Témata
Reklama

O materiálovém inženýrství pro strojírenství

Ve srovnání s tradičním strojním inženýrstvím vzniklo materiálové inženýrství jako vědní a studijní obor před poměrně krátkou dobou. Zkušenosti ukazují, že jeho podstata není části technické veřejnosti a zejména mnohým studentům strojního inženýrství zcela jasná. To je i možnou příčinou, že počet materiálových inženýrů neodpovídá potřebám strojírenského průmyslu. Materiálové inženýrství se přitom zásadním způsobem podílí na modernizaci a konkurenceschopnosti strojírenských výrobků a zařízení, zvyšování efektivnosti jejich výroby a snižování energetické náročnosti jejich provozu.

Ve všech obdobích vývoje lidstva hrály materiál a jeho vlastnosti dominantní úlohu. Vždyť antropologie a archeologie spojují historické epochy vývoje člověka právě s druhy materiálů, jako jsou kámen, měď, bronz a železo. První historické kroky, které začaly stavět základy budoucího materiálového inženýrství ve strojírenství, byly založeny na objevech, jež otevřely cesty k poznávání vztahů mezi strukturou a vlastnostmi materiálů. Jako typický příklad lze uvést fázový diagram železo-uhlík, vyvinutý britským metalurgem W. R. Austenem (1843–1902). Diagram se stal základem studia a dalšího vývoje ocelí a litin. V oblasti nekovových materiálů začínající materiálovou vědu obohatil o strukturní teorii polymerů německý chemik a nositel Nobelovy ceny (1953) Hermann Staudinger (1881–1965).

Reklama
Reklama

Materiály v kontextu historie

Na pokroku v poznání struktury materiálů se výrazně podílely experimentální metody. Peter Debye (1884–1966) a švýcarský fyzik Paul Scherrer (1890–1969) realizovali metodu rozptylu rentgenového záření, která dnes umožnila studovat krystalickou strukturu nejen kovových, ale i polymerních a keramických materiálů. Rovněž technologické objevy výrazně přispěly k rozvoji materiálové vědy. Historicky zcela novou materiálovou epochu nastolil v roce 1909 belgický chemik Leo Henrik Baekeland (1863–1944) vynálezem prvního zcela syntetického polymeru. Od doby jeho fenolformaldehydové pryskyřice doznaly plasty a kompozity s polymerní matricí nebývalého rozmachu a dnes bychom si bez nich strojírenství dovedli jen těžko představit. Jedním z prioritních kritérií strojírenských výrobků a zařízení se totiž stala hmotnost.
Od počátku rozvoje strojírenství byly železné kovy, ocel a litina po velmi dlouhé historické období hlavním konstrukčním materiálem. Materiálové portfolio se začalo intenzivně rozrůstat až po 2. světové válce, kdy se materiálovému výzkumu začala věnovat systematická pozornost. Mezi strojírenské materiály se tak postupně začleňovaly polymerní materiály (plasty a eleastomery), konstrukční keramika, uhlíkové materiály a kompozity s polymerní, kovovou, keramickou, skleněnou i uhlíkovou matricí.

Francouzský bojový letoun Vautour s kompozitovým radomem???. Ilustrační snímek z roku 1953

Vznik studijního oboru materiálového inženýrství

Počátky nauky o materiálu, jinými slovy materiálové vědy (materials science) nebyly původně přímo spojovány s pojmem inženýrství, i když svým obsahem k němu měly velmi blízko. Myšlenka sloučit materiálovou vědu s inženýrstvím se zrodila v 50. letech v USA. Formálně bylo v roce 1955 na Northwestern University (Evanston, Illinois) založeno první univerzitní pracoviště na světě, které do svého názvu přijalo pojem „materiálová věda a inženýrství“ (Material Science and Engineering). Až později se oba pojmy začaly spojovat a vznikl tak název materiálové inženýrství. Tento nový obor se logicky vyvíjel z metalurgie. Spojení materiálové vědy a inženýrství zpočátku vyvolávalo námitky konzervativních amerických metalurgů, kteří oponovali tím, že obor materiálové inženýrství může studenty odrazovat, protože v názvu nebude slovo metalurgie. Nicméně zvítězila myšlenka, že materiály nejsou jenom kovy a materiálové inženýrství se tak stalo novou vědní i výukovou disciplínou.

Definiční rámec a úlohu materiálového inženýrství detailně objasnila až v roce 1974 zpráva americké odborné komise COSMAT (Committee on the Survey of Materials Science and Engineering). Filozofie zprávy byla založena na myšlence úzké souvislosti mezi materiálovým inženýrstvím a obecnými potřebami lidstva. Bez zajímavosti není, že uvedenou komisi vedl světoznámý profesor fyzikální metalurgie z Massachusetts Institute of Technology Morris Cohen (1911–2005), jehož pokrokové myšlenky podpořily rozvoj nově vzniklého oboru. Vzájemné splývání metalurgie s naukou o polymerech, keramice, uhlíku i kompozitech vytvářelo základ současného pojetí materiálového inženýrství. Začalo iniciovat i potřebu nových přístupů k výzkumu i procesu vzdělávání v oblasti materiálů.

Složitý výlisek panelu automobilových dveří vyrobený moderní technologií DLFT (Direct Long Fibre Thermoplastic). Zdroj: www.assocompositi.it

Materiálové inženýrství jako brána k inovacím

Koncepce materiálového inženýrství je založena na vztazích mezi chemickým složením, mikrostrukturou, podmínkami zpracování, užitnými vlastnostmi a změnami struktury a vlastností materiálů v průběhu provozu. Zvláště je nutné zdůraznit úlohu struktury, protože bez její znalosti a podrobného studia nelze cíleně vyvíjet nové materiály s vlastnostmi, které vyžaduje perspektivní strojírenská výroba. Materiálové inženýrství připravuje základní podklady a materiálové charakteristiky potřebné pro navrhování a konstrukci výrobků a pro technologii zpracování. Poskytuje důležité informace o vlivech provozních podmínek na změny struktury a vlastností materiálů, jako jsou teplota, vlhkost, korozní prostředí, způsob namáhání. Materiál a jeho zpracování vždy hrály prioritní roli ve vývoji nových výrobků a v rozvoji kreativity konstruktérů a technologů. Zpráva z evropského materiálového summitu konaného v září 2012 v Bruselu uvádí, že 70 % všech technických inovací je spojeno s materiály. Bylo rovněž konstatováno, že zrychlování ekonomického růstu v Evropě a zvyšování konkurenceschopnosti strojírenství se bez klíčové role materiálového inženýrství neobejde. Nelze ani opominout úlohu materiálů v řešení sociálních potřeb, na nichž se podílí strojírenská výroba.

Filozofické aspekty materiálového inženýrství

Historická fakta o materiálech by sama o sobě postrádala svůj význam, pokud by nepřinášela nové impulzy pro budoucí vývoj lidské společnosti. Materiálové inženýrství bychom tak měli vnímat i z pohledu filozofických aspektů, tj. konkrétně zkoumat a hodnotit, v čem se materiálové inženýrství liší od ostatních inženýrských oborů, jak práce materiálových inženýrů dopadá na společnost a jaká nová poznání v tomto oboru přinesou lidstvu žádaný pokrok. Aktuálním tématem je odpovědnost materiálových inženýrů vůči požadavkům společnosti na inovace strojírenských výrobků a zařízení. Úkolem materiálového inženýrství je vnášet do povědomí inženýrů poznatky o tom, jak velkého technického pokroku lze pomocí nových materiálů docílit, jaké nové vlivy do tohoto oboru přináší materiálová globalizace a jak se ho mohou dotknout sociální a politické změny ve společnosti. Souvislosti mezi materiálovým inženýrstvím a filozofickými disciplínami, jako jsou ontologie, epistemologie nebo estetika, vyplývají z prací, které se v posledním desetiletí zabývají obecnými vztahy mezi filozofií a inženýrstvím. Příkladem je publikace Philosophy in Engineering vydaná v roce 2007 dánským nakladatelstvím Academica a určená pro výuku v inženýrských oborech.

Schéma současného rozdělení strojírenských materiálů

Výuka materiálového inženýrství

Materiálové inženýrství je studijní obor s výrazně interdisciplinárním charakterem a jedna z nejširších výukových disciplín v inženýrství vůbec. Jak prokazují i zahraniční zkušenosti, tento obor se na první pohled může jevit jako povrchní, protože zahrnuje „něco z fyziky, něco z chemie, něco z matematiky a mechaniky a dokonce i z medicíny“ a vyvolává pocit, že není srozumitelně definovaný. To může studenty rozhodující se o svojí specializaci poněkud odrazovat. Ve skutečnosti však právě tím je materiálové inženýrství velmi atraktivním oborem. Vzhledem k tomu, že využívá více vědních disciplín současně, nabízí i vysoký tvůrčí potenciál podporující rozvoj moderního strojírenství. Nabízí tak velmi široké uplatnění studentů materiálového inženýrství.

Mnozí z nich si však tuto „nabídku“ plně neuvědomují. „Otevřenost“ materiálového inženýrství vytváří neobyčejný prostor pro výzkum, vývoj a inovační činnost. Svým vědomostním rozsahem poskytuje široký technický rozhled a vytváří podmínky pro lepší vzájemnou interakci s klasickým strojním inženýrstvím. Podporuje tak zájem nastupující generace nejen o materiálové inženýrství, ale o studium strojního inženýrství vůbec. Na zahraničních univerzitách je často přímo spojováno strojní inženýrství s materiálovým inženýrstvím nebo materiálovou vědou. Příkladem mohou být studijní obory s názvem Strojní a materiálové inženýrství (University of Nebraska), Strojní inženýrství a materiálová věda (Yale University) nebo naopak Materiálová věda a strojní inženýrství (Harvard University).

Další vývoj oboru

Základní skupiny materiálů jsou pevně definovány (viz schéma). Ve výukových programech světových univerzit i v odborné literatuře se objevují i názvy materiálově-inženýrských oborů zaměřených na jednotlivé materiálové skupiny. Můžeme se tak setkat s pojmem kovové inženýrství (metal engineering), jehož základem je metalurgie, tedy původní obor, ze kterého se materiálové inženýrství začalo vyvíjet. Dále pak vznikly obory polymerní inženýrství, keramické inženýrství, kompozitní inženýrství a materiálová věda a inženýrství uhlíku (material science and engineering of carbon). Materiálové inženýrství tak představuje nadstavbu těchto úžeji specializovaných materiálových domén. Strojírenský průmysl využívá jako konstrukčního materiálu všech uvedených skupin materiálů a vyžaduje tak komplexní přístup k materiálovému řešení, včetně ekonomických požadavků.

Z oblasti kovů uveďme konkrétní příklad objevu z poslední doby, který řeší nejen stále aktuální problém hustoty, ale současně i mechanické vlastnosti a ekonomiku. Vysoká hustota ocelí omezuje jejich použití v řadě strojírenských odvětví, kde hustota je jedním z hlavních kritérií. Výrazné zmenšení hustoty nabízí slitina železo-hliník. Ta však nemá požadovanou houževnatost, což limituje její použití jako konstrukčního materiálu. Její modifikací nanokrystalickou intermetalickou fází FeAl lze připravit houževnatý materiál s měrnou pevností a hustotou stejnými jako u titanových slitin, ale s cenou zhruba desetkrát menší (S.-H. Kim, Nature 518, únor 2015). Materiálové inženýrství by se mělo rozvíjet ve smyslu obecného pojetí inženýrství, tj. převádět poznatky výzkumu a vývoje do praxe a využívat je formou technologického zpracování k uspokojování potřeb společnosti.

Inženýrská akademie ČR, sekce Materiálové inženýrství a technologie

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

jose.steidl@gmail.com

www.iacr.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 160118
Datum: 10. 02. 2016
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

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.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

Interdisciplinární studentské projekty

Profesor Stanislav Hosnedl před dvanácti lety přišel s ideou realizace týmových studentských konstrukčních a designérských projektů. Z původní studentské akce na Fakultě strojní ZČU v Plzni se rozrostla spolupráce napříč čtyřmi zdejšími fakultami, dvěma zahraničními univerzitami a patnácti tuzemskými a zahraničními firmami. Celým tímto vším prošlo při řešení 36 témat na 980 studentů. Letošní dvanáctý ročník byl opět v celé řadě aspektů výjimečný.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci, Sekce Materiálové inženýrství a technologie

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborně podporovat rozvoj technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR, sdružující přední specialisty daného oboru, poskytují expertní a poradenské služby a vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím vycházejícím z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra budeme čtenářům v průběhu roku 2016 jednotlivé odborné sekce postupně představovat.

EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

Materiálová řešení vodovodních fitinků

První část článku, která byla uveřejněna v minulém čísle, pojednávala o problémech s náhradou kovových součástí plastem a krípu, jako základního nedostatku termoplastů. V tomto čísle budou probrány možná řešení náhrady jinými materiály.

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.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

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