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.

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.

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
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
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.

Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Související články
Kompozity s přírodními vlákennými plnivy kokosu

Polymerní materiály a jejich kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím materiálům. Mezi polymerní materiály s prudkým rozvojem patří aplikace přírodních vláken (NF) do syntetických matric.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Úloha 3D tisku při vývoji kompaktních stavebních strojů

O rapid prototypingu, respektive 3D tisku se v poslední době hodně mluví. Jaké je ale jeho skutečné praktické uplatnění? Na to jsem se zajel podívat do vývojového centra společnosti Doosan Bobcat Engineering v Dobříši.

Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Cesta k budoucímu růstu vede přes investice

Rok 2020 by se dal přejmenovat na Rok černých labutí. Ekonomové k těmto původem australským ptákům přirovnávají události, které nikdo nečeká a které hluboce zasáhnou samotné základy hospodářství. Tak jako to dokázala pandemie nového typu koronaviru. Ze dne na den donutila vlády, aby vypnuly na několik měsíců nejen českou, ale také další klíčové ekonomiky pro české exportéry.

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.

Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Vývoj úzkorozchodného tramvajového podvozku v laboratořích RTI

Výzkum a vývoj pohonu dvojkolí úzkorozchodného tramvajového podvozku probíhá v rámci kooperace zkušebny komponent dopravních prostředků, zkušebny provozní pevnosti a únavové životnosti, laboratoře pro virtuální prototyping a laboratoře strojírenských experimentálních metod, které jsou součástí Regionálního technologického institutu (RTI) – strojírenského a technologického výzkumného centra ZČU v Plzni, Fakulty strojní.

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.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Výzkum převodových mechanismů s ozubenými koly, brzd a spojek

Výzkum převodových mechanismů, brzd a spojek je pro Ústav konstruování a částí strojů Fakulty strojní ČVUT v Praze tradiční disciplínou. Ústav disponuje výpočtářskou a experimentální kapacitou v tomto oboru. V aplikační sféře se ústav zaměřuje na transportní, zemědělskou a stavební techniku a stroje a zařízení pro těžbu a zpracování nerostných surovin.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

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