Témata
Reklama

Inženýrské termoplasty pro strojírenské aplikace

08. 03. 2016

Od začátku padesátých let minulého století se ve strojním inženýrství začaly postupně uplatňovat plasty. Znalosti strojních inženýrů o těchto materiálech však byly minimální, zkušenosti s jejich použitím ve strojírenství se teprve začínaly rodit. Dnes si bez nich strojírenství ani nedokážeme představit.

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

V roce 1965 vyšla v tehdejším nakladatelství SNTL monografie s názvem Konstrukční plastické hmoty (J. Hugo a kol.). V této ojedinělé publikaci bylo nashromážděno značné množství dat a poznatků, které tehdy pomohly strojním inženýrům i absolventům jiných inženýrských oborů využívat plasty v praxi při navrhování nových výrobků. Publikace se dotýkala všech tenkrát komerčně vyráběných druhů termoplastů i reaktoplastů. Termoplasty tehdy nebyly ještě členěny do skupin vyznačujících se společnými charakteristikami.

Reklama
Reklama
Reklama

Kategorizace termoplastů

S rychle přibývajícími druhy termoplastů v průběhu minulých desetiletí se začaly projevovat snahy o jejich členění, které by umožnilo technické veřejnosti orientovat se v termoplastech na základě jednoduchého schématu. V posledních letech se v zahraniční odborné i firemní literatuře členění termoplastů často znázorňuje graficky ve formě pyramidy (polymer performance pyramid). Publikovány jsou jich desítky o různém uspořádání a s různým přístupem k členění. Základními kritérii jsou úroveň fyzikálně-mechanických vlastností, zejména za vyšších teplot, dále objem výroby a cena. Podle tohoto hodnocení jsou termoplasty členěny do tří základních skupin: termoplasty pro všeobecné použití (commodity thermoplastics), inženýrské, nazývané též konstrukční termoplasty (engineering thermoplastics) a speciální termoplasty se špičkovými vlastnostmi (high performance thermoplastics). Tento přístup připomíná způsob členění konstrukčních ocelí na oceli obvyklé jakosti, ušlechtilé oceli a oceli se zvláštními vlastnostmi (J. Pluhař a J. Koritta: Strojírenské materiály, SNTL 1966).

Do uvedeného způsobu členění termoplastů navíc vstupuje další důležité kritérium, což je schopnost krystalizace. Na ní jsou závislé chemické, fyzikální i mechanické vlastnosti polymeru. U krystalizujících polymerů pak jejich vlastnosti ovlivňuje podíl krystalické fáze, který je závislý na molekulární struktuře polymeru a technologických podmínkách zpracování.

Kuličkové ložisko, materiál POM. Foto: www.bearingscanada.com

Příklady zařazení termoplastů do skupin

Skupinu termoplastů pro všeobecné použití tvoří polyetyleny (PE), polypropyleny (PP), polvinylchlorid (PVC) a polystyren (PS). K inženýrským polymerům se řadí polyamidy (PA), kterých se vyrábí více než deset druhů (PA6, PA 66, PA11, PA12 atd.), dále polykarbonát (PC), polyoxymetylen (POM) a lineární polyestery polyetylentereftalát (PET) a polybutylentereftalát (PBT). Příklady aplikací ukazují přiložené obrázky. Skupinu speciálních (vysokoteplotních) termoplastů reprezentují polysulfon (PSU), polyfenylensulfid (PPS), polyeterimid (PEI), polyetereterketon (PEEK) a kapalně krystalické polymery (LCP). Hranici mezi uvedenými skupinami nelze považovat za zcela jednoznačnou, mezi inženýrské termoplasty jsou často zařazovány i jiné druhy polymerů. Průměrná cena polymerů pro všeobecné použití je 1,7 USD/kg, u inženýrských termoplastů 3,4 USD/kg a u speciálních 17,5 USD/kg. Do orientačního výpočtu byly zahrnuty polymery určené pro technologii vstřikování a v přírodní barvě (kromě polymeru PEEK, který se svojí cenou vymyká ostatním). Aktuální ceny jednotlivých polymerů byly převzaty ze zdroje www.plasticsnews.com z února 2016.

Poklice kola automobilu, materiál PC. Foto: www.nudec-plastic.com

Počátky inženýrských termoplastů

Ze skupiny inženýrských termoplastů do komerční výroby postupně přicházely PA 66 (1938 Nylon, DuPont), PC (1958 Makrolon, Bayer), POM (1960 Delrin, DuPont) a PET pro vstřikování (1978 Rynite, DuPont). Polyamid 66 se již stal předmětem zájmu první plastikářské výstavy NPE (National Plastics Exposition) v New Yorku v roce 1946 a konference ANTEC (Annual Technical Conference) v Chicagu o rok později. Během 2. světové války byl tedy z inženýrských polymerů komerčně vyráběn pouze PA 66, pro nějž se nacházela první technická uplatnění. V poválečném období se začal tvořit zcela nový trh, který přitahoval velkou pozornost nejenom technické veřejnosti. Již tehdy bylo předpovězeno, že výroba plastů se v následujících letech stane jedním z nejdůležitějších průmyslových odvětví. Na výstavě NPE ve Filadelfii v roce 1952 byly vystavovány první strojní součásti vyrobené vstřikováním polyamidu 66 (ozubená kola, vačky, pouzdra ložisek, ventily). Jak je zmíněno v publikaci k 50. výročí NPE (2006), tehdy také vznikl pojem inženýrské plasty (engineering plastics) jako název pro takové druhy plastů, které svými vlastnostmi budou schopny konkurovat kovům.

Víko rozdělovače automobilového motoru, materiál PBT. Foto: www.automobilovedily24.cz

Charakterizace inženýrských termoplastů

Za inženýrské termoplasty lze obecně považovat termoplastické polymerní materiály používané na výrobu součástí a dílů v různých inženýrských oborech. Ve strojním inženýrství jsou na plasty kladeny zvláště náročné požadavky, spočívající obvykle v důmyslné kombinaci mechanických, fyzikálních a chemických vlastností. Vlastnosti inženýrských polymerů jsou na vyšší úrovni než u polymerů pro všeobecné použití, cenový odstup však není příliš velký. Inženýrské termoplasty tak představují jakousi „střední třídu“ s příznivou relací mezi vlastnostmi a cenou. U nových technických řešení je velmi často vyžadována taková kombinace vlastností, které nelze principiálně pomocí kovů dosáhnout. Hustota hraje téměř ve všech aplikačních oblastech jednu z hlavních rolí. Účelem použití plastů na strojní součásti a díly byla zpočátku snaha nahrazovat kovy pouze kvůli zmenšování hmotnosti výrobků. Postupem času však uživatelé pochopili, že plasty jsou pro konstrukční praxi materiálem s novými funkčními vlastnostmi, které umožňují větší svobodu v konstruování a efektivnější výrobní postupy. Příkladem mohou být výrobky složitých tvarů, kdy obrábění kovů je technicky komplikované a ekonomicky náročné. V obecné snaze po miniaturizaci sílí požadavky na výrobu tenkostěnných a miniaturních součástek, jejichž výrobu za pomoci kovových materiálů nelze realizovat.

Trendy

Jak je zřejmé z databází Campus, IDES nebo MatWeb, v současné době je uživatelům k dispozici mnohatisícové portfolio inženýrských typů polymerů, přičemž velkou převahu mají polyamidy. Svědčí to o téměř neomezených možnostech přípravy materiálových variant „šitých na míru“ pro požadované vlastnosti, technologie zpracování i aplikace. Slouží k tomu celá řada prostředků, jako jsou změny v molekulární struktuře, kopolymerace, příprava polymerních směsí, aditiva, plniva, vlákna, nukleační činidla. I přesto nejsou uživatelé s možností výběru vhodného typu plastu pro danou aplikaci zcela spokojeni. Vyplývá to z průzkumové studie Plastics Industry Trends firmy DuPont (Plastics News, 19. března 2015), která uvádí, že více než 50 % oslovených průmyslových respondentů považuje současné materiálové portfolio plastů za ne zcela vyhovující a že pro uspokojení potřeb průmyslu do budoucna bude zapotřebí dále ho rozšiřovat. Studie uvádí následující oblasti, na které uživatelé nejvíce soustřeďují pozornost: mechanické vlastnosti, recyklační technologie, zpracovatelnost (zvyšování produktivity výroby), vícemateriálové technologie (integrace materiálů včetně kombinací plast-kov), 3D tisk a nanotechnologie.

Součást ventilačního zařízení, materiál PA 12. (Zdroj: www.machinedesign.com/3d-printing)

Polymerní nanokompozity

U strojírenských aplikací je v popředí zájmu hledání optimálních kombinací mechanických a fyzikálních vlastností. Jako jedna z cest se jeví právě nanotechnologie. Není náhoda, že u zrodu polymerních nanokompozitů stál polyamid 6. V automobilovém průmyslu byla snaha vyvinout polymerní materiály odolávající náročným provozním podmínkám v motorovém prostoru. Počátky výzkumu se datují do poloviny 80. let v japonském výzkumném centru automobilky Toyota. Ve spolupráci s chemickým koncernem UBE Industries byla v roce 1991 zahájena výroba polyamidu 6 modifikovaného nanočásticemi montmorillonitu (druh jílu). Historicky první aplikací se stal kryt rozvodového řemenu automobilu Toyota Camry. Zjištění, že několikaprocentní obsah nanočástic v polymeru způsobuje při zachování téměř stejné hustoty zlepšení jeho mechanických vlastností, rozměrové stability, odolnosti proti hoření, odolnosti proti poškrábání, teplotní odolnosti a bariérových vlastností, vyvolalo celosvětovou vlnu výzkumu polymerních nanokompozitů.

Kompozity s dlouhými vlákny

Mechanické vlastnosti termoplastů k výrazně větším hodnotám posunuje technologie označovaná jako LFT nebo LFRT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics). Oproti krátkovláknovým kompozitům, u nichž je délka vláken v granulátu okolo jednoho mm, u LFRT technologie to je 12–15 mm (stejná délka jako délka granule). Přínosem této technologie je současné zvětšení modulu pružnosti, pevnosti i houževnatosti termoplastu, čehož krátkými vlákny nelze dosáhnout. Ještě dokonalejší technologií je D-LFRT (Direkt-LFRT) sestávající z kompaundačního zařízení pro přípravu granulí nebo směsi v jedné výrobní lince přímo navazující technologie vstřikování a lisování (délka vláken až 25 mm). Uvedené technologie konkurují klasickému procesu GMT (Glass Mat Thermoplastics) se skleněnou výztuží ve formě rohože. GMT technologie byla vyvinuta v 60. letech v americké firmě Pittsburgh Plate Glass Company a stála na samotném počátku vývoje termoplastových kompozitů. Těm již v současné době materiáloví odborníci v mnoha konstrukčních řešeních, včetně leteckých, dávají přednost před kompozity reaktoplastovými. Pro technologii lisování jsou vyráběny termoplastové prepregy s vláknovou výztuží ve formě rovingů, rohoží nebo tkanin. K využití je řada vláken, syntetických i přírodních a je možno je i vzájemně kombinovat.

Ačkoliv od doby prvních strojírenských aplikací plastů uplynulo již několik desítek let, ani v současné době nejsou ještě strojní inženýři v potřebné míře odborně vybaveni pro práci s plasty a polymerními kompozity, ať už jde o konstruování, zpracovatelské technologie či aplikační problematiku ve strojírenství. Jedním z důvodů je i obsah a rozsah výuky tohoto oboru na školách, která prozatím není adekvátní rozsahu výuky kovů.

Inženýrská akademie ČR, sekce Materiálové inženýrství a technologie

Prof. Ing. Josef Steidl, CSc., FEng.

jose.steidl@gmail.com

www.iacr.cz

Reklama
Související články
Ambiciózní projekt: Vývoj a výzkum nanomateriálů

Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů současnosti jsou obory zabývající se nanomateriály a nanotechnologiemi. Tato velmi perspektivní disciplína nachází široké uplatnění ve všech oborech lidské činnosti. Jde však o vědní obor velmi mladý, takže principy výroby, aplikací a jejich zkoušení nejsou dosud dostatečně popsány. A to byl právě impulz pro vznik Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace v Liberci.

Fórum výrobních manažerů

Jak se odráží ve vaší výrobě stále přetrvávající nedostatek materiálových vstupů? Jak to ovlivňuje chod vaší firmy, plánování průchodu zakázky výrobou? Navýšení cen surovin musíte pravděpodobně promítnout do výsledných cen vašich produktů. Jak na to reagují odběratelé?

Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

Související články
Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Na evropské trhy s finanční podporou

První celoevropsky významná akce v oblasti strojírenství a subdodavatelské branže se v příštím roce koná na lipském výstavišti v termínu 2. až 5. března: veletrhy Intec a Z 2021. Také a možná právě v současných obtížných časech zde čeští vystavovatelé a návštěvníci mohou navázat důležité obchodní kontakty a informovat se o nejnovějších trendech a vývoji v oboru. Vystavovatelé z Česka navíc se státní podporou.

Na velikosti záleží

Nanotechnologie. Magické slůvko, které je jedním ze symbolů nejprogresivnějších trendů dneška. Snad každý se s ním již někdy setkal, ať už v médiích, nebo v praxi všedního dne. Ne každý však ví, že ve výzkumu v této oblasti hrají jednu ze světově nejvýznamnějších rolí čeští vědci. Na podrobnosti, a také na možnosti uplatnění nanotechnologií, jsme se zeptali Jiřího Kůse, předsedy výkonné rady Asociace nanotechnologického průmyslu ČR.

Made in Česko – Věž pro Svatou zemi

Píše se letopočet 2017 a pro další rok se chytají dvě významná výročí – 100 let od založení Československa a 70 let od založení státu Izrael. Jak lépe přispět k oslavám obou těchto událostí, tvořících historii, než vybudováním výjimečné české stavby, která by ozdobila historické hlavní město Svaté země – Jeruzalém?

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Využití výrobků z recyklovaných plastů

Plastové odpady a jejich využití je v současné době velmi diskutovaným tématem. Očista naší země je velice důležitá, protože spousta plastového odpadu končí na skládkách a ve vodách oceánů. Proč tento odpad nezpracovat v rámci recyklace na smysluplné výrobky?

Moskva ve znamení trubek a drátů

Oblíbené příležitosti k setkání lidí z branží trubek a drátů se v roce 2019 uskuteční v Moskvě, ale v rozdílných termínech. Přední ruský veletrh drátů a kabelů – wire Russia – se zde uskuteční od 18. do 20. června 2019, zatímco kombinace veletrhů Tube Russia / Metallurgy Russia / Litmash Russia se bude konat o měsíc dříve. Na rozsáhlé ploše moskevského veletržního areálu Krasnaya Presnya očekávají pořadatelé v obou případech rekordní účast.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Plasty a kompozity v inovaci strojírenských výrobků

Plasty a kompozity s polymerní matricí přinesly revoluci v materiálových přístupech ke konstrukci strojírenských výrobků a zařízení. Nepřetržitě probíhající materiálové inovace v oblasti plastů a kompozitů spoluvytvářejí inovativní řešení ve strojírenství. Reagují na potřeby strojírenského průmyslu a stávají se kontinuálním procesem s jasnou perspektivou do budoucna.

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