Témata
Reklama

O výuce plastů a kompozitů pro strojaře

Student strojního inženýrství by měl pochopit jak analogie, tak rozdíly ve struktuře a vlastnostech polymerních a kovových materiálů a jejich chování v provozních podmínkách.

Strojírenským odvětvím od počátku vládly kovy, zejména oceli. Až v období před 2. světovou válkou započala éra plastů, jejich velkoobjemová výroba se rozvíjela během válečných let a zejména pak v letech poválečných. Strojní inženýři v té době již přemýšleli, jak těchto materiálů s nesrovnatelně menší hustotou, než má ocel, využít při navrhování některých strojírenských výrobků.

Reklama
Reklama

Počátek výuky plastů pro strojní inženýry

Znalosti strojních inženýrů o chování těchto materiálů však nebyly v té době téměř žádné. Až americký profesor Ronald L. Dagett, vystudovaný strojní inženýr, si pravděpodobně jako první na světě uvědomil budoucí význam plastů pro strojírenství a pro výuku budoucích strojních inženýrů. Již v roce 1946 vyvinul na Univerzitě Wisconsin-Madison (USA) program výuky plastů pro studium strojního inženýrství. Jeho předpovědi do budoucna se tak ukázaly jako velmi prozíravé. Výukový program plastů prof. Dagetta byl rozvíjen během dalších desetiletí a dnes patří k nejpopulárnějším oborům studentů strojního inženýrství na zmíněné univerzitě. Prof. Dagett byl nejen dobrým učitelem strojního inženýrství, ale i úspěšným výzkumníkem. Na začátku 60. let upoutal pozornost vyvinutím plastové srdeční chlopně vyrobené technologií vstřikování. Pro zajímavost stojí za zmínku, že materiálový odborník a protagonista výuky plastů pro strojaře profesor Dagett měl jako koníčka výtvarné umění, ve svém okolí totiž proslul jako malíř. V této souvislosti si připomeňme dva významné české profesory, kteří stáli u kolébky materiálové výuky na ČVUT v Praze: Jaroslava Pluhaře, dlouholetého vedoucího Katedry nauky o materiálu fakulty strojní, který během svého působení v letech 1960 až 1980 zavedl moderní koncepci materiálové výuky včetně plastů, a Jaroslava Němce, zakladatele katedry materiálů na tehdejší Fakultě technické a jaderné fyziky a průkopníka oboru materiálové inženýrství. Oba byli rovněž skvělými malíři. Shoda je to vskutku pozoruhodná.

Od struktury…
… k aplikacím

Fyzikálněmetalurgická filozofie výuky plastů a kompozitů

Výuka strojního inženýrství byla po dlouhá desetiletí svázána s postupně se rozvíjejícími poznatky o kovech. Rostoucí požadavky na strojírenské materiály vyvolávaly stále větší tlak na hlubší pochopení vlivů struktury na vlastnosti a chování kovových materiálů, a to ve vztahu k výrobním technologiím na jedné straně a k provozním podmínkám na straně druhé. Teoretickým základem novodobého materiálového inženýrství a strojírenských technologií v oblasti kovů se stal předmět „Fyzikální metalurgie“. Zabývá se takovými jevy a pochody, jejichž znalost je nezbytným předpokladem pro kvalifikované působení materiálově a technologicky zaměřených strojních inženýrů v praxi. Obsah předmětu „Fyzikální metalurgie“ zahrnuje mezi jinými např. podstatu krystalické a amorfní struktury, strukturní defekty, fázové přeměny, deformační mechanismy, únavu a únavové poškození, tečení, mechanismy porušování a korozi. V 60. letech minulého století začaly pozornost strojních inženýrů přitahovat plasty, které měly lepší mechanické vlastnosti než ty stávající, jako byl např. polyvinylchlorid nebo polyetylen, a byly již vyráběny v provozním měřítku. Do povědomí strojařů se tak začaly dostávat polyamid (PA), polyetylentereftalát (PET), polyoxymetylen (POM) a polykarbonát (PC). Později tato skupina dostala přízvisko „konstrukční plasty“. Ve stejné době se začaly intenzivně rozvíjet i vyztužené plasty, především na bázi reaktoplastů. Pro strojaře se tím otevřela nová atraktivní materiálová oblast, dnes zahrnovaná pod obecnější pojem kompozity. Od 80. let pak mají strojní inženýři možnost využívat i speciální skupiny plastů s velmi dobrými mechanickými vlastnostmi při současně vysoké teplotní a korozní odolnosti. Nejvýznamnějšími představiteli jsou polyetereterketon (PEEK), polysulfony (PSU), polyfenylensulfid (PPS) a polyimidy (PI). Velmi rychle se začala šířit nová materiálová „ideologie“ zaměřená na využití těchto materiálů ve strojírenství. Odborníci si začali klást otázky, jak se vlastnosti těchto materiálů odvíjejí od jejich struktury a jak se chovají ve srovnání s kovy v provozních podmínkách. Výzkumem bylo potvrzováno, že jevy a pochody, kterými se u kovových soustav zabývá fyzikální metalurgie, mají zásadní význam i pro polymerní materiály, přirozeně se všemi pro ně specifickými vlastnostmi, vyplývajícími z charakteru makromolekulární struktury. Praktickými zkušenostmi lze doložit, že přenos „fyzikálněmetalurgických“ poznatků do výuky plastů a kompozitů je ve strojním inženýrství velmi užitečný a má svoje opodstatnění. Student by měl pochopit jak analogie, tak rozdíly v chování polymerních a kovových materiálů. Na technických univerzitách s programy strojního inženýrství však bylo zpočátku věnováno jen málo pozornosti této nově vznikající problematice. Překonávat tradiční výuku založenou jen na ocelích a neželezných kovech bylo velmi obtížné a i v současné době je ve výuce strojních inženýrů věnováno plastům a kompozitům poměrně málo prostoru.

Jak řeší symbiózu kovů a plastů zahraniční univerzity

Narůstající potřeba sbližování a propojování výuky strojního inženýrství založeného na kovových materiálech s výukou plastů a kompozitů se na zahraničních univerzitách s programy strojního inženýrství realizuje různými způsoby. Například na univerzitě Massachusetts-Lowell profesor Russel Ehlers pochopil již v roce 1954 budoucí poptávku po strojních inženýrech, kteří umějí konstruovat s plasty a navrhovat i způsoby výroby plastových dílů. V průběhu následujících let byl na této univerzitě vytvořen studijní program nazvaný „Plastové inženýrství“ (Plastic Engineering), ve kterém se s klasickými předměty strojního inženýrství vzájemně kloubí předměty zaměřené na chemii, strukturu a vlastnosti polymerních materiálů, konstruování, zpracovatelské a výrobní procesy. Plastové inženýrství se postupem času rozšířilo na řadu dalších univerzit, nejenom v USA. Před nedávnou dobou (2009/2010) byl analogický program zahájen pro bakaláře na univerzitě J. Keplera v rakouském Linci a následně i v magisterském studiu pod názvem „Industrial Plastic Engineering“. Toto interdisciplinární studium bylo zavedeno v úzké spolupráci s průmyslovým sektorem a motivováno bylo v Evropě rostoucí poptávkou po inženýrech s kombinovanou kvalifikací jak ve strojním inženýrství, tak v materiálovém inženýrství zaměřeném na plasty a kompozity. Oba studijní programy mají nadnárodní charakter a jsou vyučovány v angličtině. Zajímavý příklad lze uvést z afrického kontinentu. Sudan University of Science and Technology (SUST), College of Engineering, založila již před řadou let rovněž obor „Plastové inženýrství“, a to jako paralelu k tradičním technickým disciplínám, jako je strojní, elektrotechnické, letecké nebo biomedicíncké inženýrství. Je to zatím jediné, takto specializované studium v Africe a v zemích Středního východu. North Dakota State University v USA řeší výuku tím způsobem, že v rámci strojního inženýrství je nabízen volitelný studijní směr, který vychovává strojní inženýry specializované na polymerní materiály. Prozatím zcela unikátní studijní program nazvaný „Mechanical Polymer Engineering“ zavedla v USA renomovaná univerzita v Akronu. Jeho podstatou je úplná integrace strojního a polymerního inženýrství. Vedle strojírenských disciplín a metalurgie je důraz kladen na chemii polymerů, jejich morfologii, inženýrské vlastnosti, konstruování s plasty a kompozity a také výrobu nových polymerních materiálů a kompozitů.

Výuková databanka plastů.

Vývoj výuky na Fakultě strojní ČVUT v Praze

V Československu se průkopníkem výuky plastů a kompozitů pro strojní inženýry stala fakulta strojní ČVUT v Praze. Pravidelná výuka polymerních materiálů na tehdejší katedře materiálu byla zahájena již v polovině 60. let Ing. V. Zilvarem, CSc., pozdějším významným profesorem ČVUT v Praze, který se zasloužil nejen o počátky, ale i o další mnohaletý rozvoj výuky plastů a kompozitů pro strojní inženýry. V té době byla založena i laboratoř zaměřená na výzkum těchto materiálů. V Československu se tak budoucí strojní inženýři poprvé dozvídali o zvláštnostech chování polymerních materiálů a měli tak možnost porovnávat si je s kovovými konstrukčními materiály. Tehdy u nás ještě studenti netušili, jak obrovský rozmach těchto materiálů nastane v příštích desetiletích a v jak velké míře je budou využívat strojírenské obory. S odstupem času lze zahájení výuky plastů pro studenty strojního inženýrství ČVUT hodnotit jako jeden z prvních počinů toho druhu ve světě. Pozornost byla již v tehdejší době věnována také dodatečnému vzdělávání inženýrů, dnes nazývanému celoživotní vzdělávání. Během druhé poloviny 60. let byl na základě požadavků a zájmu široké technické veřejnosti zahájen čtyřsemestrový postgraduální kurz „Použití plastických hmot ve strojírenství“. Ve třech semestrech v něm byly přednášeny předměty Struktura a vlastnosti plastů, Zpracování plastů a Konstruování s plasty a aplikace. Kurz tak měl komplexní charakter a zahrnoval celou problematiku související s použitím plastů ve strojírenství. Ve čtvrtém semestru studenti zpracovávali závěrečné práce na náměty ze svých pracovišť. Mezi technickou veřejností byl kurz vysoce uznávaný a jeho absolvování se tehdy stalo i oficiálním podkladem pro zvýšení kvalifikace a tím i finančního ohodnocení inženýrů. O kurz byl zájem nejenom mezi strojními inženýry, ale také inženýry stavebními, elektrotechnickými, chemickými i ekonomickými. Kurz podobného rozsahu i odborné úrovně neměl ve světě obdoby, a to ani v USA a Německu, zemích s největším rozvojem průmyslu plastů. Bohužel z důvodu začínajících změn ve společnosti i ve studiu a větší finanční náročnosti byl kurz v polovině 80. let zrušen. Svět však paradoxně právě v této době zaznamenával nebývalý rozmach strojírenských aplikací plastů a kompozitů.

V řádném studiu se však výuka plastů v  dalších desetiletích dále systematicky rozvíjela, rozšiřovala a aktualizovala, postupně byla do programu zařazována problematika polymerních kompozitů. V konečné fázi vývoje vznikly pro obor materiálové inženýrství předměty „Nekovové materiály“ a „Kompozity“, obojí v rozsahu hodin 3+2 (přednášky+laboratorní cvičení), pro technology pak předmět „Nekovové materiály“, který zahrnoval jak polymerní materiály, tak kompozity s polymerní matricí. Takovýto rozsah výuky byl v poměru k výuce kovových materiálů považován za poměrně uspokojující. V této formě byla výuka provozována po řadu let a studentům poskytovala znalosti o polymerních materiálech od struktury až po aplikace (obr. 1, 2). Pro předmět "Kompozity" byla vytvořena unikátní internetová učebnice (autorem je doc. Ing. Zdeněk Kořínek, CSc.), která svým rozsahem, kvalitou a průběžnou aktualizací nemá v internetové literatuře o kompozitech obdoby.

Jako součást výuky byly zavedeny exkurze do podniků vyrábějících plastové a kompozitové součásti a díly. Pro větší názornost výuky byla v nedávné době na Ústavu materiálového inženýrství vybudována databanka plastů (obr. 3) a vytvořena sbírka technických aplikací plastů (o obojí se především zasloužil konzultant ústavu Ing. Milan Vaněk). Pro jednoduchost jsou v databance vzorky kategorizovány podle tří, pro strojaře nejtypičtějších vlastností: modulu pružnosti, pevnosti (resp. meze kluzu) a teploty použití. Studenti mají možnost si sami jednotlivé druhy plastů „osahat“, což zjevně zlepšuje jejich povědomí o těchto materiálech. V rámci reorganizace studia byl však rozsah materiálové výuky plastů a kompozitů omezen a místo původních předmětů je od roku 2012 do výuky nového oboru „Výrobní a materiálové inženýrství“ zaveden předmět „Nekovové materiály“ pouze v rozsahu hodin 2+2. Stává se tak v době, kdy polymerní materiálové inženýrství se celosvětově intenzivně rozvíjí, kdy strojírensky zaměřená univerzitní pracoviště výuku plastů a kompozitů rozšiřují a kde ještě součástí výuky není, tak ji zavádějí.

Pokračování příště.

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

Fakulta strojní ČVUT v Praze

jose.steidl@gmail.com

Foto: Ing. Z. Jeníková, Ph.D.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 130118
Datum: 13. 02. 2013
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Česko a Sasko společně pro plasty

Pracovní skupina zabývající se technologiemi plastů a vláknových kompozitů se na Vysoké škole v Žitavě/Zhořelci (Hochschule Zittau/Görlitz) začala postupně ustavovat v zimním semestru roku 2015.

O výuce plastů a kompozitů pro strojaře

Významným aspektem, který na fakultě strojní ČVUT v Praze charakterizoval vývojový proces výuky plastů a kompozitů již od přelomu 60. a 70. Let, bylo důsledné spojování výuky s výzkumem. Základem výuky totiž bylo nejenom předávání stávajících znalostí v oboru, ale také vytváření nových znalostí vlastním výzkumem, ať již základním nebo aplikovaném. Jedná se o proces, který je v současné době zdůrazňován v diskusích o reformě vysokého školství. Pokračování z minulého vydání.

Související články
Plasty v automobilovém průmyslu

Na světě je v současnosti přibližně 800 miliónů automobilů a prognózy růstu mluví o zvýšení jejich počtu na dvě miliardy do roku 2030. Tento výhled činí z automobilového průmyslu jedno z nejperspektivnějších průmyslových odvětví pro nejbližších patnáct let.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
On-line sledování forem

Zásadní otázka sledování nástrojů se dá zjednodušit na boj mezi manažery projektů a mezi výkonnými pracovníky. Zatímco řídicí pracovníci by chtěli maximum informací pokud možno v reálném čase, výkonní pracovníci jsou časově zaneprázdněni samotnou výrobou a přepisování informací do systému je nijak zvlášť neinteresuje, ba naopak zdržuje od jejich hlavní práce.

Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Otto Wichterle - vzpomínka studentů ke 100. výročí narození

V říjnu letošního roku uplyne 100 let od narození významného vědce, vynálezce a učitele, profesora Otty Wichterle. Proslavil se doma i ve světě především jako vynálezce měkkých kontaktních čoček, což byl objev znamenající pro lidstvo významný pokrok v očním lékařství. Veřejnosti méně známé jsou jeho zásadní práce v oblasti polyamidové chemie.

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

Polyuretanový řemen jako náhrada lan u výtahů

Moderní pohony sjednocují dynamickou únosnost, přesnost a provozní spolehlivost s co nejvyšší hospodárností. Dlouholeté zkušenosti firmy Continental Contitech a kooperace při vývoji a prvovýrobě nabízí konstruktérům a uživatelům neustále nové technologické perspektivy.

Použité pneumatiky - kam s nimi?

Na začátku byl skvělý vynález: pneumatika. Byla vynalezena v devatenáctém století, úžasně zlepšovala vlastnosti jízdních kol a její vynález byl patentován. Později našla uplatnění především v automobilovém a leteckém průmyslu a dnes tvoří každodenní součást našeho života.

Za plasty v říjnu na K 2013

Tradičně po třech letech se ve dnech 16. - 23. října 2013 koná v Düsseldorfu již 19. mezinárodní veletrh plastů a kaučuku K 2013, největší světová akce oboru od níž se očekávají nejen premiéry nových materiálů ale i ukázky nových aplikací s vyšším využitím vlastností známých materiálů s cílem snížení hmotnosti a spotřeby energie při užití obnovitelných zdrojů.

Výroba lékařské techniky

Když jde o bezpečnost pacienta, je nevyhnutelná spolupráce založená na důvěře a spolehlivosti mezi výrobcem plastů a výrobcem lékařské techniky.

Materiálová řešení vodovodních fitinků

V posledních letech legislativa zpřísňuje předpisy o povoleném obsahu olova v materiálech přicházejících do styku s pitnou vodou. Týká se to především mosazi, tradičního materiálu na výrobu spojovacích součástí vodovodních systémů (fitinků).

Výroba kompozitového airboxu pro formuli

V minulém roce dosáhl tým CTU CarTech v soutěži Formula student výborných výsledků postupně 7., 6. a ve španělském závodě Formula Student Spain - Montmélo dokonce 2. místem.

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