Témata
Reklama

Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

Stanovení materiálových vlastností všech objektů patří mezi základní požadavky technické praxe. Vizitkou každého materiálu je soubor vlastnosti, na jejich základě je daný materiál předurčen pro konkrétně zatěžované součásti. Jsou to například mez kluzu Re a Rp0.2, mez pevnosti v tahu Rm, Youngův modul pružnosti v tahu E, exponent n a koeficient K deformačního zpevnění. Pro standardní statickou zkoušku v tahu se používají zvlášť vyrobené normalizované tyče, které jsou osově namáhané do konečného porušení (roztrhnutí). Tyto mechanické zkoušky se provádějí na speciálně vyrobených trhacích strojích různého zatížení a velikosti.

Reklama
Reklama

Jak probíhalo řešení?

Vzhledem k tomu, že autoři pocházejí z Ústavu materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze, vznikl nápad na rychlé metody měření na tomto pracovišti. Pracovnici ústavu materiálového inženýrství se setkávají s problémem ověřovaní mechanických vlastnosti malých nebo tenkých součástek, ze kterých nelze vyrobit zkušební tyče. Zadavatelé technických úloh požadovali rychlé určení, případně porovnaní materiálových vlastností, podle deklarovaných norem. Je známé, že vnikací metody do materiálů (jako měření tvrdosti) jsou rychlé a dobře ovladatelné. Z toho důvodu byl navržen indentor kulového tvaru, který by mohl být vtlačován do povrchu různých materiálů. Na základě poznatků o elasticko-plastickém chovaní materiálu mohla být sledována jeho odezva na lokální plastickou deformaci.
Ke vzniku měřicího systému přispěla skuteč¬nost, že autoři pracovali v letech 2014–2015 na projektu, díky němuž mohla být tato problematika řešena komplexně, to znamená zatěžování indentoru a jeho odezva v povrchu materiálu. K urychlení vypracovaní konstrukčního návrhu byli využité návrhy 3D modelu (obr. č.1). Reálné zařízeni je již v současnosti využíváno ke konkrétním zkouškám a prezentaci pro zájemce o toto měření a případnou spolupráci.

Obr. 1. 3D model zařízení

Historie vývoje indentačních metod

Princip vtlačování indentoru kulového tvaru do povrchu materiálu je již známý ze zkoušek tvrdosti (metody Rockvell a Brinell). Velké pokroky v jeho automatizaci byly aplikovány v letech 1970 až 1990, přestože o možnosti vypočtu pevnostních charakteristik materiálů a materiálových vlastností z hodnot tvrdosti se již hovořilo dávno. V inženýrské praxi byly sestaveny tabulky umožňující zjištěni hodnot meze pevnosti Rm na zaklade tvrdosti HB (platí pro oceli a litiny), které byly později normovany. V letech 1950 až 1970 o vztazích mezi pevností materiálu a tvrdosti psali významní vědci, jako R. Hill (Cambridge, 1950), D. Tabor (Oxford, 1951), K. L. Jonson (Cambridge, 1970 a 1985). Ale ještě předtím někteří z teoretiků, jako například v bývalém Sovětském svazu akademik A. J. Ishlinsky (A. J. Ishlinsky – The problem of plasticity with axial symmetry and Brinell’s test, 1944), potvrdili pomocí matematicko-fyzikálního modelovaní, že existuje dokonce vztah mezi mezí kluzu materiálu a číslem tvrdosti HB. Jak je vidět, uvedený princip vtlačování indentoru má bohatou historii a teoretickou podstatu. Dá se říci, že první automatické zařízení a instrumentované systémy pocházejí minimálně z roku 1980 až 1990. Vývojem těchto zkoušek se stále zabývají vědecká pracoviště z USA, Koreje, Ruska atd. Některá z nich dostala své systémy na velmi vysokou technickou úroveň a distribuují je po celém světě.

Základní úvahy o technologii

Prezentovaný přistroj je plně automatizované, multifunkční zařízení na zkoušení materiálových vlastností různých druhů strojírenských materiálů, jako jsou například tvrdost HB, mez pevnosti Rm, mez kluzu Rp0.2, modul pružnosti E nebo exponent n a koeficient K deformačního zpevnění. Metoda je nedestruktivní (což se u statické zkoušky nedá vyloučit), není proto nutné vytvářet zvlášť vzorky, díky čemuž se šetří čas a náklady na jejich výrobu. Získání množství parametrů z jednoho rychlého a jednoduchého měření přináší flexibilitu, což znamená, že i během provozu, při vývoji, ve výrobě nebo zpracování materiálu je možné zjistit změnu jeho materiálových vlastností. Tím se tato metodika stává expresní, protože jakákoliv změna chování materiálu může být signálem k následné kontrole, opravě nebo případně k přehodnocení technologického postupu výroby či vývoje. Obvykle se v průmyslu a výzkumu k plnění takového úkolu používá několik zkoušek na různých zkušebních přístrojích (tvrdoměry, trhací stroje, rázová kladiva apod.). Ale v některých případech se tyto zkoušky nedají aplikovat z následujících důvodů, například: malý objem materiálu, ze kterého se nedají připravit standardní vzorky, časový limit, když je potřeba rychle zjistit vlastnosti a následně změnit něco v technologickém procesu nebo kvůli složitosti tvaru konstrukce či výrobku, na kterém je potřeba zjistit distribuci mechanických vlastností.

Součástí prezentovaného měřicího systému je speciální software napojený na zařízení, který je uživatelsky příjemný a zároveň schopný zpracovávat průběžně získané hodnoty do protokolu (uvedeného na obrázku). Pro obsluhu a provoz zařízeni není nutností náročné zaškolování personálu. Bereme-li v úvahu, že tato zkušební metoda je aplikovatelná na jakýkoliv kovový materiál, mohou získané veličiny sloužit jako vstupní materiálové vlastnosti pro další výpočtové metody, kde lze na základě modelování souběžně predikovat budoucí chování zatěžovaného materiálu v daných konstrukčních prvcích. Výhodou přístroje je jeho možnost připojení na notebook či tablet.

Obr. 2. Instrumentovaná měřicí soustava Expimer pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou

Informace o softwaru

Návrh software vycházel z předpokladu modulární koncepce. Obslužná aplikace pracuje pomocí PC s přehledným uživatelsky přátelským grafickým rozhraním. Tato aplikace byla implementována v jazyce C#. Znázornění hlavního okna programu je patrné z obrázku 3. Aplikace dovoluje pružně nastavovat parametry experimentu (čas, rychlost, hodnoty zatížení, počet cyklů), spustit a kdykoliv zastavit měření, ovládat pohony, ukládat naměřené hodnoty a data do protokolu v PDF formátu nebo exportovat do Excelu.

Užitečné vlastnosti měřicího systému Expimer

Mezi výhody výše prezentované metodiky zkoušení patří dostatečná přesnost měření, statistický počet snímaných dat a možnost rychlé, flexibilní kontroly i v terénu. Jedná se o nedestruktivní metodu měření a je možné ji využít pro kontrolu vlastnosti kovového materiálu, pro určení zbytkové životnosti konstrukčních prvků a strojírenských dílů. Výhodou je i rychlé porovnávání mechanických vlastností různých druhů strojírenských materiálů při jejich nákupu, průběžné ověřování mechanických vlastností různých druhů strojírenských materiálů při výrobě, vývoji a zpracování materiálů nebo kontrolu v mezioperačních stadiích.
Expimer vyniká svými malými rozměry, jednoduchým softwarem i obsluhou. V současnosti existuje několik variant tohoto zařízení a do budoucna bude k dispozici i miniaturní zařízení pro ruční měření či pro měření v kapalných a agresivních prostředích a v dalších extrémních podmínkách (např. při vysoké teplotě nebo vlhkosti).

Obr. 3. Znázornění hlavního okna programu a zpracování naměřených dat do protokolu
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Závěrem

Představené zařízení rychlého určování vybraných materiálových vlastností najde v současné době široké uplatnění jednak v metalurgických procesech po primární krystalizaci a jednak ve výrobních, montážních a technologických firmách a ve všech průmyslových odvětvích, které jsou závislé na nákupu a dodávkách materiálu od externího dodavatele domácího či zahraničního. Tato progresivní technologie rychlého určování materiálových vlastností zabrání záměně materiálů a tedy snížení finančních nákladů na kvalitní výrobu.

Autoři článku věří, že si toto zařízení najde uplatnění na domácím i zahraničním trhu a bude velmi prospěšným v současné dynamické době technologických převratů.

Zařízení vzniklo v rámci projektu „Materiálový výzkum pro InovaSEED“, reg. č. CZ.1.05/3.1.00/14.0301, který je spolufinancovaný z Evropského fondu pro regionální rozvoj prostřednictvím Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a LO1207 účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“ MŠMT.

FS ČVUT v Praze, Ústav materiálového inženýrství
Max Puchnin, Františka Pešlová

maxim.puchnin@fs.cvut.cz

//umi.fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 160550
Datum: 11. 05. 2016
Rubrika: Výroba / Měření
Autor:
Firmy
Související články
Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

Související články
EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Statika a dynamika obráběcích strojů

V současné době je u obráběcích strojů hodnoceno především dobré statické a dynamické chování. Lepších statických a dynamických vlastností mohou výrobci obráběcích strojů dosáhnout plným vyu-žitím potenciálu konstrukce stroje.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Měření velikosti a tvaru částic

Německá společnost Sympatec se vydala začátkem dubna na turné. Soubor přednášek s hlavním cílem představit uživatelům možnosti a výhody sofistikovaných přístrojů dostal název PM Tour. Písmena PM pod sebou skrývají anglický výraz particle measurement neboli měření částic. Na velikosti částic velmi záleží, neboť mohou ovlivňovat vlastnosti finálního produktu (cement, farmacie, kovové prášky, potravinářství apod.). Turné po evropských zemí pořádala polská společnost Atest. Na českém a slovenském trhu společnost Sympatec zastupuje Josef Chromý.

Revoluce v měření přišla s analogovým signálem

Když se dnes bavíme o moderních výrobních postupech, máme často na mysli využívání high-tech technologií, které je snahou stále více propojovat, automatizovat a sledovat. Tyto přístupy pomáhají výrobcům transformovat jejich výrobní procesy až do stadia nejvyššího – takzvané cyber factory –, přičemž vysoká jakost vyráběných dílů a úspora nákladů během výrobních procesů hrají nejdůležitější roli. Z tohoto jasně vyplývá nutnost investice také do měřicích systémů.

Jak zpracovat plán kontroly a údržby

V České republice je v provozu vedle velkých zpracovatelských průmyslových celků také překvapivě velké množství celků středních a malých. Dostupné statistiky hovoří o desítkách tisíc podnikatelských subjektů, které provozují technické celky ve zpracovatelském průmyslu. Pro všechny tyto celky, bez ohledu na jejich velikost, složitost, nebo stáří platí jedna základní skutečnost. Jejich porucha může v důsledku znamenat zastavení produkce se všemi důsledky.

Laserový měřicí systém pro seřizování nástrojů

Při frézování a vrtání nástroji velmi malých rozměrů se pro seřízení a kontrolu zlome-ní nástroje používá laserový měřicí systém. Pomocí tohoto přístroje lze vyrábět rychleji, s vyšší přesností a s vyšší spolehlivostí.

Standardní prostorové hodnocení textury povrchu

Mezinárodní standard ISO 25178 - 2 : 2012 (E) "GPS - Surface texture : Areal" představuje významný kvalitativní pokrok v hodnocení textury povrchu, především z hlediska posuzování jeho funkčních vlastností.

Přesné upínání pro měřicí techniku

Měřicí technika je jednou ze základních součástí průmyslových výrobních procesů, výzkumu a vývoje i mnoha dalších aplikací. Kromě řídicí technologie patří mezi další klíčové požadavky možnost automatizace a vhodnost pro Průmysl 4.0.

Plná digitalizace v systémech zajištění kvality

V posledních době se pojem Průmysl 4.0 stal běžnou součástí našeho života. Co se však za tím skrývá? Cílem této velké změny je vytvořit plně „digitalizovaný systém“, který umožní flexibilní výrobu v celém jejím cyklu. Bude minimalizovat lidské vlivy a optimalizovat na základě získaných dat všechny složky výrobního procesu. To znamená počínaje vývojem a konstrukcí počínaje přes předvýrobní etapy a nákup materiálu až po samotnou výrobu vč. zajištění kvality a distribuci finálních produktů.

Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem 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