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Além do desempenho: economias de custos com sistemas direct drive


Os benefícios de desempenho de motores direct drive estão bem documentados: desempenho líder do setor, maior precisão, maior rendimento, maior confiabilidade e operações mais silenciosas. Isso ocorre porque, diferentemente da configuração de Motion convencional, um sistema direct drive conecta o motor rotativo ou linear diretamente à carga, reduzindo o número de peças móveis no sistema. A remoção dessas peças (redutores, correias, polias e componentes relacionados) cria uma operação altamente dinâmica com diversas vantagens. Leia mais sobre as vantagens da tecnologia de direct drive.

No entanto, um aspecto negligenciado de um sistema de Motion direct drive são as economias de valor em comparação a um sistema convencional. Ao comparar o custo de um motor direct drive com uma configuração tradicional, o acionamento direto parece ser uma solução mais cara. Mas dar um passo atrás e comparar todo o sistema ao longo do tempo mostra que um sistema direct drive é uma abordagem mais econômica em comparação com um sistema convencional. Por meio de cálculos e exemplos baseados nos mercados dos EUA, detalhamos as economias de custo de um sistema direct drive.

Menor custo de peças

Eliminar as engrenagens, as polias, a vedação, os rolamentos e outros componentes associados proporciona uma economia de custo antecipada imediata em comparação a um sistema convencional. Podemos começar a pensar no custo total do sistema e como esses componentes podem ser deduzidos do custo do motor.

Economia de Custos em Peças
= Custo do Motor – [(Engrenagens) + (Correias Sincronizadas) + (Polias) + (Fusos) + (Selos) + (Rolamentos)]

Os componentes da transmissão mecânica podem custar mais de US$ 300 por sistema. Isso então é subtraído do custo do motor. Embora o custo inicial de um motor direct drive possa ser maior que o de um motor tradicional com um sistema de transmissão mecânica, a eliminação de peças proporciona uma economia de custo imediata que se converte em outras economias de longo prazo depois de instalado.

Menor mão de obra

Ter menos peças significa menos mão de obra porque não há necessidade de reunir, montar e alinhar polias, proteções, rolamentos, correias e outros componentes do sistema. Um motor direct drive pode ser montado diretamente na máquina e é autossustentável por meio de seus próprios rolamentos. Isso não apenas permite que a máquina seja produzida mais rapidamente, como também economiza nos custos de mão-de-obra.

Economia na Instalação
= (Mão de obra) + (Horas) + (Número de Máquinas)

 

A economia dependerá do tempo dos sistemas, das tarifas de mão de obra do mercado e de quantas horas serão necessárias, mas podemos estimar que, com uma taxa de mão de obra de US$ 150 por hora para duas horas de trabalho em dois sistemas, os custos de mão de obra seriam de US$ 600. Se contabilizarmos apenas uma máquina e combinarmos isso com a economia de custos nas peças discutidas acima, a economia total será de US$ 900.

Uma economia de custo adicional é a eliminação de motores grandes para acionar os redutores, que podem variar de US$ 500 a US$ 1.500, o que requer um ajuste mais fino das cargas de alta inércia. O direct drive elimina o problema de incompatibilidade de inércia, o que também economizaria custos adicionais se o incluíssemos aqui.  

Menores custos de manutenção

Peças que não existem não se desgastam. Ao remover a transmissão mecânica do sistema, a necessidade de manutenção ou substituição de sistemas de engrenagens é eliminada. Embora haja custos associados, como fornecimento, pedido e armazenamento de peças necessárias para manutenção, usaremos a definição mais simples de custos de manutenção para calcular as possíveis economias: mão de obra mais peças. 

Podemos pensar assim:

Custos de Manutenção
= [(Engrenagens) + (Correias Sincronizadas) + (Polias) + (Fusos) + (Selos) + (Rolamentos)] + (Mão de obra) + (Horas)

Usando esta fórmula, podemos ver que o custo de manutenção de uma transmissão mecânica incluiria o custo das peças mais a tarifa de mão de obra para instalá-las. Por exemplo, se o total de peças substituíveis fosse igual a US$ 300 e levasse 2 horas para instalar essas peças a US$ 150 por hora, os custos totais de manutenção seriam de US$ 600 para peças e mão de obra. Ao adicionar isso ao custo das peças iniciais e da mão de obra de instalação, o custo total durante a vida útil do equipamento aumentaria para US$ 1.200.

Menos tempo de parada, mais receita

Menos peças que exigem menos tempo para manutenção reduzem o tempo de parada geral de uma máquina, o que pode aumentar a receita devido ao aumento da produção. Uma das maiores despesas de qualquer empresa é o tempo de parada não planejado. Isso acontece não apenas devido aos custos de manutenção associados destacados acima, mas também em função de mão de obra ociosa, impacto em outros processos e redução do rendimento. Para simplificar, vamos calcular os custos perdidos durante o tempo de parada analisando a quantidade total de tempo de parada, a taxa média de produção e o lucro bruto de cada unidade.

Custos de Máquina Parada
= (Tempo de Máquina Parada) + (Perda de Peças Produzidas + Custo Unitário)

A variável aqui está no tempo real de operação. Um sistema com 10 horas de tempo de operação planejado e 2 horas de parada que produz 500 unidades nesse tempo com um lucro bruto de US$ 25 por unidade sofrerá US$ 3.125 em perdas das 2 horas de parada. Mesmo que você reduza o tempo de parada pela metade, 1 hora, terá mais de US$ 1.700 em economias. Isso leva a pelo menos US$ 2.900 até o momento em economias com o direct drive.

Melhor desempenho, maior produção

Eliminar a transmissão mecânica no sistema ao conectar diretamente o motor à carga significa que não há histerese, folga nem perda de movimento em nenhuma direção. A vantagem é o aumento da precisão de posicionamento, velocidade e dinâmica, o que melhora a eficiência e permite um melhor desempenho. 

Há várias maneiras de medir as economias de custos associadas a um melhor desempenho. Pode haver menos defeitos, menos mão de obra, mais pedidos e assim por diante. No entanto, para nossos objetivos, vamos analisar o rendimento. Mantendo tudo igual, exceto a tecnologia direct drive, vamos analisar a melhoria de produção em vez de reduzir os custos aumentando o rendimento.

O rendimento é calculado como estoque dividido pelo tempo (R = I/T). Quanto mais estoque puder ser processado ao mesmo tempo, mais eficiente será o processo. Podemos pensar nisso como um aumento na receita bruta potencial como a diferença no processo de estoque multiplicado pelo custo unitário.

Margem Bruta
= ((lx – ly)/T) + (Custo Unitário)

Nesse caso, podemos subtrair o que um motor tradicional produz em uma hora de um motor direct drive e ver o valor total das mercadorias produzidas. Para um cliente com uma máquina de alimentação de prensa, a Kollmorgen observou um aumento na precisão de 0,002" para 0,0005". Outro cliente teve um aumento de 13% no rendimento em altas velocidades. Usando esse aumento como exemplo, passar de 500 unidades por hora para 565 por hora a US$ 15 por unidade adicionaria US$ 975 extras na receita bruta do produto por hora. Obviamente, isso ignoraria os custos adicionais de material para manter essa taxa. Mas isso pode se converter em mais peças produzidas ou menos tempo de execução e mão de obra.

Após reunir tudo

Em qualquer ponto do ciclo vida, seja uma instalação nova ou a manutenção de um sistema já estabelecido, você pode obter economias de custo consideráveis com um motor direct drive. De custos antecipados ao melhor rendimento, podemos analisar tudo em conjunto para ver como os diferentes componentes funcionam de forma holística:
  • Economias de custo em peças = custo do motor – [(engrenagens) + (correias dentadas) + (polias) + (parafusos de avanço) + (vedações) + (rolamentos)] 
  • Economias de mão de obra na instalação = (tarifa de mão de obra) * (horas) * (número de máquinas)
  • Custos de manutenção = [(engrenagens) + (correias dentadas) + (polias) + (parafusos de avanço) + (vedações) + (rolamentos)] + (tarifa de mão de obra * horas)
  • Custos do tempo de parada = Duração do tempo de parada * (perda de produção de unidade * custo unitário)
  • Receita bruta = ((Ix – Iy)/T)*Custo unitário

Os maiores ganhos vêm da redução das peças necessárias com a tecnologia direct drive. Com menos peças, há menos necessidade de mão de obra de instalação e manutenção, menos ocorrências de tempo de parada devido a falhas de peça e maior tempo de atividade para maior produção.

Como projetar um sistema direct drive para a sua máquina

Analisando o sistema completo em um ciclo de vida típico, fica evidente que um sistema direct drive proporciona economias de custo com relação a um sistema convencional. No entanto, economias e realizações de produção dependerão da máquina, do local e do setor. É importante selecionar e adaptar o sistema às suas necessidades e às necessidades da máquina. 

A Kollmorgen tem vários tipos de sistemas direct drive disponíveis com uma variedade de motores, drives, sistemas de feedback e outros componentes necessários para criar uma máquina mais eficiente e lucrativa. Antes de projetar sua próxima máquina, fale com um dos especialistas da Kollmorgen para obter o melhor de seu sistema.

Sobre o Autor

Kollmorgen Experts

Esse blog foi um esforço colaborativo do time de motion e dos experts em automação na Kollmorgen, incluindo especialistas da engenharia, atendimento ao cliente e de desenvolvimento de projetos. Sempre que você começar um projeto, estamos aqui para ajudá-lo.

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