Témata
Zdroj: Intemac Solutions

Ocelobetonové konstrukce zvyšují výkonnost obráběcích strojů

Ocelobetonové konstrukce představují zajímavé řešení pro nosné části obráběcích strojů. Výrobce TOS Kuřim společně s výzkumnou organizací Intemac Solutions a Vysokým učením technickým v Brně vyvinuli řešení, které významně zlepšuje vlastnosti strojů a umožňuje zvyšovat výkon obrábění díky potlačení nežádoucího chvění.

Josef Knobloch

Výzkumný pracovník ve společnosti Intemac Solutions se specializací na průmyslovou metrologii, diagnostiku a zvyšování přesnosti výrobních zařízení, vývoj metod pro pokročilé kompenzace strojů a projektový management VaV projektů. Jeho zkušenosti zahrnují sed let s VaV projekty a pět let se zaváděním nových metrologických metod ve výrobních podnicích.

Petr Kupka

Vystudoval na VUT Brno obor Dopravní a manipulační technika. V roce 2005 nastoupil do firmy TOS Kuřim-OS na pozici zkušební technik. Později pracoval u firmy DMG Mori Czech na pozici servisní technik. Od roku 2017 pracuje opět v TOS Kuřim-OS na pozici vedoucího technologie a technického rozvoje, kde se podílí na směrování vývoje a inovací obráběcích center, zkouškách vývojových prototypů a v neposlední řadě vede agendu dotačních projektů.

Proč využívat kompozitní materiály pro konstrukce obráběcích strojů

Na nosné díly obráběcích strojů jsou kladeny vysoké a často protichůdné požadavky. Musejí dostatečně efektivně nést veškeré zatížení, tlumit vibrace, být dlouhodobě geometricky a teplotně stabilní. Zároveň je nutné, aby rámy byly co nejlehčí a přitom vyrobeny z cenově dostupného materiálu. Méně tradičním materiálům se nedaří prosadit a většina výrobců stále raději spoléhá na litinové, ocelolitinové nebo svařované nosné díly. Důvod je nasnadě – jedná se o dlouhými desetiletími prověřená a postupně optimalizovaná řešení. Na druhou stranu dnes již nemůžeme od konvenčních materiálů očekávat výrazný posun kupředu.

Nosné díly obráběcích strojů musejí být schopny odolávat zátěži. (Zdroj: Intemac Solutions)

Firma TOS Kuřim se rozhodla na svých strojích aplikovat tzv. ocelobetonové nosné díly. Společně se specialisty centra Intemac a Fakulty stavební VUT v Brně vyvinula vlastní řešení, které se aplikovalo na ložích a stojanech horizontálních frézovacích center FUT a FU. Výzkum a vývoj v oblasti ocelobetonových kompozitních dílů byl podpořen grantem Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FV20595, což umožnilo optimalizovat řešení a dosáhnout dalšího zlepšení užitných vlastností.

Unikátní ocelobetonová konstrukce vykazuje menší vibrace a menší teplotní deformace

Tradiční kovové materiály mají omezení z hlediska vysoké tepelné vodivosti a objemové hmotnosti, ale také nízkého koeficientu materiálového tlumení. Vhodným řešením, s ohledem na maximalizaci užitných vlastností výsledného stroje, jsou právě kompozitní dílce na bázi konstrukční oceli a vysokohodnotných betonů (HPC/HSC). Spojením těchto materiálů vzniká unikátní kompozit, který efektivně využívá vysoké tahové a tlakové pevnosti oceli a značné tuhosti, útlumu a tepelné setrvačnosti HSC betonu. Díky těmto vlastnostem je ideální pro použití právě na nosné díly obráběcích strojů.

Ocelobetonové díly nelze na první pohled rozeznat, unikátní jsou díky své betonové výplni. (Zdroj: Intemac Solutions)

Ocelový svařenec vyplněný betonem tvoří formu a zároveň obálku, na které jsou obrobeny veškeré funkční plochy. Díky tomu je zachována vysoká přizpůsobitelnost svařovaných nosných dílů, což umožňuje provádět dodatečné úpravy v případě nově vzniklých požadavků (na stroj). Spojení obou materiálů je zajištěno pomocí spřahovacích prvků, jejichž návrh musí zajistit vzájemný silový přenos a kompatibilitu přetvoření mezi oběma materiály a musí respektovat očekávané namáhání výsledného dílce.

Technickou předností ocelobetonového kompozitu je dosažení vyšší statické a dynamické tuhosti a tepelné stability, přičemž výrobní náklady jsou zde srovnatelné s díly z tradičních kovových materiálů. Tyto vlastnosti jsou základními předpoklady vysoké přesnosti obrábění. Ocelobetonové kompozity navíc vykazují vysoké hodnoty materiálového tlumení díky betonu, který se skládá z více makroskopických fází. Ocelobetonová struktura je charakteristická velkým množstvím vnitřních materiálových rozhraní. To spolu s vyšší dynamickou tuhostí posouvá oblast stabilitního obrábění do vyšších otáček a větších úběrů materiálu a umožňuje zvýšit výkon obrábění bez nežádoucího chvění. Z hlediska trvanlivosti nosných dílů je další vynikající vlastností betonu jeho vysoké pH (12,0 až 12,5), které způsobuje tzv. pasivaci oceli. Díky této charakteristice nedochází ke korozi vyplněných částí ocelového svařence ani ve vlhkém prostředí.

Nově vyvinuté nosné díly je možné vyrábět modulárně s možností využití pro horizontální frézovací centra s pohyblivým/pevným stojanem a pro portálová obráběcí centra.

Zkouška dynamických vlastností ocelobetonového dílu. (Zdroj: Intemac Solutions)

Vývoj ocelobetonových komponent

Od roku 2017 je problematika ocelobetonových konstrukcí řešena v grantovém projektu FV20 595, podporovaném Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR, společně se spoluřešiteli TOS Kuřim, Ústavem betonových a zděných konstrukcí a Ústavem technologie stavebních hmot a dílců při VUT v Brně.

V rámci tohoto projektu byla vyvinuta a dále vylepšena speciální receptura tzv. vysokopevnostního betonu (HSC), která dosahuje pevnosti v tlaku v rozmezí 85 až 120 MPa. Klíčovou materiálovou vlastností navrženého betonu je ovšem hodnota statického modulu pružnosti. Vhodným složením směsi HSC a též optimalizací výrobního postupu bylo dosaženo ve srovnání s běžnými betony vysokých hodnot modulu pružnosti, který se pohyboval na úrovni 40 GPa. Pro účinné spojení betonového jádra a ocelového svařence bylo také nutné minimalizovat celkové hodnoty negativních objemových změn betonu (smrštění) na úroveň pod 0,5 mm.m–1. Toho se docílilo tzv. superplastifikačními přísadami, které redukovaly množství záměsové vody a zároveň zachovaly potřebnou reologii v čerstvém stavu betonu. Pomocí těchto přísad se zajistilo zatečení betonu do všech částí ocelového svařence a dokonalé obalení ocelové výztuže. Vedle toho se doplnily další chemické přísady k urychlení náběhu pevnosti. Tím došlo k dostatečnému nárůstu pevnosti betonu dříve, než by jinak došlo (vlivem smrštění) k odtržení betonové výplně od ocelových prvků.

MKP model musí postihovat reálné chování kompozitu. (Zdroj: Intemac Solutions)

Při návrhu ocelobetonových dílů byl použit MKP topologický model, který zohledňuje materiálové vlastnosti betonové výplně a její chování ve vztahu k ocelovým prvkům. Pro zpřesnění výpočetního modelu bylo nutné vyrobit funkční vzorky reprezentující klíčové prvky ocelobetonových komponent. Na těchto vzorcích byla provedena řada (ne)destruktivních zkoušek, které si kladly za cíl kvantifikovat klíčové materiálové vlastnosti, parametry vazeb a též okrajové podmínky ovlivňující chování kompozitního dílce. Na základě získaných dat byl vytvořen MKP model postihující reálné chování ocelobetonových struktur, který simuloval především jeho statické, dynamické a teplotní namáhání. Vedle toho byly finální ocelobetonové rámy osazeny senzorikou (tenzometry) pro měření vnitřního napětí a teplotními čidly pro stanovení přestupu a šíření tepla. Takto získaná data později umožnila ověřit, že reálné vlastnosti dílců odpovídají jejich teoreticky uvažované charakteristice.

Výsledky simulace procházely experimentální validací. (Zdroj: Intemac Solutions)

Snížili jsme hmotnost dílů a zachovali jejich vynikající vlastnosti

U ocelobetonových dílů je daní za dobré fyzikálně-mechanické vlastnosti obecně vyšší hmotnost. Jednou z motivací projektu bylo tedy snížit celkovou hmotnost dílů a přitom zachovat vynikající fyzikálně-mechanické vlastnosti. Na horizontálních centrech FUT tvoří pohyb ocelobetonového stojanu strojní osu Z. Snížení setrvačné hmotnosti má vliv na zlepšení dynamické odezvy řízené osy, a tedy na zvýšení přesnosti, zejména při pětiosém obrábění. Pro snížení hmotnosti byla na sestaveném MKP modelu ocelobetonového kompozitu provedena topologická optimalizace, kde hlavními parametry byly tloušťky ocelových plechů svařence, topologie vnitřního žebrování, rozmístění spřahovacích prvků a armování betonu a v neposlední řadě objemové rozložení betonu uvnitř svařence. Zatímco na teplotní stabilitu dílců prováděné změny měly vliv minimální, na statickou a dynamickou tuhost byl vliv značný. Cílem optimalizace bylo tedy maximalizovat koeficient, který v sobě zahrnuje přímou úměrou statickou a dynamickou tuhost a nepřímou úměrou celkovou hmotnost. Tento poměrný koeficient byl optimalizací nakonec zvýšen o 9 % u lože, resp. 7 % u stojanu.

Na ložích a stojanech horizontálních frézovacích center FUT společnosti TOS Kuřim-OS byly aplikovali nově vyvíjené kompozitní materiály. (Zdroj: TOS Kuřim-OS)

Vlastní frekvence ocelobetonových komponent jsou posunuty výše v porovnání se stejnou rozměrovou variantou v litém provedení, a to jak u lože, tak u stojanu. V kombinaci s vyšším útlumem vibrací ocelobetonová varianta výrazně převyšuje dynamické vlastnosti litých a svařovaných dílů. U svařovaných dílů bez betonu se také vyskytují výraznější akustické emise, které jsou po vyplnění betonem utlumeny. Díky datům o zatěžování během jejich životního cyklu bylo možné dále upravit betonovou směs za účelem lepší adheze a dále lépe dimenzovat armování a spřahovací prvky svařence, čímž došlo k rovnoměrnějšímu rozložení napětí a k snížení celkových deformací.

Ocelobetonové díly – lože. (Zdroj: Intemac Solutions)

Dále byla u dílců provedena opatření pro lepší zatékání betonu a zabránění vzniku vzduchových kavit. Byly stanoveny postupy pro výrobu, která je v mnoha ohledech specifická. Zejména bylo nutné stanovit časové uzly zrání betonu, po jejichž uplynutí může následovat fáze obrábění, geometrická montáž a osazení komponenty.


Článek vznikl v rámci projektu FV20595 „Ocelobetonová konstrukce přesných obráběcích strojů“, podpořeného v programu TRIO Ministerstva průmyslu a obchodu (MPO).

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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