Moderní výukové systémy a laboratoře

Docent Ladislav Kolařík je dlouholetým spolupracovníkem MM Průmyslového spektra, byl nám léta odborným garantem ve speciálních monotematických přílohách o svařování, a proto jsme se na něj v souvislosti s tímto tématem obrátili i letos. Zajímali jsme se o současné trendy, ale i o stav výuky a laboratoří na ČVUT.

MM: Tvrdíte, a teď cituji z článku Současný vývoj v oblasti svařování (MM 1_2/2018/180111), že svařování je průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechna průmyslová odvětví a zároveň je sama ovlivňována pokrokem a inovacemi v těchto oborech. V oblasti spojování materiálu jde zejména o automatizaci a aplikaci robotů, průnik laserů a propojení s IT technikou. Pokud jde o automatizaci: svařování roboty je velmi spolehlivý proces, ale lze si myslet, že ručního svářeče už nikde nepotkáme?

Doc. Kolařík: To určitě ne. Ruční svařování si i do budoucna zachová svou důležitost, především v montážních podmínkách, při použití ve venkovních prostorech (kde nejsme schopni eliminovat nepříznivé klimatické vlivy, příp. špatnou terénní dostupnost) a v opravárenství. Kvalita ručního svařování je však silně závislá na zručnosti pracovníků, proto je základním požadavkem všech legislativních dokumentů odpovídající kvalifikace svářečů.

MM: Mají studenti na Ústavu strojírenské technologie možnost „osahat si“ a programovat svařovací robot?

Doc. Kolařík: Ano, v mezifakultní Laboratoři výuky svářečských technologií na ČVUT v Praze máme instalované robotické svařovací pracoviště od firmy Migatronic Automation s průmyslovým robotem Fanuc, které se používá ve výuce jak svařování, tak i robotických a senzorických systémů (včetně SW na off-line programování robotických pracovišť). Dále se snažíme zapojit do výuky i další robotická pracoviště. Aktuálně jsme např. pořídili kolaborativní robot YuMi od firmy ABB a výuku jsme letos realizovali i na zapůjčeném zařízení CoWelder Migatronic s kolaborativním robotem od firmy Universal Robots.

MM: Když se ještě vrátím k té zručnosti a kvalifikaci svářečů. Vstupujeme do digitální éry. Disponuje Ústav strojírenské technologie výukovými simulátory? Blížíme se do doby, kdy praktické výuky budou nahrazeny výukou ve virtuální realitě?

Doc. Kolařík: Ruční a poloautomatické svařování je především o zručnosti a pravidelném opakování daných úkonů, takže požadované kvality pracovníků nelze docílit bez pravidelného používání. Z tohoto pohledu je praxe přímo ve svařovně nenahraditelná. Pokrok však nelze zastavit a simulátory (nebo spíše trenažéry) se začínají stále více uplatňovat i v této oblasti. A pro začátečníky mohou být účinné především při získávání základních návyků a při výuce základních pohybů se svařovacím hořákem. Rádi bychom tuto technickou „novinku“ začali používat nejen ve výuce, ale i v kvalifikačních kurzech ve svářečské škole FS ČVUT v Praze, kterou provozujeme. Jejich většímu rozšíření zatím brání především jejich cena.

O pořízení simulátorů jsme usilovali posledních několik let a jsem rád, že v loňském roce se nám jejich pořízení konečně podařilo zrealizovat (z dotace OP VVV ERDF). V současné době právě probíhá dodání simulátorů Soldamatic, které jsme vysoutěžili v rámci veřejné zakázky. Stáli jsme o cenově dostupný simulátor splňující různé typy funkcí z hlediska používaných metod a zároveň co nejrealističtější z pohledů nastavování parametrů a jejich odezvy. Také bychom rádi časem vybavili celou učebnu, kde by jednotlivé trenažéry byly propojeny a řízeny z nadřazené řídicí stanice. V této oblasti intenzivně spolupracujeme s pracovníky Fakulty stavební, s nimiž se nám podařilo zakoupit celkem tři simulátory a do budoucna bychom chtěli jejich počet rozšířit. Zakoupené simulátory nepracují přímo s virtuální realitou, ale s tzv. rozšířenou realitou, což méně připomíná „počítačovou hru“ a více se blíží skutečnosti. Navíc bychom nechtěli být pouhými uživateli, ale rádi bychom se podíleli i na úpravě SW, který simulátory používají, především s ohledem na co největší sblížení výuky na simulátorech se současnou legislativou v oblasti výuky svářečů.

Dnešní studenti jsou zvyklí používat ve velké míře počítače a další moderní technické pomůcky, proto i tyto simulátory jsou z jejich strany podle prvních reakcí přijímány velmi pozitivně. Navíc jsme tak schopni oslovit a zaujmout i studenty, kteří jinak o technologii svařování nemají až takový zájem.

MM: Můj velký zájem si v poslední době vydobyly lasery. Jak hodnotíte jejich průnik do oblasti spojování materiálů?

Doc. Kolařík: Laser je specifický „nástroj“, který má velmi široké využití – je tedy použitelný i pro spojování materiálů, kde dokážeme velmi přesně dávkovat energii do míst, kde je potřebná, a tím vhodně ovlivňovat vnesené teplo a obecně celkové tepelné ovlivnění snížit. Je proto dobře použitelný pro přesné spoje na tvarově složitých součástech, malých tloušťkách materiálů různého chemického složení apod. Svarový spoj se obvykle vytváří na jeden průjezd svařovací hlavy, takže i produktivita a rychlost vytváření spojů může být zajímavá (často není ani potřeba používat přídavné svařovací materiály).

Nicméně lasery jsou obecně pořád investičně poměrně náročné, takže ne každá výrobní firma si jejich použití dokáže ekonomicky odůvodnit. Lze je zatím použít především v automatizované nebo robotizované podobě (a to i z hlediska bezpečnostních nároků na obsluhu zařízení) a nároky na přípravu polotovarů jsou zde řádově vyšší než u konvenčních, zejména ručních metod svařování.

Vývoj u laserových systémů sice výrazně pokročil, nicméně výkon laserů je pořád limitovaný, a proto je omezená i tloušťka svařovaných dílů. U rozměrných svařenců tedy budou i nadále používány zejména konvenční univerzální metody svařování, příp. jiné speciální metody, než je laserové svařování.

MM: Objevují se aplikace, kdy je možné pomocí druhého laseru ovlivňovat svarovou lázeň (předehřev, snížení rozstřiku, …) nebo ji dokonce kamerou pozorovat a následně optimalizovat svařovací parametry. To je úžasné, nedestruktivně kontrolovat a zároveň moci okamžitě ovlivňovat kvalitu svaru, nemyslíte?

Doc. Kolařík: Ano, jak jsem již uváděl, laser lze využívat mnoha způsoby, tedy i jako podpůrný tepelný zdroj – toho využívají i tzv. hybridní metody svařování. Systémy, které by adaptabilně reagovaly na to, co se děje ve svarové lázni, a dokázaly na základě toho optimalizovat nastavení parametrů, jsou velmi zajímavé, ale pro nejpoužívanější tavné metody, kde veškeré dění ve svarové lázni je poměrně složité, zatím nejsou zcela dořešené.

MM: Odporové bodové svařování se v automobilovém průmyslu v posledních letech využívá také v kombinaci s technologií lepení. Zde si troufám tvrdit, že vzniká celá nová disciplína. Různá lepidla mají různé vlastnosti (pružnost, tvrdost, ekologickou odbouratelnost atd.). Jak se na lepení díváte? Je tato technologie zahrnuta do výuky?

Doc. Kolařík: Adhezivní spojování (lepení) má jako každá technologie své výhody i nevýhody. Obrovskou výhodou je možnost spojování velmi rozdílných materiálů, často i na organické bázi, a tvorba velkoplošných spojů, které navíc nezvyšují hmotnost a mohou mít např. tlumicí (zvukové, vibrační apod.) a těsnicí účinky. Ale na druhou stranu podléhají stárnutí, mají omezené využití při zvýšených teplotách apod. Jejich nasazení se nejvíce rozšiřuje ve výrobě dopravních prostředků, zejména lepení okenních skel, ale i pro spojování nosných částí, i když zde se stále často kombinuje lepení se svařovacími technologiemi. Dalo by se říci, že chemické pochody při lepení jsou tak složité, že praxe v této oblasti předbíhá teoretické znalosti.

Do výuky na FS ČVUT v Praze je lepení zahrnuto v akreditovaném programu „Výrobní a materiálové inženýrství“, ale zatím spíše okrajově. Bohužel není dostatek prostoru zahrnout všechny prudce se rozvíjející výrobní technologie v takovém rozsahu, jaký by si zasloužily. Bližší seznámení s těmito problematikami pak musíme řešit pomocí volitelných předmětů.

MM: Velký „boom“ v posledních letech zažívají také aditivní technologie, konkrétně u svařování jde o technologii WAAM (wire and arc additive manufacturing), kterou se zde na ústavu také zabýváte. Jaký potenciál u této technologie spatřujete? Nahradí v budoucnu odlitky, či snad výkovky?

Doc. Kolařík: Metoda WAAM je v podstatě robotické navařování pomocí konvenčních obloukových metod svařování. Lze tedy použít standardní metodu i zařízení, s přídavným materiálem ve formě drátu, které jsou v dnešní době poměrně dobře cenově dostupné (oproti práškovým přídavným materiálům) a nejsou tak omezené pracovním prostorem jako 3D tiskárny kovových materiálů, které obvykle používají laserové zdroje. Samozřejmě přesností a složitostí tvarů se metoda WAAM nemůže rovnat s klasickým 3D tiskem, ale cenově je cca 10x levnější. Má tedy poměrně dobrý potenciál vyplnit určité mezery na trhu, a jak říkáte, může nahradit v některých případech jak výkovky, tak i odlitky. Ale určitě to neplatí obecně, je potřeba vždy posoudit konkrétní aplikaci v konkrétním případě.

MM: Jak zvládáte promítnout rychlý technologický pokrok a nové technologie do výuky?

Doc. Kolařík: Nejprve se chceme sami důkladně s novými technologiemi seznámit a provádět základní výzkumné experimenty. Postupně jsou vypisována například témata diplomových a disertačních prací a jejich výsledky se pak snažíme zakomponovat do stávajících výukových předmětů v rámci přednášek i cvičení. V tomto nám hodně pomáhají například na ČVUT realizované projekty tzv. vnitřní soutěže, které jsou určeny pro přípravu nových výukových materiálů. A celá tato činnost vrcholí vytvořením nových předmětů a jejich zahrnutím do akreditovaných studijních programů, což je ovšem běh na dlouhou trať. Čili jde to pomaleji, než bychom chtěli, ale samozřejmě pokrok vnímáme a snažíme se postupně naše studenty seznámit s aktuálním stavem techniky a technologie. A netýká se to pouze spojovacích technologií, ale v loňském roce jsme například ve spolupráci s firmou Vanad 2000 a GCE pořídili moderní stroj na tepelné dělení kyslíkem a plazmatem, takže rozvíjíme i tyto tzv. příbuzné technologie.

MM: Jaké nové výukové programy tedy vznikají?

Doc. Kolařík: Na jednu stranu se snažíme inovovat stávající výukové programy, třeba v nové akreditaci studijního programu Výrobní inženýrství se nám podařilo více zahrnout do výuky aditivní technologie, NDT kontrolu, automatizaci a robotizaci výrobních technologií a simulace výrobních procesů.

Na celkový vývoj se FS snaží dále reagovat i vznikem nových akreditovaných studijních programů (zejména v oborové části studia), jako jsou třeba programy Průmysl 4.0, Robotika a výrobní stroje atd.

MM: Co je dnes, řekněme, nejpalčivějším tématem ve svařování? Jaké otázky se nejvíce řeší?

Doc. Kolařík: Ať chceme, nebo ne, svařování je velmi úzce spjato s dodržováním norem a legislativních požadavků. Jejich časté změny a aktualizace mohou být pro řadu pracovníků průmyslových firem časem mírně nepřehledné a je neustále potřeba toto sledovat. Po v podstatě ukončeném přechodu normy EN 287-1 na EN ISO 9606-1 v oblasti kvalifikace svářečů byla nedávno aktualizována nejpoužívanější kvalifikační norma na svařovací postupy EN ISO 15 614-1 a připravuje se aktualizace systémové normy EN ISO 3834. V poslední době jsme tak začali řešit řadu zakázek, která má průmyslové firmy připravit například na certifikaci pro systém řízení managementu v oblasti svařování, ve které se sami tolik neorientují.

Dále se dnes velmi řeší nedostatek kvalifikovaných pracovníků (svářečů, ale i pracovníků vyššího svářečského personálu) a výrobci svařovacích zdrojů přicházejí s různými systémy řízení a nastavování zdrojů, které by měly omezit vliv lidského faktoru a více se přibližovat konceptu Průmyslu 4.0. S tím souvisí i prudký vývoj robotizace a především větší nasazení kolaborativních robotů (kobotů) v oblasti svařování, což zatím také není úplně dořešeno, protože kombinace kobota se svařovacím hořákem, resp. svařovacím procesem obvykle vede k „nekolaborativní“ aplikaci.

Nicméně na to se snažíme reagovat na Fakultě strojní ČVUT v Praze právě i vytvářením nových studijních programů a předmětů a dát tak našim absolventům potřebné informace, aby na tyto změny byli adekvátně připraveni. Navíc studium tak přímo navazuje na praxi a naši absolventi pak obvykle nemají problém s uplatněním – měli by se bez problémů zapojit i v této nové „éře robotiky a moderních technologií“.

MM: V průběhu našeho rozhovoru již zaznělo několik zásadních směrů či trendů v oblasti spojování materiálů. Dokázal byste vyjmenovat tři nové, teprve se rozvíjející, u kterých spatřujete potenciál?

Doc. Kolařík: Je obtížné omezit se na tři zásadní směry, ale zásadnímí trendy jsou především, jak už bylo řečeno, v oblasti automatizace a robotiky už zmíněná metoda WAAM a využití kolaborativních robotů, dále se začínají objevovat první použitelné systémy pro nasazení svařovacích robotů i pro kusovou výrobu – skenery se speciálním SW, který pomůže velmi rychle a jednoduše navrhnout pro naskenovanou součást svarové spoje. Zatím funguje spíše pro jednodušší typy součástí, ale je to velmi nadějné do budoucna. V posledních letech se v oblasti výroby svařovacích zdrojů velmi zdokonalilo řízení a monitoring vlastního procesu svařování a automatické ukládání procesních dat na cloudová uložiště. Pak je celá řada dalších oblastí, kde vývoj také pokračuje velmi rychle, ať už je to odporové svařování speciálně povrchově upravených plechů v automobilovém průmyslu, nebo odporové bodové svařování hliníkových slitin, kde se začaly uplatňovat nové svařovací systémy s adaptabilním řízením. V neposlední řadě je to už zmíněný rozvoj lepení ve velmi rychle rostoucí oblasti zpracování kompozitních materiálů.

MM: Děkuji vám za rozhovor a přeji, ať se vám daří i nadále úspěšně začleňovat nové moderní výrobní technologie do výuky.

Eva Buzková

Eva.buzkova@mmspektrum.com

Ústav strojírenské technologie, FS, ČVUT: http://u12133.fsid.cvut.cz/