Témata
Zdroj: FEL ČVUT

Cesta k extrémně nízkému tření

Problémy vznikající třením se řeší od nepaměti. Ke snížení tření se nejčastěji používají nejrůznější lubrikanty. Ty však mají své limity. Jako alternativa se nabízejí tzv. samomazné povlaky v podobě tenkých vrstev připravených elektrotechnicky či pomocí plazmových technik.

Prof. Tomáš Polcar

Vystudoval obor energetiky na Fakultě strojní ČVUT v Praze a pokračoval tamtéž v doktorandském studiu v oboru matematického a fyzikálního inženýrství. Po získání doktorátu v roce 2005 pracoval jako výzkumník na Universida de de Coimbra v Portugalsku. V roce 2009 se vrátil na ČVUT, tentokrát na Fakultu elektrotechnickou, a založil Skupinu pokročilých materiálů. V roce 2011 rozdělil své aktivity mezi ČVUT (jmenován profesorem v roce 2015) a University of Southampton ve Velké Británii (chair v roce 2016). Jeho výzkum se zaměřuje na problematiku tenkých povlaků připravovaných magnetronovým naprašováním, tribologii a vývoj nových nanostrukturních slitin. Získal řadu mezinárodních (koordinátor dvou projektů H2020, celkem 6 projektů EU) i národních (OPVVV, GAČR, TAČR, MPO) projektů ve výši přesahujících 300 milionů korun. V roce 2014 založil start-up ČVUT AdvaMat.

Tření a s ním spojená ztráta energie mají významný dopad na společnost. Odhaduje se, že energie potřebná k překonání tření spolu s příslušnými náklady na údržbu činí až 5 % HDP. Většina energie se přemění na teplo, což má za následek nežádoucí změny povrchu, jako jsou oxidace a změna mechanických vlastností materiálů. Kromě toho je vysoké tření často spojeno s opotřebením, které nezřídka vede ke snížení životnosti a druhotným nežádoucím efektům, jako vibracím či produkci otěrových částic. Běžným způsobem, jak snížit tření, je použití maziv. Koeficient tření tradičních technických materiálů, např. oceli či keramiky, je obvykle vyšší než 0,5 pro tření za sucha, ale nižší než 0,1 pro mazaný kontakt. Tekutá maziva mají však své limity – nemohou pracovat v extrémních podmínkách, jako jsou velmi nízká či naopak vysoká teplota, vakuum, velká změna kontaktních tlaků apod. Standardní oleje se navíc vyrábějí z ropných produktů a mnohdy obsahují toxické chemikálie se značným dopadem na životní prostředí. Jako alternativa se v posledních letech nabízejí samomazné povlaky, které buď úplně eliminují tekuté lubrikanty, nebo alespoň nahradí toxická aditiva v olejích. Tyto povlaky jsou vytvářeny v podobě tenkých vrstev připravených elektrochemicky či pomocí plazmových technik.

Existuje široká škála pevných materiálů vykazujících nízké tření, například polymery jako teflon. Ty však selhávají za vyšších teplot, což se projevuje nedostatečnou odolností proti otěru. Pro teploty v rozmezí –150 °C až 250 °C simulace tření na atomární úrovni označují za hlavní kandidáty s dostatečnými mechanickými vlastnostmi uhlík a disulfidy či diselenidy přechodových kovů (nejpoužívanější je disulfid molybdenu – MoS2). Princip nízkého tření u těchto materiálů je obdobný díky vysoce anizotropní vrstvené struktuře s velmi slabou vazbou mezi vrstvami. Mimochodem, díky nízkému tření grafitu můžeme snadno psát tužkou a asi nás ani nenapadne, že po sobě kloužou nízkodimenzionální uhlíkové struktury. Pouhé dva plátky grafenu už mohou v jistých případech zajistit superlubricitu. Provedené simulace doplněné experimenty navíc naznačují, že kombinace různých dvojrozměrných materiálů, například MoS2 a grafenu, může součinitel tření snížit až na jednu miliontinu. To možná nezní atraktivně, ale s tak malým třením bychom stotunovou sochu odtlačili jedním prstem.

Formy jsou jednou z potenciálních aplikací samomazných vrstev. (Zdroj: FEL ČVUT)

Proč tedy nejsou samomazné materiály používány více?

Dvojrozměrné materiály jsou sice atraktivní pro výzkum a pro velmi specifické aplikace, jako jsou mikroelektromechanické systémy – MEMS –, těžko je však aplikovat na broušený nebo leštěný povrch. Navíc je jejich příprava velmi drahá a energeticky náročná. Testují se i jako přísada do olejů, kde mohou nahradit stávající aditiva, i zde se však jedná spíše o testování než o běžný provoz. Běžné krystalky grafitu či MoS2 nemají dostatečnou odolnost vůči otěru; výše zmíněná tuha sice dobře maže, ale lze ji lehce setřít. Oba typy materiálů jsou citlivé na vnější prostředí, kdy například MoS2 snadno oxiduje. Je tedy nutné připravit takový materiál, který by dodal do kontaktu pevné mazivo a zároveň vydržel mechanické namáhání.

MoS2 v kombinaci s grafitem dokáže téměř eliminovat tření. (Zdroj: FEL ČVUT)

Nejvhodnější kandidáti

Uhlíkové vrstvy (DLC – diamond-like carbon) jsou dnes nejpoužívanějším povlakem s nízkým třením. Najdeme je v automobilovém průmyslu, v hodinkách i na nožích. Jejich hlavní předností je vysoká tvrdost a houževnatost, relativně snadná příprava a chemická stabilita. Nejlépe mažou ve vlhkém vzduchu, kdy se na povrchu vytvoří tenká grafitická vrstvička a zároveň dojde k saturování volných vazeb uhlíku vodíkem. Ve vakuu, v suchých plynech a za vyšší teploty však jejich součinitel tření obvykle narůstá; výjimkou jsou povlaky s velmi vysokým obsahem vodíku, které jsou však velmi měkké a nestabilní i za nižších teplot. Klasické DLC vrstvy mají součinitel tření pro kontakt se standardními materiály, např. ocelí, okolo 0,1, což je o dva řády výše než limit pro superlubricitu (součinitel tření za sucha nižší než 0,001).

Jako poslední kandidáti tak zbývají dichalkogenidy. Stejně jako DLC vrstvy i tyto lze připravit pomocí plazmových metod, nejčastěji magnetronovým naprašováním. Nedostatečné mechanické vlastnosti se pak výrazně zvýší díky použití dopantů – například vrstvy MoS2 dopované titanem byly uvedeny na trh již před dvaceti lety firmou Teer ve Velké Británii a stále se používají. Bohužel se ukázalo, že tyto materiály sice výborně fungují ve vakuu, ale často selhávají v běžné atmosféře. Není proto překvapivé, že se výzkum po čase zaměřil i na kombinaci DLC vrstev, které mají nízké tření ve vlhkém vzduchu, a dichalkogenidy. První výsledky skupin v USA však nebyly jednoznačné – otěr vrstev byl vysoký a způsob přípravy vrstev neekonomický.

Převod aktuátoru pro L-39NG povlakovaný samomaznou vrstvou. (Zdroj: FEL ČVUT)

Další výzkum, který vedla hlavně Skupina pokročilých materiálů na Fakultě elektrotechnické na ČVUT v Praze, však postupně odstraňoval výše uvedené nedostatky. WS2-C vrstvy dosáhly tvrdosti až 10 GPa, což odpovídá úrovni nejtvrdších ocelí, a snesly velmi vysoké zatížení. Třecí součinitel MoSe2-C klesl až na 0,005, tedy na samou hranici superlubricity. Tyto vrstvy jsou vlastně adaptivní – teprve třením se z nich stane dokonalý samomazný materiál. V počáteční fázi kontaktu dojde ke zformování nesmírně tenké (několik jednotek až desítek nanometrů) povrchové vrstvičky, která se skládá výhradně z krystalického dichalkogenidu. Ta nejenže zajistí nízké tření, ale chrání povrch i proti oxidaci a mechanickému poškozeni. Postupně se podařilo experimentálně určit, který TMD materiál je nejvhodnější pro různé podmínky – WS2 je vhodný i pro vyšší teploty (cca 300 °C), MoS2 nejlépe maže ve vakuu a suchém vzduchu, kdežto MoSe2 je optimální pro tření ve vlhkém vzduchu. Tyto experimentálně dosažené výsledky nyní doplňují atomistické simulace chování těchto materiálů za různých podmínek. Můžeme tak predikovat, jaký typ TMD je optimální ke snížení tření za daných podmínek.

Mikrostruktury s trojicemi drážek hlubokých 650 nm přímo v tenké vrstvě. (Zdroj: FEL ČVUT)

Samomazné povlaky do praxe

Výzkum se postupně přesouvá do vývoje. Základní výzkum hrazený z projektů GAČR a EU pokračuje aplikovaným vývojem ve spojení s evropskými (EU projekt Lubricoat) i českými průmyslovými partnery (projekt Nano, CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008396). V posledně jmenovaném se spojil FEL ČVUT s firmami Hofmeister a Šlechta. Společně se snažíme co nejrychleji přesunout slibné samomazné povlaky do průmyslové praxe. Některé vrstvy už byly komerčně nasazeny ve spolupráci s dalšími českými podniky, například v aktuátorech pro bojová letadla L-39NG vyráběných firmou Jihlavan. Nyní stojíme před novou výzvou – tepelným namáháním při tření. Klasické mazivo kromě snížení tření také odvádí teplo z třecího kontaktu, což je mnohem efektivnější než chlazení na vzduchu. Samomazné vrstvy se i přes nízké tření mohou zahřívat a postupně degenerovat. S firmou Hofmeister tak studujeme možnosti laserového mikrostrukturování povrchu, které umožní efektivní chlazení. Unikátní je přímá úprava již deponovaných povlaků, kdy úběr materiálu může činit jen desítky nanometrů v povlaku. Firma Šlechta, zabývající se magnetronovým naprašováním, pak vylepšuje uhlíkovou fázi tak, abychom dosáhli optimálních hodnot tvrdosti a houževnatosti.

Dosavadní slibné výsledky a úspěšné aplikace (vrstvy testovala i US Army) naznačují, že se v brzké době na trhu objeví nový povlak schopný v mnoha případech omezit či zcela eliminovat použití olejů či vazelín.

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit