Témata
Zdroj: VUT v Brně, FSI

HiPIMS – technologie pro tvorbu odolných povlaků

V dentální chirurgii používaný amalgám vynalezli kolem roku 1370 Arabové a po staletí ovládli umění účinně vyspravovat zubní dutiny. Smíchaná pasta stříbra a rtuti dobře vyplňovala zub a ztuhla do potřebného tvaru, během tuhnutí nabývala na objemu, a bránila tak průniku bakterií. Podobné principy vyplnění různých materiálových vrubů jsou vysoce ceněny i dnes, protože tyto ostré vruby bývají nukleačním místem řady trhlin a koroze, a v případě tahové napjatosti vedou k rozevření boků trhlin a lomovému porušení namáhaných dílců.

Prof. Miroslav Píška

Univerzální obráběč kovů, 48 let praxe a výzkumu v technologii obrábění a materiálovém inženýrství. Zakladatel a spoluzakladatel konferencí Frézování/Milling (5 ročníků),  NewTech (7 ročníků) a zástupce ČR ve vědecké konferenci New Trends in Fatigue and Fracture (NT4F, 20 ročníků). Člen předsednictva Svazu nástrojáren české republiky. Je profesorem oboru Strojírenská technologie na FSI VUT v Brně. 

Scopus ID 650795955

ORCID iD 0000-0002-1873-3750

H-index (Scopus): 9 , 40 dokumentů, 307 citací  v 295 dokumentech
H-index (WOS): 8, 28 dokumentů, 209 citací v 205 dokumentech
Celkem: 316 publikací, 1 305 citaci v odborných pracích

Další publikace pro MM Průmyslové spektrum: 

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Materiály pro řezné nástroje, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.84-95, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie frézování, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.26-46, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie soustružení, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.6-22, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vrtání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.52-61, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vyvrtávání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.64-68, ISSN 1212-2572

PÍŠKA, M., HUMÁR, A.: Testování řezivosti nových nástrojových materiálů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.98-108, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Upínání rotačních nástrojů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.70-82, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M., PODRÁBSKÝ, T.:  Frézování kompozitů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2000, (2000), No.4, pp.14-15, ISSN 1212-2572

Kristýna Holková

Absolventka Gymnázia Matyáše Lercha v Brně, s aktivní znalostí několika světových jazyků. Studentka FSI VUT v Brně, věnující se inovacím v materiálových vědách pomocí elektronové mikroskopie a pokročilých metod studia integrity povrchů a vlastností řezných nástrojů.

Reklama

Vyplnit ostré vruby určitým materiálem, zajistit adhezi k původnímu materiálu, nezpůsobit změnu fází či extrémní zhrubnutí zrna (například svarovým spojem) není jednoduché. Týká se to zvláště křehkých materiálů, které jsou na vruby citlivé, neboť nedokážou tlumit lokální špičková napětí plastickou deformací na špici trhlin. Povrchové napětí a kapilární jevy u jiných technologií brání částicím materiálu v průniku do větších hloubek. Podobně je tomu u nejrůznějších metod nástřiku materiálů. Galvanické metody pokovení nanášejí zpravidla materiály s jiným chemickým složením a odlišnými mechanickými vlastnostmi.

Proto se nabízejí moderní metody povlakování, založené zvláště na fyzikálních metodách povlakování – tzv. PVD, nanášející vrstvy na atomární úrovni. Metody založené na obloukovém napařování však zpravidla nelze využít, protože oblouk se vytváří zejména na povrchu vodivého tělesa, s nejvyšší hustotou na ostrých hranách. Takto se mohou vytvořit krystalizační jádra na okrajích povrchové trhliny a v těchto místech může dojít k přednostní krystalizaci (tzv. „antenna effect“), trhlina se překlene, ale nevyplní. Dále hrozí možnost snadného odlomení tohoto místa při prvním zatížení součásti a vytvoření nové, drsné lomové plochy. Na lomové ploše se zpravidla začne ihned tvořit nárůstek, který začne měnit rozměry tvářených či obráběných součástí, zarývat se do povrchu, odlamovat, zhoršovat integritu povrchu atd.

Obr. 1. Analýza hloubkové účinnosti HiPIMS povlakování: (a) fréza a poloha kalotestu (b), (c) okraj výbrusu a detail místa analýzy (d), (e) EDS analýza distribuce prvků povlaku, (f) zacelení rýhy povlakem. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Vysokovýkonné impulzní magnetronové naprašování

Účinnou metodou se stává magnetronové naprašování, které spočívá v odprašování materiálu z pevného targetu kladnými ionty v plazmatu, a následné kondenzaci těchto částic na povrchu materiálu. Pokud se navíc použije tzv. technologie HiPIMS (High power impulse magnetron sputtering – vysokovýkonné impulzní magnetronové naprašování), pak mohou částice získat vysokou energii 10 kW.cm−2 při extrémních hustotách plazmatu až 1 013 iontů.cm−3, v krátkých impulzech v čase několika mikrosekund. Takto lze docílit mimořádné pronikavosti částic do hloubek až několika desítek milimetrů do povlakovaných dílců, a zcela vyplnit i velmi jemné povrchové vrypy (obr. 1). Tato technologie má za následek tvorbu strukturně velmi jemných, ale tvrdých vrstev, které chrání například povlakované nástroje proti abrazivnímu opotřebení, brání přenosu tepla z tvářeného místa a snižují tření v místě kontaktu s tvářeným materiálem. To se osvědčuje pro celou řadu aplikací u tvářecích nástrojů (viz článek v časopisu MM Science Journal 11/2022) i u řezných nástrojů, zvláště povrchově členitých, kde lze očekávat stínicí efekt jiných břitů. Vysoká schopnost ukotvení povlaku pak brání jeho delaminaci a prodlužuje trvanlivost nástroje až několikanásobně, v ojedinělých případech až téměř 20x. U řezných nástrojů dochází k zaoblení ostří průměrně o 140–200 %, přičemž relativně vyšších přírůstků zaoblení se dosahuje u ostřejších břitů. Vyšší zaoblení v důsledku tvorby ochranné vrstvy zvyšuje mírně posuvovou sílu (obr. 2), ale tento přírůstek činí v celkovém řezném příkonu hodnoty méně než 1 % v důsledku nižší posuvové rychlosti, a naopak vede ke zpevnění obrobeného povrchu.

Obr. 2. Drsnosti povrchu broušených a povlakovaných břitů (měřeno na čelní ploše). (Zdroj: VUT v Brně, FSI)
Reklama

Povrchová drsnost nástrojů se celkově snižuje díky velkému počtu nanášených částic, a nedochází tak k přesnému kopírování morfologie podkladové vrstvy. Snižuje se střední aritmetická úchylka povrchu frézy Ra i největší výška prohlubně profilu Rv (obr. 2). To vede ke snížení či potlačení tvorby nárůstků i v případě obrábění méně pevných materiálů (např. hliníkových slitin) a k poklesu třecích sil na čele a hřbetu nástroje. Tím se kompenzuje nárůst řezných sil v důsledku vyššího poloměru zaoblení břitu povlakováním (obr. 3).

Obr. 3. Silové zatížení frézy – síla řezná (Fc), působící ve směru řezné rychlosti (vc) na čelní ploše břitu Aγ, posuvová (Fp), působící ve směru posuvové rychlosti (vf) na hřbetní ploše břitu Aα, pasivní (Fp) a výsledná (F). (a) řezné podmínky silové složky (střední hodnoty a směrodatné odchylky), (b) grafické srovnání prostorového působení sil. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Dosažená kvalita opracovaného povrchu za stejných podmínek obrábění (obr. 4) vykazuje nárůst amplitudových charakteristik, ale změna střední aritmetické úchylky na počátku obrábění z hodnot Ra = 0,694–0,984 mm z počátku obrábění na Ra = 1,401–1,773 mm se po určité době srovná, případně mění ve prospěch povlakovaných povrchů nástrojů, protože mají nižší náchylnost k tvorbě nárůstků, a tím se zvyšuje stabilita kvality opracování.

Obr. 4. Morfologie obrobeného povrchu Al-slitiny 7075: (a) frézování bez povlaku, (b) frézování s povlakem HiPIMS. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Závěr

Potenciál této metody povlakování je obrovský, neboť nanášený povlak dokáže hluboce pronikat do povrchu nástrojů, silně zakotvit a odolávat mimořádně vysokým kontaktním tlakům. To snižuje delaminaci tvrdých vrstev a zvyšuje trvanlivost nástrojů. HiPIMS tak dokáže účinně chránit řezné a tvářecí nástroje oproti opotřebení a zlepšovat tribologii rozhraní nástroj-obrobek, což má za následek vyšší spolehlivost součástí v provozu.


Poděkování
Tento příspěvek byl vytvořen s podporou projektu specifického výzkumu VUT v Brně, Fakulty strojního inženýrství „Moderní technologie pro zpracování pokročilých materiálů využívaných pro interdisciplinární aplikace“, FSI-S-22-7957.

Související články
Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

Související články
Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

PKD a CBN nástroje

Nástroje s řeznými hranami z PKD (polykrystalického diamantu) a CBN (kubického nitridu boru) jsou obzvlášť vhodné pro opracování hůře obrobitelných a vysoce abrazivních materiálů. V těchto případech dosahují vysokých kvalitativních parametrů zároveň při velké efektivnosti, tj. enormních trvanlivostí spolu s vynikající kvalitou obrobených povrchů při extrémní procesní spolehlivosti.

Profesor Stanislav Hosnedl 80

V říjnu tohoto roku se prof. Stanislav Hosnedl dožívá významného životního jubilea 80 roků. V roce 1964 dokončil studia v oboru Konstrukce obráběcích strojů na VŠSE FST v Plzni. Roku 1984 získal vědecko-akademický titul CSc., který po revoluci, později v roce 1990, obhájil také na ČSAV Praha. V roce 1992 se habilitoval a konečně v roce 2002 byl jmenován profesorem pro obor Strojní inženýrství.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Válka technologií a myšlení v krabici

Strategické myšlení předchází strategickému řízení, které je jen nástrojem. Bez skvělého strategického myšlení (proč a kam jdeme) nemůže být skvělé strategické řízení. Poučíme se z minulosti i ze slabých signálů budoucích trendů?

Od vydavatelství po startupy

Jiří Hlavenka není pro mnoho lidí neznámou osobností. Jde o člověka, který stál u zrodu vydavatelství i nakladatelství Computer Press a později i u prvního interaktivního webu o počítačích a počítačových technologiích, kde se neznalci mnohdy dozvěděli i odpověď na svou otázku. Jiří Hlavenka se ale v současné době věnuje investování do projektů, které mají smysl, a tak jeho jméno figuruje především u webu Kiwi.com, který vám najde - třeba i na poslední chvíli - nejlepší a nejlevnější letecké spojení kamkoli. Někdy může let po více "mezidestinacích" sice trvat déle, ale vždy se můžete spolehnout na to, že doletíte tam, kam jste si vysnili nebo kam potřebujete dolétnout.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

České obráběcí stroje stále splňují nejpřísnější parametry pro uplatnění

V červnu tohoto roku byl zvolen prezidentem Svazu strojírenské technologie Jan Rýdl ml. Mezi jeho priority patří návrat duálního vzdělávání do českého školství. Více chce také podpořit spolupráci firem s vysokými školami, prosazovat zájmy českých strojařů v zahraničí a ve státní správě. Rychlé tržní změny vnímá jako největší výzvu pro management všech firem.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

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