Materiálové inženýrství je nejenom technická věda, ale i kus filozofie

O svůj pohled na současný stav materiálového inženýrství, zejména z vývojového a aplikačního hlediska, se s MM Průmyslovým spektrem i přes svůj velmi nabitý program podělil profesor Josef Steidl. Nabízíme vám tedy rozhovor s tímto světově uznávaným odborníkem.

Pane profesore, jak byste charakterizoval podstatu materiálového inženýrství?

Prof. Steidl: Materiálové inženýrství je v současné době zcela běžný termín, nicméně jeho definici a přesný obsah bychom těžko někde hledali, a to i v zahraničních publikacích. Materiálové inženýrství lze chápat jako vědní obor, jehož náplní je účelné využívání materiálů, tedy látek sloužících k výrobě polotovarů a finálních výrobků. Cílem je přitom dosažení maximálního prospěchu a užitečnosti pro lidstvo. Tento proces zahrnuje i umění organizovat a řídit k tomu účelu lidskou činnost. Sledování principů hospodárnosti a šetření lidské síly je přitom samozřejmým předpokladem. Materiálové inženýrství je výrazně interdisciplinární obor, využívající poznatků z chemie, fyziky, mechaniky, matematiky, ale i z lékařských, ekonomických a ekologických věd. S interdisciplinaritou souvisí vysoká náročnost jeho studia. Problematika materiálového inženýrství je úzce svázána s technologií zpracování materiálů na jedné straně a s podmínkami provozu hotového výrobku na straně druhé. Jinými slovy vyjádřeno, poznávání vztahů mezi strukturou a užitnými vlastnostmi materiálů a jejich změnami vlivem provozu je jedním ze základních úkolů materiálového inženýrství. Bez těchto znalostí nelze spolehlivě navrhovat materiálová řešení a vhodně konstruovat výrobek. Materiálové inženýrství si zaslouží hovořit o něm nejenom z technického hlediska, ale i z pohledu filozofického. Před několika lety jsem v jedné svojí zahraniční přednášce uvedl pojem "filozofie materiálu" a vzhledem k řadě podnětných ohlasů jsem se touto otázkou začal podrobněji zabývat a rozvíjet ji. Život člověka je totiž bytostně spojen s materiály i materiálovou problematikou, aniž by si to vždy uvědomoval. S různými druhy materiálů se lidé setkávají nepřetržitě, vyjadřují se k nim a vnímají je svými smysly. Slyšíme lidi diskutovat nejen o tom, zda daný výrobek je z materiálu s dobrými nebo špatnými užitnými vlastnostmi a jakou má životnost, ale velmi se zajímají o to, jakou má výrobek hmotnost, jaký má estetický vzhled, jaká je hlučnost výrobku, zda se projevuje statická elektřina apod. Není zde místo na podrobnější diskuzi, ale domnívám se, že výuka materiálového inženýrství by měla být spojena s přemýšlivým výkladem světa materiálů, zahrnujícím jejich podstatu a původ, prostředky a metody jejich poznávání, podmínky a zákonitosti jejich změn, měla by být spojena s výkladem zobecněné soustavy názorů na různé druhy materiálů, jejich použití v praxi a působení na člověka, s výkladem směrů světového vývoje v oblasti materiálů včetně zdůvodnění apod. Nakonec bych chtěl říci, že materiálové inženýrství je svou podstatou a charakterem jedním z nejzajímavějších a z hlediska uplatnění absolventů jedním z nejuniverzálnějších studijních oborů, protože zasahuje do všech sfér lidské činnosti.

Jakým způsobem lze, je-li to vůbec možné, obecně charakterizovat postupy při volbě vhodných konstrukčních materiálů?

Prof. Steidl: Materiálem vše začíná. K volbě optimálního konstrukčního materiálu je nutno přistupovat komplexně, a to z hlediska funkce, vlastností materiálu, technologie zpracování na výrobek, zahrnout je nutno ekonomická a ekologická hlediska a další kritéria. Při vlastním navrhování výrobku pak musejí být respektovány specifika konstruování s různými druhy materiálů, zejména v případě plastů a kompozitů. K základnímu rozhodnutí o tom, zda optimálním materiálem pro zamýšlený výrobek bude ocel, lehká slitina, plast, kompozit apod., je zapotřebí dostatek relevantních informací a podkladů. Co považuji pro tento krok za vůbec nejpřínosnější, to jsou dobré znalosti a dostatečně široký rozhled konstruktérů i technologů v materiálové problematice. Důležitou úlohu hraje vlastní praxe a zkušenosti konstruktéra s různými druhy materiálů. Pro volbu materiálu je užitečným pomocníkem Ashbyho metoda výběru materiálu na základě tzv. materiálových map, ve kterých jsou různé materiály porovnávány na základě vztahů mezi fyzikálními a mechanickými vlastnostmi, např. mezi modulem pružnosti a hustotou, pevností a modulem pružnosti, koeficientem lineární teplotní roztažnosti a modulem pružnosti apod. Ashbyho mapy zahrnují i cenové relace, porovnání chemické odolnosti vůči různě agresivním prostředím aj. Další pomůckou je softwarový systém Cambridge Material Selector. Při vyhledávání konkrétního typu materiálu se uplatňují počítačem podporované postupy, různé druhy materiálových databází, metoda konečných prvků aj. Vzhledem k tomu, že tato diskuze je zaměřena na plasty a polymerní kompozity, rád bych upozornil na specifický přístup k jejich volbě. Pokud jde o vlastnosti, zejména mechanické, konstruktér nemůže vycházet pouze z tzv. jednobodových dat, kdy např. u meze kluzu je uvedena jediná, standardním způsobem stanovená a srovnatelná hodnota. Pro spolehlivý konstrukční návrh z plastu jsou rozhodující tzv. vícebodová data, jinými slovy funkční závislosti např. již zmíněné meze kluzu na důležitých proměnných, jako na čase, teplotě, vlhkosti. Konstruktér musí brát také v úvahu změny materiálu vlivem expozice v kapalných chemikáliích, praskání pod napětím a umělé stárnutí. Otazníkem u plastů ovšem zůstává, zda bude mít zvolený materiál po průchodu zpracovatelským cyklem ty materiálové vlastnosti, které výrobce materiálu uvádí. Do hry totiž vstupují možné degradační procesy, anizotropie v důsledku orientace a ovlivnění vlastností různým podílem krystalické fáze. Ještě komplikovanější je volba u kompozitních materiálů. Zde je nutno rozhodnout o druhu matrice a druhu výztuže, a navíc navrhnout a ověřit skladbu kompozitu, to vše v úzké vazbě na technologii. Znovu zde opakuji již řečenou poznámku o nutnosti větší provázanosti výuky plastů a kompozitů s konstrukčními a technologickými obory.

Plasty zažívají nebývalý rozvoj a jejich aplikace lze spatřovat na každém kroku lidské činnosti. Jak se podle vás jejich aplikace budou dále vyvíjet?

Prof. Steidl: Budeme-li hovořit o strojírenství, pak vývoj plastových aplikací celosvětově táhne automobilový průmysl, který kontinuálně vytváří tlak na zlepšování vlastností plastů a kompozitů s polymerní matricí. Moderní plasty umožňují automobilovým inženýrům především snižování hmotnosti, větší variabilitu konstruování a tím i lepší podmínky pro inovace, nabízejí jim možnosti integrace dílů do komplexnějších celků, zvyšování komfortu, náhradu skla, eliminaci povrchových úprav lakováním aj. Automobil představuje z hlediska aplikace plastů výjimečný výrobek, protože v sobě kloubí čtyři odlišné aplikační oblasti, čtyři různá provozní prostředí. Jiné požadavky na vlastnosti plastů jsou pro interiérový prostor, jiné pro exteriérové díly, jiným provozním prostředím je motorová část, jiné nároky na materiál vyžaduje část podvozková. Plasty pro interiér musejí vyhovovat estetickým požadavkům, umožňovat stylistické varianty podle přání zákazníka, zajišťovat bezpečnost posádky, musejí splňovat nároky na odolnost proti otěru, požadavky na tlumení zvuku a nehořlavost. Základní požadavky na plasty pro exteriérové díly jsou zejména odolnost proti poškození rázem, dlouhodobá povětrnostní odolnost a chemická odolnost a dále musejí splňovat kritérium vynikající povrchové kvality, do budoucna bez povrchové úpravy lakováním. Plasty v motorovém prostoru musejí mít vysokou stabilitu rozměrů a vlastností za vyšších teplot, odolnost proti dlouhodobému působení motorových paliv, olejů a dalších motorových kapalin, některé z nich musejí vykazovat i elektrickou vodivost. U podvozkových dílů jsou vysoké nároky na mechanické vlastnosti, jako je pevnost, tuhost, odolnost proti tečení a únavě a schopnost tlumení vibrací. Tímto výčtem jsem chtěl pouze naznačit šíři portfolia plastových aplikací, které automobil nabízí, a vlastností, které od plastů požaduje. Rovněž i další strojírenská odvětví poskytují plastovým aplikacím otevřený prostor a umožňují jejich rozmach. Jmenujme třeba textilní, potravinářské, chemické, energetické nebo důlní strojírenství, kde se uplatňují plastové části strojů a zařízení, často dodávané v již typizovaných řadách. Na závěr bych chtěl konstatovat, že plasty a kompozity přesvědčivým způsobem pomáhají rozvíjet strojírenství jako celek, a naopak že strojírenství svými náročnými materiálovými požadavky podporuje další rozvoj plastů a kompozitů.

Široký rozmach využívání plastů s sebou přináší i otázku jejich dalšího osudu. Na jaké úrovni se nachází současná problematika recyklace použitých plastů?

Prof. Steidl Materiálem vše začíná, jak jsem uvedl v odpovědi na vaši druhou otázku, materiálem ale také všechno končí. Po uplynutí funkce výrobku nám zůstává materiál v různé podobě. Ten se dá buď uložit na skládku, nebo také spálit, pokud má organický základ. Snahou i cílem je však materiály recyklovat. U kovových odpadů je situace relativně jednoduchá, metalurgie si s nimi umí poradit. Velmi složitá je však problematika recyklace plastů a kompozitů, kterých stále přibývá, což je na jednu stranu v souladu s požadavky průmyslu, zejména pak automobilového, na druhou stranu ekologická legislativa je neúprosná, i když pro lidstvo užitečná. Obnovitelnost plastových materiálů včetně kompozitů je spojena s nesrovnatelně většími problémy než u kovů. Např. už jen degradace vlastností v důsledku stárnutí limituje plnohodnotnou opětovnou použitelnost konstrukčních plastů. Další závažné omezení vyplývá ze základního strukturního charakteru plastů. Termoplasty se dají opakovaně roztavit a z technologického hlediska je u nich recyklace podstatně snazší než u reaktoplastů, které roztavit nelze. U kompozitů je problematika recyklačního zpracování ještě složitější. Nicméně recyklací konstrukčních plastů se zabývá celý svět a v centru pozornosti je zejména v USA, kolébce automobilismu. Např. ekologické centrum v Ann Arboru ve státě Michigan, které mapuje situaci v automobilovém průmyslu, vyhlásilo doporučení a velký cíl, aby již v roce 2010 bylo 95 % automobilových plastových dílů schopných recyklace a nového použití. Takže nás velice zajímá, jak se bude situace v příštích letech vyvíjet, a to zejména u nás.

Ve kterých teritoriích a v jakých odvětvích lze hledat lídry v oblasti výzkumu a zavádění plastových aplikací?

Prof. Steidl: Přidržím se především námi sledované aplikační sféry, tj. strojírenství. Podle mého názoru lze opravdu kompetentní lídry ve výzkumu a strojírenských aplikacích plastů hledat velmi obtížně. Ideálním modelem takovéhoto odborníka by mohl být např. strojírensky zaměřený materiálový inženýr s dostatečnou průpravou v oblasti plastů a kompozitů nebo strojní inženýr konstrukčního nebo technologického zaměření, který si v průběhu praxe, doktorského studia nebo celoživotního vzdělávání osvojil specifickou problematiku plastů a kompozitů a vidí, alespoň rámcově, i do chemie těchto materiálů. Obráceně by to mohl být i chemický technolog zaměřený na polymerní materiály, který má průpravu ve strojním inženýrství. Takovýchto odborníků ovšem existuje velmi malý počet, i když praxe je vyžaduje. Provázanost výuky plastů a kompozitů s konstrukčními i technologickými směry strojního inženýrství je nedostatečná. Pokud jde o teritoria, potenciální lídry schopné iniciovat a navrhovat zcela nové, sofistikované strojírenské aplikace plastů a kompozitů je nejspíše nutno hledat tam, kde je těmto materiálům věnována potřebná pozornost ve výuce, kde se současně pěstuje základní i aplikovaný výzkum a kde rovněž existují vazby na aplikační sféru. K takovýmto lokalitám patří především Praha, Zlín a Liberec. Jmenovaná teritoria mají v oblasti plastů a kompozitů dlouhou tradici (např. v našem ústavu se plasty vyučují již od roku 1964). Disponují velkým výzkumným potenciálem, a to jak univerzitního charakteru, tak Akademie věd (ÚMCH Praha, pozn. red.) i dalších typů výzkumných a vývojových pracovišť. K odvětvím, ze kterých se mohou rekrutovat lídři pro zavádění polymerních materiálů do praxe, se schopností organizovat tuto činnost a vyhodnocovat ji, patří především automobilový průmysl, který využívá velkou škálu plastových aplikací a který je i do budoucna v tomto směru nejperspektivnějším odvětvím. Dále je to letecký průmysl, kde jsou ovšem příslušní odborníci úžeji zaměřeni na aplikace špičkových kompozitů. Významným odvětvím jsou výrobní stroje a zařízení, u kterých jsou kladeny požadavky na snížení hmotnosti a vyšší výkony, snížení hlučnosti, zlepšení tribologických vlastností, zlepšení korozní odolnosti apod. Toto odvětví nabízí široký prostor pro zavádění nových plastových aplikací a lze v něm mezi konstruktéry a technology nalézt vůdčí osobnosti, které mají za cíl aplikacemi plastů a kompozitů zlepšovat technickou úroveň a tím i konkurenceschopnost výrobních strojů a zařízení.

Achillovou patou aplikace konstrukčních plastů je jejich mezinárodní materiálová normalizace. Jaký je její současný stav?

Prof. Steidl: Tak to je další otázka s velkým otazníkem. Široký sortiment vyráběných druhů a typů plastů, často nejasného složení, i velké množství výrobců jsou příčinou potíží při porovnávání materiálových vlastností plastů. U nich totiž neexistují materiálové normy takového charakteru, jaké byly vytvořeny u ocelí a dalších kovových materiálů. Lexikon technických materiálů, vydaný nakladatelstvím Dashöfer, obsahuje soubor materiálových listů kovových materiálů, a to včetně zahraničních ekvivalentů. Například každý druh tvářené konstrukční oceli má svým číslem normy a příslušným materiálovým listem zaručeno chemické složení a mechanické vlastnosti. Mechanické vlastnosti jsou garantovány pro určitý druh a stav polotovaru, např. tyče válcované za tepla apod. Materiálové listy mimo to obsahují i další informace, jako některé fyzikální vlastnosti nebo technologické údaje. U plastů je celosvětově materiálová normalizace velmi různorodá a nepřehledná. Zatímco normalizační orgány se snaží postupně zavádět klasifikaci plastů v obecnějším měřítku, specifikace hospodářských institucí, zejména pak v USA, se specializují pouze na ty druhy a vlastnosti plastů, které jsou významné pro příslušná hospodářská odvětví, jako například pro průmysl automobilový, elektrotechnický, zbrojní, potravinářský, dále farmacii a lékařství. Srovnatelnost vlastností plastů je většinou velmi obtížná, protože každý systém je založen na odlišných kritériích. O sjednocující úlohu se snaží systém ISO, který předepisuje způsob označování a specifikace. Nejedná se však o materiálové normy v pravém slova smyslu. Základem tohoto klasifikačního systému je rozlišování plastů podle tzv. označujících vlastností, např. u polypropylenu jsou to modul pružnosti v tahu, vrubová houževnatost a index toku taveniny. Jednotlivé typy od jednoho druhu polymeru se rozlišují na základě předepsaného rozsahu hodnot těchto vlastností. U polypropylenu pro tváření a vytlačování se rozlišuje šest typů v rozsahu modulu pružnosti od 400 a méně do 3500 a více MPa. Podle vrubové houževnatosti se rozlišuje také šest typů, ale podle indexu toku taveniny 11 typů. Hlavním problémem je zavádění takovéhoto systému do praxe. Pro potřeby materiálového inženýrství by ovšem bylo zapotřebí, aby k určitému typovému mezinárodnímu označení plastu byly formou materiálového listu přiřazeny jeho charakteristické vlastnosti, tedy v podobném duchu jako u ocelí. Pokus o takovýto způsob zpracování materiálových listů byl u vybraných plastů učiněn v již zmíněném Lexikonu technických materiálů. Danému typu označenému podle schématu ISO jsou přiřazeny vlastnosti mechanické, tepelné, elektrické, hustota a nasákavost, zpracované na základě dat z firemní literatury nejdůležitějších výrobců a plastové databáze Campus.

Pane profesore, závěrem mi dovolte víceméně filozofickou otázku, zda v současné době trh stále ještě potřebuje vývoj nových materiálů, a to nejen nekovových.

Prof. Steidl: Na úvod bych chtěl říci, že vývoj nových materiálů je zcela nezbytný, je iniciován stále se rozvíjejícími potřebami lidstva a touhami po lepší kvalitě života a po vyšším komfortu. Materiály do značné míry spoluvytvářejí úroveň životního prostoru a životních podmínek. Ale to už jsme opět u materiálové filozofie, přejděme k materiálovému inženýrství. Znovu podtrhuji, že rozvoj společnosti je závislý na rozvoji techniky a rozvoj techniky není možný bez vývoje nových materiálů. Vezměme například oceli, jak dlouho již existují, jak obrovské jsou s nimi zkušenosti, jak nesmírně velký objem výzkumu jim byl až dosud věnován, a přesto nejsou uzavřenou kapitolou, stále s nimi nejsme spokojeni a stále na ně klademe nové požadavky. Problematika řízení velikosti zrna, otázky pevnosti, korozivzdornosti, svařitelnosti apod. zůstávají stále aktuální pro další výzkum a vývoj ocelí. Základem úspěšného naplňování lidských potřeb do budoucna jsou nové materiály a technologie, protože klasické materiály nemohou svými vlastnostmi nově vznikající požadavky splnit. Motivace pro vývoj nových materiálů na bázi plastů jsou velmi silné. Plasty jsou lehké, a to je základní materiálové kritérium, nejenom z inženýrského hlediska. Ve srovnání s kovy navíc vykazují řadu výhodných vlastností, jako jsou elektroizolační schopnosti, přirozená odolnost proti korozi, zajímavé tribologické vlastnosti a některé další. Jsou to ovšem látky organické, což přináší problémy např. s teplotní roztažností, teplotní odolností, stárnutím, hořlavostí a zejména pak mechanickými vlastnostmi, k některým druhům jsou i ekologické výhrady. Vývoj se soustřeďuje jednak na zlepšování nevýhodných vlastností, ale i na vývoj plastů s vlastnostmi zcela novými. Příkladem jsou elektrovodivé polymery, jako je polyacetylen nebo polyanilin. Za významné trendy je možno považovat vývoj biologicky odbouratelných plastů nebo využití přírodních vláken na konstrukční kompozity. Současná éra nanotechnologií výrazně zasáhla i vývoj v oblasti plastů. Ukazuje se, že anorganické nanočástice již ve velmi malém množství zlepšují mechanické vlastnosti, tvarovou stálost za tepla, bariérové vlastnosti, zpracovatelnost, odolnost proti nízkomolekulárním látkám, rozměrovou stabilitu, snižují teplotní roztažnost a hořlavost. Všechno to jsou vlastnosti důležité pro aplikace ve strojírenství.

Za rozhovor poděkoval

Roman Dvořák

josef.steidl@fs.cvut.cz

www.fs.cvut.cz