O výuce plastů a kompozitů pro strojaře

V oblasti plastů a kompozitů tento systém na katedře materiálu fungoval nepřetržitě po několik desítek let. Již před mnoha lety se tak řídil zásadou, že kvalitní výuka podporuje schopnosti inženýrů pro inovace a výzkum a naopak, vlastní výzkum obohacuje a zkvalitňuje výuku. V oblasti základního výzkumu je nutno vyzdvihnout úzkou a dlouhodobou spolupráci s ČSAV (později AV ČR), konkrétně s Ústavem makromolekulární chemie a Ústavem teoretické a aplikované mechaniky, v aplikovaném výzkumu a experimentálním vývoji pak spolupráci s podniky vyvíjecími průmyslovou výrobu nových polymerních materiálů (např. k. p. Chemopetrol). V rámci řady státních výzkumných úkolů a po 90. roce grantových projektů byly u polymerních materiálů studovány zejména ty jevy, které v oblasti kovů spadají do problematiky fyzikální metalurgie. Studovány byly např. fázové transformace konstrukčních plastů vyvolané tepelným a mechanickým namáháním včetně únavy, vlivy zpracovatelských podmínek na krystalickou strukturu, fázové transformace difuzního i bezdifuzního typu, deformační mechanismy, struktura a vlastnosti polymerních směsí a slitin, lomové procesy (obr. 1) atd.

Do výuky pak byly pravidelně zařazovány zobecňující výsledky vlastního výzkumu, jako např. o vlivu velikosti krystalických útvarů na mez kluzu (analogie Hall-Petchova vztahu u kovů), o aplikaci dislokační teorie na deformační chování krystalizujících polymerů, transformaci martenzitického typu u polyetylenu, šíření únavových trhlin (aplikace Parisova vztahu), významu hranic sférolitických útvarů pro deformační a lomové chování (analogie s hranicemi zrn u kovů), vlivu nanočástic na krípové chování aj., tedy typické jevy „fyzikálněmetalurgického charakteru“. Kromě toho bylo předmětem výzkumu polymerních materiálů i využití některých technologických procesů známých z oblasti kovů, jako tepelné zpracování a tváření za studena. Výzkum se zaměřoval i na nové technologie, jako např. recyklační procesy nebo slinování polymerních prášků. Progresivním rysem výuky i výzkumu se stávaly myšlenky inspirované fyzikální metalurgií. Výzkum tak pomáhal budovat teoretický základ strojírenského materiálového inženýrství zaměřeného na polymerní materiály.

Polymerní materiály byly v minulosti chápány výhradně jako součást chemických disciplín, nikoliv strojního inženýrství. Tento přístup přežívá do značné míry i dodnes, i když současné pokročilé strojírenství zcela jasně dokládá, že polymerní materiály a kompozity do strojního inženýrství vedle kovových materiálů patří a návrhy moderních strojírenských výrobků se bez nich jen těžko mohou obejít. Obecným a zásadním problémem výuky plastů a kompozitů pro studenty strojního inženýrství je vytvoření kvalifikovaného kolektivu vyučujících, kteří mají odborné znalosti a zkušenosti jak z oblasti kovových, tak polymerních materiálů. Jak ukazují poznatky ze zahraničí, takovýchto odborníků je ve strojírensky zaměřených oborech stále velmi málo. Ústav materiálového inženýrství (dříve katedra materiálu) byl v tomto směru jedním z mála univerzitních pracovišť, kterému se takovýto kolektiv podařilo vytvořit. Škoda že je to již minulostí.

Výuka polymerních materiálů pro strojaře musí zahrnovat některá specifická hlediska, která jsou od výuky kovů odlišná. Ačkoliv ve fyzikálních hlediscích, jak naznačuje předešlá kapitola, jsou si polymery a kovy v mnohém podobné, zcela odlišný je chemický pohled. Jedná se především o chemický výklad materiálových vlastností a některých zpracovatelských technologií. Jak je všeobecně známo, studenti strojního inženýrství příliš neoplývají vstřícným vztahem k chemii, zvláště pak ne k organické. Pro ilustraci i pobavení ukazuje obr. 2 autorem článku ztvárněný vzorec polyamidu 6 (polykaprolaktamu), inspirovaný názvem uvedeným pro tento polymer řadou studentů v písemných testech.

Na rozdíl od kovů, tzv. nové materiály, ať již polymerní nebo keramické, jsou založeny téměř výhradně na chemických procesech. Pro pochopení vzájemných vztahů mezi strukturou a vlastnostmi polymerních materiálů je nezbytné, aby si studenti uvědomili, že od jednoho druhu polymeru existuje na trhu obvykle až několik desítek variant lišících se molekulární strukturou (molární hmotnost, rozvětvení, kopolymery), modifikací jinými polymery za vzniku polymerních směsí a slitin a úpravou vlastností pomocí aditiv, jako např. tepelných stabilizátorů, antioxidantů, retardérů hoření, stabilizátorů proti UV záření, nukleačních činidel, plniv, nanočástic atd. Vytvrzování reaktoplastů a reaktoplastových kompozitů je chemickou reakcí, jejíž průběh může významně ovlivnit konečné vlastnosti výrobku. Kompozitní materiály obsahují vlákna, textilie a vazebné prostředky různého chemického složení, trendem poslední doby jsou kompozity s přírodními vlákny. Všechny tyto strukturní faktory jsou tak úzce svázány s chemií. U plastů neexistuje materiálový normalizační systém podobně jako u ocelí, kde určité číslo normy definuje chemické složení a současně udává i zaručené vlastnosti. Výběr optimálního materiálu pro danou aplikaci tak vyžaduje alespoň základní znalosti o vlivu uvedených strukturních faktorů a modifikací na vlastnosti daného polymeru. Vzhledem k pronikavému nástupu nových materiálů do strojírenských oborů je proto zapotřebí, aby i výuka strojních inženýrů poskytovala chemické znalosti, které úzce souvisejí s materiálovými vlastnostmi polymerních materiálů. Jejich chemická podstata má totiž významný vliv na porušování a životnost plastových a kompozitových dílů a konstrukcí.

Na využití plastů a kompozitů ve strojírenství se celosvětově soustřeďuje značná pozornost, protože v moderním strojírenství tyto materiály hrají významnou úlohu v inovačních procesech a zajišťování konkurenceschopnosti strojírenských výrobků. Nebývalý zájem o tyto materiály proto projevují přední strojírenská odvětví, jako jsou automobilový, letecký, lodní a energetický průmysl, výroba kolejových vozidel, manipulační a automatizační technika, vojenská technika, výrobní stroje a zařízení a rovněž lékařská zařízení a přístroje. V posledních letech lze pozorovat intenzivní snahy o posun ve využití polymerních materiálů od staticky namáhaných součástí nebo součástí, které mechanicky namáhány nejsou, a využívá se u nich pouze jiných výhodných vlastností. Rostoucí aplikace na dynamicky namáhané součásti a díly dokládá nejenom současný vývoj konstrukcí letadel a automobilů. Z kompozitů s polymerní matricí již byly vyvinuty vysoce dynamicky namáhané strojírenské díly, jako jsou např. hnací hřídele, hřídele vrtných souprav, ramena robotů, vřeteníky frézek, dříky ventilů spalovacích motorů, pružiny a podvozky nákladních vagonů, balistické ochrany vojenské techniky i osob. V současné době již pominuly snahy za každou cenu nahrazovat kovy plastem, často chybně nebo neúčelně, jak se tomu dělo v dobách, kdy se plasty začaly vyrábět v masovějším měřítku. Cílem je efektivně využívat kombinace vlastností, které polymerní materiály poskytují a kterých nelze použitím kovových materiálů dosáhnout. Pro strojírenské aplikace jsou jako hlavní kritérium obvykle považovány mechanické vlastnosti, zejména modul pružnosti a pevnost. Ty jsou však paradoxně slabinou polymerních materiálů. Kromě špičkových kompozitů s uhlíkovými výztužemi polymerní materiály nedosahují mechanických vlastností srovnatelných s kovy. Nicméně u strojírenských výrobků nejsou vždy rozhodující pouze modul pružnosti a pevnost, a jestliže jsou vyrobeny z oceli, jsou vlastně předimenzovány. Často větší význam mají jiné mechanické vlastnosti, jako jsou mechanické tlumení, únavové vlastnosti a odolnost proti opotřebení. Polymerní materiály přinášejí strojnímu inženýrství z hlediska materiálových vlastností i další výhody. Patří mezi ně kluzné vlastnosti, odolnost proti korozi, eliminace hluku, u pohyblivých součástí, jako jsou např. vřeteníky vysokorychlostních frézek (obr. 3) nebo robotická zařízení, je to zmenšení setrvačných sil. Strojní inženýr by pak měl umět těchto předností kompozitních materiálů ve svých návrzích využívat a umět dynamicky namáhané kompozitové díly také vybavovat moderními adaptronickými prvky.

Aktuálním diskusním tématem jsou požadavky praxe na znalosti strojních inženýrů v oblasti polymerních materiálů včetně kompozitů, a tedy to, jak by měl program studia na požadavky praxe reagovat. V rostoucím měřítku se projevuje citelný nedostatek inženýrů, kteří mají na jedné straně strojařské myšlení, mají vysokou úroveň znalostí v oblasti konstruování, ale současně disponují i velmi dobrými znalostmi o vlastnostech polymerních materiálů a kompozitů a ovládají všechna jejich specifika potřebná pro kvalitní návrhy plastových a kompozitních dílů a způsobu jejich výroby. Znalosti o vlastnostech a chování plastů a kompozitů je nutno propojovat se znalostmi o kovech, protože to v praxi umožňuje realizovat zcela nové inovační přístupy a využívat možností integrace kovových a polymerních materiálů v jednom výrobku nebo konstrukci. Optimální koncepce moderní materiálové výuky plastů a kompozitů pro strojaře by tak měla být založena na kombinaci fyzikálněmetalurgického a chemického přístupu. Přispělo by to k hlubšímu pochopení materiálových vlastností polymerních materiálů z hlediska jejich využití ve strojírenství. Obecně to však vyžaduje výuku ve větší míře souměřitelnou s rozsahem výuky kovových materiálů.

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

Fakuta strojní ČVUT v Praze

jose.steidl@gmail.com