Mineralní kompozit

První pokusy o využití betonu ve strojírenství začaly již roku 1917, kdy Georg Schlesinger vyrobil první podstavec obráběcího stroje z cementového betonu. Výhody cementového betonu, jako je vysoké tlumení a nízká tepelná roztažnost, však nemohly v té době převážit nad nevýhodami, jako je vysoký stupeň opotřebování funkčních částí a nízká odolnost proti chemikáliím (oleje, chladicí emulze atd.). I přes veškeré výztuhy a předpětí bylo velice brzy jasné, že cementový beton není vhodným materiálem pro obráběcí stroje.

Teprve na konci 70. let 20. století došlo k oživení této problematiky a jako pojiva se začalo místo cementu používat umělé pryskyřice. Tento materiál se začal označovat jako polymerbeton, přičemž ve strojírenství se rozšířil název minerální kompozit.Především díky svým technickým vlastnostem a příznivé ceně se v současné době stávají odlitky z minerálního kompozitu adekvátní alternativou svařovaným konstrukcím a odlitkům ze šedé litiny.

Vysoká schopnost tlumení rázů, odolnost proti agresivním a abrazivním materiálům, nízká tepelná vodivost a konstrukční variabilita umožňují za použití správné konstrukce snížení nákladů o 20 až 30 %, což slibuje tomuto materiálu úspěšnou budoucnost.Z minerálního kompozitu mohou být vyráběny odlitky v řádu několika kilogramů až několika tun, což dává široké možnosti pro jeho využití. Největší část odlitků je v současné době určena pro lože a podstavce výrobních a obráběcích strojů, které našly využití ve všech průmyslových odvětvích.V současné době patří k největším výrobcům švýcarská firma Schneeberger, která ve spolupráci s vědecko-technickým institutem Inspire určuje směry ve vývoji a využití minerálního kompozitu.

Plnivo různé zrnitosti (0 - 16 mm) tvoří přibližně 80 % celkového objemu směsi a má vedle stupně zhutnění zásadní vliv na výslednou strukturu a kvalitu minerálního kompozitu. Plnivo musí splňovat určité mechanické vlastnosti, jako E-modul, pevnost v tahu a v tlaku, teplotní roztažnost a tepelnou kapacitu. Jako plnivo se používají minerální materiály - čedič, žula, křemenec, bazalt, slída, živec. Příměsi plniva, drobné částice do velikosti 1 mm, slouží k vyplnění pórů a lepší zpracovatelnosti minerálního kompozitu. Jako příměsi se používají jak minerální, tak i neminerální materiály - sklo, šedá litina, ocel.Podobně jako u cementových betonů, i zde se k určení optimální směsi využívá Fullerovy a Thompsonovy křivky zrnitosti, z nichž je patrné, že minerální kompozit musí pro dosažení co možná nejlepších mechanických vlastností vykazovat kompaktní strukturu s co možná největšími zrny.

Maximální velikost zrna je ovlivněna velikostí a tvarem odlitku, respektive tloušťkou stěny, která je pěti- až osminásobkem maximální velikosti zrna.Pojivo je dvoukomponentní a skládá se z pryskyřice a tvrdidla. Množství pojiva v celkovém objemu je přímo úměrné stupni zhutnění a pro dosažení optimálních mechanických vlastností by měl být celkový podíl pojiva co možná nejnižší. V praxi to odpovídá přibližně zbývajícím 20 %. Nejčastěji používané pojivo je epoxidová pryskyřice, která se vyznačuje nízkou viskozitou, což je nutný předpoklad pro dobrou tekutost směsi, dále pak dobrými mechanickými a chemickými vlastnostmi, dlouhou dobou zpracovatelnosti a pomalým vytvrzováním. Pojivo na bázi epoxidové pryskyřice ztrácí při teplotě 75 °C své mechanické vlastnosti, což znamená, že odlitky z minerálního kompozitu není možné použít do provozu s teplotou vyšší než 75 °C.

Neustále se zrychlující výrobní procesy kladou stále větší nároky na mechanické vlastnosti materiálů, jakož i na jejich konstrukční variabilitu.Odlitky z minerálního kompozitu tlumí rázy a chvění 8x rychleji než odlitky ze šedé litiny, čímž se zvyšuje kvalita obráběné plochy a životnost nástrojů až o 30 %. Díky příznivým dynamickým vlastnostem dochází k poklesu hlučnosti strojů až o 20 % a snižuje se velikost vibrační amplitudy.Velký význam na kvalitu obráběné plochy a životnost nástrojů má vznikající teplo při výrobním procesu. Zdroje tohoto tepla mohou být jak vnější (cirkulace vzduchu, teplotní spád), tak vnitřní (hydraulika, motory, vedení). Díky nízké tepelné vodivosti a vysoké tepelné kapacitě nereagují odlitky z minerálního kompozitu na krátkodobé teplotní změny, což má za následek vyšší přesnost výrobních strojů, respektive vyráběných obrobků.V porovnání s konvenčními výrobními stroji nepodléhá minerální kompozit korozi, což snižuje náklady na povrchovou úpravu. Dále pak vykazuje odolnost proti konvenčním chladicím emulzím, obvyklým mazacím a čisticím prostředkům, jakož i hydraulickým olejům a dielektriku.Výroba minerálního kompozitu probíhá oproti oceli a šedé litině při teplotě ovzduší, tedy při zhruba 20 °C, bez externího přívodu tepla, což snižuje náklady na energii o 20 až 40 %.Malé vnitřní pnutí a minimální smrštění minerálního kompozitu umožňují výrobu odlitků s konečnou přesností, čímž klesají náklady na obrábění. V praxi se využívá obrábění (broušení) pouze u funkčních ploch k dosažení požadovaných tolerancí.Oproti oceli a šedé litině vykazuje minerální kompozit nízkou tuhost a pevnost, což je kompenzováno odpovídající tloušťkou stěny a vede i přes nízkou hustotu minerálního kompozitu k vyšší hmotnosti odlitku - cca o 20 %.

Při výrobě forem se používá dřevo, ocel, hliník a plasty. Volba materiálu formy závisí především na počtu odlévaných kusů, požadované přesnosti a na velikosti, respektive hmotnosti odlitku. Tímto jsou dány tři základní typy forem - dřevěná, kombinovaná a ocelová.Dřevěná forma se používá v prototypové a kusové výrobě (10 až 20 ks), kde se optimalizují konstrukční a technologické vlastnosti odlitku. Jelikož je dřevo přírodní materiál, který reaguje na změnu vlhkosti, vykazují formy nízkou tuhost a životnost.Pro dosažení vyšší tuhosti a nižšího opotřebení jsou dřevěné formy pokryty hliníkovými pláty, což vede k prodloužení životnosti formy a zvýšení přesnosti odlitku. Tyto formy se využívají v kusové a malosériové výrobě. Ocelové formy se vyznačují vysokou přesností a tuhostí, kvalitním povrchem a časovou stálostí a vzhledem k vysoké ceně jsou použity v sériové výrobě.

Před montáží formy jsou jednotlivé části důkladně očištěny. Na takto připravenou plochu je nastříkán vosk. Po zaschnutí vosku je na formu nanesen dvoukomponentní polyuretanový lak (0,2 mm) nebo tzv. Gelcoat (0,5 až 2 mm), což umožňuje bezproblémové vyjmutí odlitku z formy a zároveň slouží jako základová barva výrobku. Integrované funkční části jsou očištěny a odmaštěny, čímž se zajistí dokonalá přilnavost. Takto připravené díly jsou připevněny na jednotlivé desky, které jsou posléze smontovány a připevněny na vibrační stůl.Do takto připravené formy je odlévána směs minerálního kompozitu, která je zpracovávána v mísicím zařízení. Plniva a pojiva jsou zpočátku promíchána odděleně. Na závěr se smísí pojivo s plnivem a vzniklý minerální kompozit je pomocí licí nádoby odléván do připravené formy. Pro dosažení kompaktní struktury dochází během odlévání ke zhutňování minerálního kompozitu vibracemi dle předem stanovených parametrů - frekvence, amplituda.Po odlití dochází k vytvrzování na základě exotermické reakce, při níž se odlitek ohřeje na teplotu max. 60 °C. Doba vytvrzení je závislá na velikosti odlitku a okolní teplotě. Středně velký odlitek o hmotnosti cca 2500 kg je odléván přibližně 100 minut. Osm až dvanáct hodin po odlití je připraven k vyjmutí z formy, přičemž ke konečnému vytvrzení dochází po 6 až 8 dnech. Až po této době mohou být funkční plochy obráběny.

Ing. Luboš Krušina

krusina@inspire.ethz.ch

INSPIRE AGSCHNEEBERGER AG

//www.inspire.ethz.ch/

//www.schneeberger.com/