Procesy i Techniki Produkcyjne

Produkcja opon

Na początku było koło…

3500 lat przed naszą erą nasi przodkowie wynajdują koło. Jest to przełomowy moment dla całej cywilizacji, bez którego z pewnością nie było by dziś przemysłu zajmującego się produkcją opon.

Ponad 4000 lat później francuski uczony odkrywa drzewo, z którego po nacięciu kory wypływa biały płyn. Indianie mówią o nim “Cahutchu” co oznacza „drzewo które płacze”. Stąd nazwa jaką mu nadano - drzewo kauczukowe. W 1833 w Massachusetts zostaje uruchomiona pierwsza amerykańska fabryka wyrobów gumowych, która wytwarza między innymi buty, płaszcze, czapki i worki na pocztę. Jednak dla produkcji opon przełomowym staje się odkrycie procesu wulkanizacji w 1839 roku przez Charlesa Nelsona Goodyeara. Proces. W którym stosuje się siarkę i wysoką temperaturę stabilizuje gumę i umożliwia jej praktyczne zastosowanie do produkcji opon.

Opona pneumatyczna zostaje opatentowana już w 1845 roku w Anglii jednak jej twórca nie znajduje popytu na swój wynalazek. Rok później inny Anglik zaczyna produkcję opon z pełnej (lanej) gumy, które znajdują zastosowanie w powozach i pojazdach parowych. Dopiero w 1888 roku Irlandczyk John Boyd Dunlop produkuje pierwsze praktycznie stosowane opony pneumatyczne. Początkowo były to opony do bicykli- najbardziej popularnych wtedy pojazdów.

W 1895 Bracia Michelin z Francji stosują opony pneumatyczne na kołach automobili, prezentując ich zalety w rajdzie Paryż - Bordeaux. Rok później pierwsze samochodowe opony pneumatyczne pojawiają się na rynku. Od tego momentu opony są stale ulepszane i produkowane na coraz większa skalę oraz do coraz szerszego zastosowania. Już na początku I poł. XIX wieku w USA działało 130 firm produkujących opony. Dziś do jednych z najbardziej rozpoznawalnych należą: Dunlop, Michelin, Goodyear, Bridgestone, Pirelli oraz Continental.

Budowa opony

Bieżnik- zewnętrzna część opony odpowiedzialna za kontakt z nawierzchnią drogi oraz przenoszenie obciążeń. Bieżnik opony zapewnia właściwą przyczepność na zakrętach i stabilność podczas prowadzenia. Musi być zarówno elastyczny jak i odporny na ścieranie, uderzenia i przebicia, musi także słabo się rozgrzewać.

Stopka- część opony, ukształtowany specjalnie do zarysu obręczy zapewnia szczelny i stabilny kontakt opony z felgą. Zbudowany jest z dwóch zasadniczych części; rdzenia i jego gumowej obudowy – podgumowanej tkaniny kordowej. Ze względu na konstrukcję stopki mamy do czynienia z oponami dętkowymi lub bezdętkowymi.

Ściana boczna (bok opony)- konstrukcyjna cześć opony pomiędzy bieżnikiem a stopką wykonana z miękkiej mieszanki gumowej, mająca zasadnicze znaczenie dla amortyzacji całej opony. Zabezpiecza całą oponę przed uderzeniami, które mogłyby uszkodzić szkielet.
Warstwy usztywniające bieżnik to zbrojone cienkimi, ale bardzo wytrzymałymi drutami szczytowe warstwy opony. Układane ukośnie, warstwami i klejone między sobą. Muszą być wystarczająco sztywne w kierunku obwodowym opony, aby się nie rozciągać pod wpływem siły odśrodkowej, aby średnica opony była zawsze opanowana, niezależnie od warunków użytkowania. Muszą być także wystarczająco wytrzymałe w kierunku poprzecznym, aby wytrzymywać siły znoszenia. Ale równocześnie muszą być giętkie w kierunku pionowym, aby łatwo pokonywać przeszkody.

Osnowa (szkielet)- wewnętrzna warstwa opony złożona z cienkich drutów i tkanin ułożonych w proste łuki i sklejone kauczukiem. Drobne elementy stalowe są kluczowe dla konstrukcji opony, dają jej wytrzymałość na ciśnienie zapobiegając jednocześnie przed nadmiernym zniekształcaniu boków opony podczas pokonywania nierówności. W tej warstwie opony znajduje się około 1400 drutów, z których każdy ma wytrzymałość 15 kg.

Drutówka- konstrukcyjny element opony, dzięki któremu stopka posiada wysoką sztywność i wytrzymałość obwodową. Kształtem przypomina obręcz, która jest dopasowana do obręczy koła samochodu. Zastosowanie drutówki pozwala oponie na przenoszenie znacznych obciążeń rozciągających pochodzących z felgi. Drutówka połączona jest z osnową opony za pomocą wczepu, tj. gumowanej tkaniny kordowej i paska mieszanki gumowej, tzw. wypełniacza.

Opasanie jest warstwą materiału złożoną z cienkich nitek. Ułożona jest przeważnie wzdłuż środka opony pod bieżnikiem. Zwykle jest to kilka warstw. Opasanie wzmacnia oponę w przypadku uderzeń i wspomaga utrzymanie równomiernego kontaktu opony z nawierzchnią drogi.

Wzmocnienie boku- element opony wykonany z twardej gumy, odpornej na odkształcenia dynamiczne. Jest dodatkową częścią opony, nadającą jej sztywności.

Wewnętrzna warstwa uszczelniająca- warstwa specjalnego, miękkiego kauczuku pełniąca rolę dętki w oponach bezdętkowych.

Produkcja opon

Do produkcji opon wykorzystuje się wiele surowców, m. in.: różne rodzaje kauczuków, tkaniny kordowe, sadze, druty stalowe oraz substancje olejowe.

Kauczuk wpływa na elastyczność opony, co za tym idzie na jej przyczepność. Bardzo szybko się jednak zużywa i źle znosi niską temperaturę (poniżej 5-7 stopni powyżej zera twardnieje). Do lat 20-stych przy produkcji opon stosowano niemal wyłącznie kauczuk. Tak wykonane opony zużywały się po przejechaniu 3-4 tys. kilometrów. Szukano sposobu na podniesienie żywotności opony. Do mieszanki zaczęto używać sadzy, co nie tylko ją utwardziło, ale i nadało czarnego koloru.

W latach 70-tych udało się podnieść przyczepność i żywotność opon poprzez odkrycie Metzelera: wprowadzenie do mieszanki krzemionki. Krzemionka bardzo dobrze znosi niską temperaturę, zachowując swoją elastyczność i dlatego przewagę tego pierwiastka stosuje się przy produkcji opon zimowych.

Mieszanie

Proces produkcyjny zaczyna się od wymieszania kauczuków ze specjalnymi olejami, sadzą, przeciwutleniaczami, przyśpieszaczami i innymi dodatkami w tzw. maszynach Banbury'ego, które pracują pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Łączą wszystkie składniki w jeden materiał, który zostanie poddany wielokrotnemu rozdrobnieniu. Dobór składników decyduje o właściwościach otrzymanego produktu. Jest on ściśle chronioną tajemnicą każdego producenta. Końcowym efektem tego etapu jest uzyskanie mieszanki gumowej.

Rozdrabnianie

Schłodzona guma jest formowana w sztaby i transportowana do maszyn rozdrabniających. Guma jest tam cięta na pasy wykorzystywane do produkcji boków opon, bieżników lub innych części opony. Inny rodzaj gumy służy do pokrywania włókien przeznaczonych do budowy korpusu opony. Do budowy opon wykorzystuje się wiele rodzajów włókien, m.in. poliester, sztuczny jedwab lub nylon.

Przygotowanie elementów opony

Kolejnym etapem produkcyjnym jest przygotowanie elementów opony surowej, takich jak: osnowa, opasanie, czoło bieżnika, boki, wykładzina wewnętrzna, ekran, wypełniacz. Bieżnik, boki czy wypełniacz otrzymywane są z odpowiednich rodzajów mieszanek gumowych w procesie wytłaczania. Odpowiedni zarys szablonu, przy właściwym ciśnieniu i temperaturze nadaje kształt elementowi surowemu.

Przygotowanie elementów tkaninowo - gumowych i stalowo - gumowych odbywa się w procesie kalandrowania. Kordy, czyli tkaniny techniczne, pokrywane są obustronnie cienką folią odpowiedniej mieszanki gumowej. Powierzchnia tkanin pokrywana jest odpowiednimi środkami zapewniającymi przyczepność do gumy. Kordy tekstylne impregnowane są tzw. układem adhezyjnym lateksowo żywicznym, a włókna stalowe i druty pokrywa się mosiądzem lub brązem.

Następnie, po nagumowaniu, kordy są cięte na odpowiednią szerokość oraz pod wymaganym kątem. Otrzymujemy materiał do budowy części nośnej opony, czyli osnowy lub do opasania zapewniającego sztywność części czołowej opony. Drut stalowy, po nagumowaniu, zwijany jest w pierścień o odpowiedniej średnicy, a po wbudowaniu go w oponę służy do zamocowania jej na obręcz koła.

Pierwszy etap to wbudowanie drutówki wraz z wypełniaczem w warstwę kordu z wykładziną wewnętrzną pełniącą rolę dętki i nałożenie boków opony. Na tę formę nakłada się opasanie stalowe (kord stalowy nagumowany, ułożony w dwie warstwy o krzyżujących się niciach kordu). Wzajemne położenie warstw decyduje o parametrach jezdnych opony.

Wulkanizacja

Kolejnym etapem jest proces wulkanizacji. Oponę surową, pokrywa się płynami antyadhezyjnymi, zapobiegającymi przywarciu do formy lub membrany. Pod wpływem temperatury, mieszanki gumowe na skutek reakcji chemicznych przekształcają sie w ciało o jednorodnych własnościach - gumę posiadającą cechy elastyczne w szerokim zakresie temperatury.

Ostateczny kształt i wzór bieżnika opona uzyskuje w prasie wulkanizacyjnej. Oponę surową nakłada się na membranę i następuje zamknięcie prasy. Pod wpływem ciśnienia wewnątrz membrany oraz temperatury opona surowa wypełnia zarys w formie. Proces biegnie w ściśle określonym czasie oraz odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu. Zewnętrzny kształt opony wraz z rzeźbą bieżnika, oznaczeniami widocznymi później na boku opony, nazwą producenta i innymi danymi wymaganymi przez prawo odwzorowany jest na formie wulkanizacyjnej.

Kontrola

Zwulkanizowane opony poddawane są kontroli jakościowej. Na tym etapie egzemplarze wykraczające parametrami poza normy są odrzucane. Część wad, widocznych na powierzchni opony, wykrywają kontrolerzy, pozostałe – wyspecjalizowane maszyny. Wszelkie wady wewnętrzne lub uszkodzenia wykrywane są w prześwietleniu. Ponadto inżynierowie kontroli jakości rozcinają wybrane losowo opony i badają szczegółowo ich konstrukcję.

Technologia JLB (jointless band)

Dla poprawy stabilności przy dużych prędkościach zastosowano nylonową, bezszwową opaskę zbudowaną z trzech warstw, która redukuje odkształcanie się opony. Są to bezłączeniowe przekładki, które usztywniają konstrukcję oraz zapewniają odporność na działanie siły odśrodkowej.

Projektowanie opon jest kompromisem między żywotnością a przyczepnością. Nie wyprodukowano do tej pory mieszanki optymalnie zachowującej właściwości w temperaturach dodatnich i ujemnych oraz bieżnika odprowadzającego wodę, błoto i śnieg, a jednocześnie zapewniającego doskonałą przyczepność na asfalcie i lodzie.

Życie po życiu

Do niedawna najpowszechniejszym sposobem na pozbycie się zbędnych opon był wywóz do lasu, zakopanie, zatopienie lub wyrzucenie na nielegalne wysypisko śmieci. Rocznie na świecie powstaje powstaje blisko 1,2 miliarda zużytych opon.

Obecnie, każdy producent i dystrybutor opon ponosi tzw. opłatę produktową, określającą koszt recyklingu danej opony. Zbieranie opon odbywa się zaś za pośrednictwem różnego rodzaju organizacji odzyskowych, w Polsce Centrum Utylizacji Opon Organizacja Odzysku SA.

Paliwo Diesla

Pochodząca ze Stanów Zjednoczonych firma opatentowała sposób przetwarzania zużytych opon za pomocą ogromnej mikrofalówki na olej napędowy.

Zmielone wcześniej opony wkłada się do specjalnej kuchenki mikrofalowej. Po pewnym czasie, otrzymujemy paliwo do silnika Diesla, lekki gaz, którym można palić w piecu oraz odrobinę stali i grafitu. Stal można oddać na złom, a grafit, który nadaje oponom czarny kolor, da się z powrotem wykorzystać w produkcji ogumienia jako wysokiej klasy surowiec.

Dodatkowym plusem dla ekologii jest dodatni bilans energetyczny: paliwo uzyskane w procesie przetwarzania, daje więcej energii niż zużywa mikrofalówka do jego wytworzenia. Firma podaje, że z 9 kg zużytych opon można otrzymać 4,5 litra paliwa Diesla, ok. 1,4 metra sześciennego gazu i 3,4 kg grafitu.

Modyfikowany asfalt

Zużyte opony można z powodzeniem wykorzystać do zmodyfikowania nawierzchni drogowych, a dokładniej poprawy ich tzw. właściwości lepko-sprężystych.
Asfalt zmodyfikowany gumą wykorzystany może być jako lepiszcze mieszanek mineralno-asfaltowych stosowanych do tworzenia nawierzchni drogowych. Guma pęcznieje w asfalcie, wypełniając i utwardzając go. Mimo, że metoda wytwarzania takiego budulca nawierzchni nie należy do tanich, ma świetne właściwości jezdne: zwiększa odporność nawierzchni na powstawanie kolein, rzadziej pęka w niskich temperaturach oraz redukuje hałas wytwarzany w czasie ruchu pojazdów. Guma w połączeniu z asfaltem skraca drogę hamowania aż o jedną czwartą.

Za oceanem drogi wykonane z użyciem granulatu z gumy stanowią ok. 20%. W Polsce funkcjonuje nawet firma, która buduje takie autostrady, jednak mamy póki co jedynie 15 kilometrów takich dróg.

Jako energia cieplna

Guma jest dobrym nośnikiem energii. Jej wartość kaloryczna jest porównywalna z wartością kaloryczną węgla wysokiej jakości. Dlatego może być wykorzystana jako paliwo w piecach przemysłowych, głównie w cementowniach. Przystosowanie pieców do spalania takiego paliwa wymaga jednak sporych nakładów finansowych, ale koszta szybko się zwracają, bo cementownie za utylizację opon pobierają pieniądze. Opony mogą stanowić nawet do 20 procent spalanego paliwa. przez co kupują mniej węgla. Spalanie odpadów gumowych ma także inne zalety w porównaniu do spalania węgla – brak popiołu, zmniejszona emisja dwutlenku węgla oraz dwutlenku siarki, większa efektywność procesu oraz lepsza jakość wypalanego klinkieru.

Drugie życie opony

Bieżnikowanie opon to kolejny sposób na wykorzystanie zużytej gumy. Bieżnikowanie, w skrócie składa się z następujących etapów: ścięcie resztek starego bieżnika, przygotowanie powierzchni opony, nałożenie kleju, nałożenie podkładu, naklejenie nowego bieżnika, wulkanizacja. Opona bieżnikowana jest tańsza o 50 procent od nowej oraz można wykorzystać ponownie 75% jej masy. Rynek regenerowanych opon jest niewielki, stąd nikłe zainteresowanie tą metodą.

Inne zastosowania

Zużyte opony mają zastosowanie w wielu innych dziedzinach, np. inżynierii lądowej. Wykorzytuje się je chociażby przy: przy umocnieniach nabrzeży morskich, falochronach, sztucznych rafach, umocnieniach brzegów rzek, nasypach, drogach o dużym obciążeniu, umocnieniach zboczy, ścianach wygłuszających, wypełnieniach przyczółków mostowych, podkładach pod tory tramwajowe, placach zabaw, itp.

Bibliografia

1) Filmy przedstawiające produkcję opon firm:

- Dunlop,

- Brigetstone,

- Michelin.

2) Przegląd oponiarski nr 1/1999; Historia koła, gumy i opony

3) www.oponeo.pl

4) www.goodyear.com