postaci spotkań z zespołami systemowymi składającymi się z pracowników działu technicznego i działu zakupów. Jesteśmy także w stanie lepiej wytłumaczyć (dostawcom) najważniejsze dla nas czynniki: masę, jakość lub koszt, – dodaje Andersson. GM wykorzystuje także nowe narzędzia internetowe, by ułatwić komunikację.
Kolejna strategia to zatrudnianie zdolnych inżynierów w dziale zakupów na wczesnym etapie kariery, dzięki czemu mogą oni lepiej zrozumieć cele kosztowe firmy. Trzy lata później, po powrocie do działu technicznego, mogą wnieść o wiele większy wkład – dodaje.
10 sztuczek pozwalających zmniejszyć koszty
Poniżej znajduje się opis 10 strategii opracowanych przez Design News, które można wykorzystać, by uniknąć ryzyka związanego z wysokimi i nieprzewidywalnymi cenami materiałów: podobnie jak przykłady podane przez Anderssona, większość tych strategii nie polega na prostym zastąpieniu pewnych materiałów innymi w celu zmniejszenia kosztów – są to raczej alternatywne metody, czasem wymagające sporej ilości czasu obsługi technicznej, które pozwalają zmniejszyć koszty, zapewniając także inne korzyści.
1. Przejście z odlewania kokilowego stopów cynku na odlewanie kokilowe stopów magnezu. Ceny cynku wzrosły ponad czterokrotnie w latach 2005-2006, a potem trochę spadły. Dla porównania, cena magnezu była raczej stabilna. Według Chicago White Metal, w gorącokomorowych maszynach do odlewania stopów magnezu można zastosować identyczne kokile, jak do odlewania stopów cynku, co umożliwia szybkie rozpoczęcie produkcji po przeprowadzeniu badania kokili i wykonaniu próbek.
2. W branży kosmetycznej – zastąpienie stali nierdzewnej powłokami porcelanowymi, naśladującymi jej wygląd. Whirlpool wykorzystuje te powłoki w niedawno wprowadzonym asortymencie artykułów elektrycznych. Na szkliwie porcelanowym odciski palców nie rzucają się specjalnie w oczy, nie odbarwia się ono pod wpływem wysokiej temperatury, jest odporne na plamy, zarysowania i działanie chemicznych substancji czyszczących.
3. Zastąpienie stali walcowanej formowanym tworzywem w postaci arkuszy (SMC). SMC to związek wzmocniony włóknem szklanym, wykorzystujący termoutwardzalne tworzywo sztuczne jako materiał matrycowy. Tworzywa wzmocnione włóknem szklanym są zazwyczaj o 25 do 35 procent lżejsze od elementów stalowych i można je produkować przy użyciu taniego oprzyrządowania. W niektórych przypadkach, elementy można kształtować jedynie przy zastosowaniu formowania. Wadą tego rozwiązania jest to, że proces może zająć sporo czasu, zaś wskaźniki recyklingu są znacznie gorsze niż w przypadku stali.
4. Wypróbowanie nowego procesu utwardzania powierzchni opracowanego przez Swagelok, zwiększającego twardość stali nierdzewnej. Powierzchnia metalu jest aktywowana, a następnie nawęglana w temperaturze wystarczająco niskiej, by nie powstały węgliki. W wyniku tego odporność na korozję nie ulega zmniejszeniu. Zwykła stal nierdzewna nabiera charakterystyk roboczych, jakie mają kosztowne stopy, takie jak Hastelloy czy tytan. Produkty docelowe, do wytwarzania których można ją zastosować, to m.in. oferowane w handlu pompy i systemy obiegu cieczy, elementy łącznikowe, łożyska, tarcze sprzęgła i inne stosowane w przemyśle elementy, narażone na intensywne zużycie, produkty dla wojska, przemysłu lotniczo-kosmonautycznego, motoryzacyjnego i urządzenia medyczne, takie jak implanty stawów biodrowych.
5. Nowe stopy wysokoprocentowe, wytwarzane przez Carpenter Technology przeznaczone są do zastosowań takich, jak np. zastąpienie tytanu w podwoziach samolotów lub usprawnienia poprawiające wyniki w klubach golfowych. Custom 465 stainless to podwójnie topiony w próżni, martenzytyczny, utwardzany przez starzenie stop, który oferuje odporność na korozję, a także wytrzymałość i odporność na obciążenia dynamiczne. Po starzeniu w temperaturze 510° C może osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie przekraczającą 1.723 MPa.
6. Sprawdzanie pojawiających się rozwiązań nano. Nowa struktura hybrydowa wykorzystuje prawnie chroniony proces zwany MetalFuse, w którym dokładnie odmierzone ilości nanometalu dodaje się do elementów formowanych z tworzyw sztucznych. Według doniesień, elementy mają sztywność aluminium lub magnezu, ale charakteryzują się większą wytrzymałością. Wielkości ziaren tych metali są 1.000 razy mniejsze niż ziaren metali konwencjonalnych. Technologię tę wdrożyła firma DuPont Engineering Polymers i jej partnerzy: Morph Technologies, Integran Technologies i PowderMetal Technologies.
7. Tam, gdzie to możliwe, formowanie z metali sproszkowanych jest zawsze dobrą metodą zmniejszenia kosztów i poprawienia wyników. W tym roku pewien element wykonany z egzotycznego proszku metalowego wygrał główną nagrodę Metal Powder Industries Federation. Nadprzewodnikowe magnesy dipolowe wytwarzane są metodą izostatycznego prasowania na gorąco proszku 314LN do uzyskania pełnej gęstości. Właściwości mechaniczne tych elementów odpowiadają przerobionej plastycznie stali nierdzewnej. Elementy zaprojektowały firmy Bodycote HIP-Surahammar ze Szwecji i Metso Materials Technology Oy z Finlandii.
8. Spojrzenie nowym okiem na materiały ceramiczne, które stają się coraz bardziej zaawansowane technicznie. Przykład: Nowe materiały Ceralese oferują podobno znakomitą wytrzymałość dielektryczną, termostabilność, wytrzymałość i twardość porównywalne z materiałami stosowanymi tradycyjnie do produkcji reflektorów laserowych i komór pomp.
9. Nowe związki formowanego wtryskowo wolframu/tworzyw sztucznych zastępują ołów, rozwiązując problem ochrony środowiska i nie tylko. Nawet mimo tego, że wolfram jest droższy od ołowiu, nowe typy formowanych brył mogą spowodować obniżkę kosztów całkowitych.
10. Spojrzenie nowym okiem na związki termoplastyczne, które zastępują elementy ze stali konstrukcyjnej w samochodach i w innych typach zastosowań. Samochód koncepcyjny Chevy Volt, zaprezentowany przez General Motors w roku 2007, wykorzystuje nowatorski kompozyt w konstrukcji maski i drzwi.
Nie ma wątpliwości, że ma miejsce nowy wzrost zainteresowania nowatorskimi technologiami materiałowymi. Mnogość pojawiających się technologii produkcyjnych, od nano do hybrydowych, łączy się z nowymi technologiami materiałowymi, dzięki czemu metody te stają się jeszcze bardziej atrakcyjne. Dodajmy do tego nieprzewidywalne i gwałtownie rosnące koszty materiałów, a rola projektowania nabiera jeszcze większego znaczenia.
dn
