Témata
Reklama

Plasty a kompozity naplňují materiálové požadavky moderního strojírenství

Základní myšlenky a souhrn přenášky pro "Univerzitu třetího věku"

S vývojem lidské společnosti je úzce spjat i vývoj požadavků na strojírenské výrobky a zařízení, které společnost pro svůj život nezbytně potřebuje, jinak je využívá nebo je na nich profesně závislá. Jedná se např. o požadavky na nízkou hmotnost, odolnost proti korozi, vysokou životnost a spolehlivost, ekonomicky a ekologicky přijatelnou technologii výroby, ale též o povrchové a estetické vlastnosti. Do budoucna pak mají klíčový význam požadavky na funkční integraci dílů a miniaturizaci součástí a nakonec na přijatelnou likvidaci výrobků.
"Materiál ve strojnictví jsou různé hmoty, ze kterých se skládají jednotlivé díly strojů a celé stroje a strojní zařízení a sluje pak materiál konstrukční" (Teyssler - Kotyška: Technický slovník naučný, díl VIII, nakl. Borský a Šulc, Praha 1932, s. 211). Autoři tehdy ještě netušili, že jednou z těch "různých hmot" se brzy stanou syntetické organické polymery a že budou vedle kovů hrát významnou úlohu v budoucím rozvoji strojního inženýrství. Látky polymerní povahy (plasty), stále více se prosazující jako konstrukční materiál, se na jedné straně stávají pro kovy konkurencí, na druhé straně však umožňují zcela nová materiálová řešení, založená na symbióze polymerů a kovů.
V přednášce jsou diskutovány principy materiálových řešení na bázi plastů a kompozitů a uvedeny příklady z leteckého a automobilového průmyslu, výroby lodí a kolejových vozidel, výrobních strojů a zařízení rovněž z oblasti biomedicíny.
Jsou shrnuty přednosti aplikace plastů a kompozitů ve strojírenství a problémy, které je nutno do budoucna řešit. V porovnání se současným stavem přednáška zdůrazňuje nutnost integrované strategie, vedoucí k širšímu uplatnění plastů a kompozitů, a tím i ke splnění požadavků na celosvětově konkurenceschopné strojírenské výrobky. Uveden je základní okruh priorit a materiálových a technologických trendů, které mohou aplikace plastů a kompozitů ve strojírenství výrazně podpořit.
Reklama
Reklama

Plasty a kompozity ve strojírenství

Použití plastů a kompozitů ve strojírenství vycházelo v minulosti zejména ze snahy (často i neopodstatněné) nahrazovat ocel a jiné kovové materiály. Hlavním argumentem bylo téměř ve všech případech snížení hmotnosti, v některých případech to byla i korozní odolnost, elektrické izolační vlastnosti nebo zřídka některé další důvody. S tímto přístupem byly v podstatě řešeny individuální případy strojírenských součástí a dílů. V posledních letech se ukazuje, že stále náročnější požadavky lidské společností na strojírenské výrobky je možno splnit mnohem intenzivnějším využitím plastů a kompozitů a jejich dalším vývojem s cílem dosáhnout vlastností žádaných ve strojírenství. Má-li ovšem být tento vývojový směr v rámci relativně nové skupiny materiálů vysoce efektivní, je nutno do budoucna přijmout integrovanou strategii pro plasty a kompozity, na základě níž budou současně jednak inovovány stávající výrobky, jednak uváděny do praxe zcela nové výrobky využívající specifických vlastností plastů a kompozitů, bude systematicky rozvíjen trh, budou brány v úvahu ekonomické aspekty, a v neposlední řadě budou přísně sledovány produktivita výroby a kvalita výrobků (technologické aspekty), bezpečnost zdraví a životní prostředí. Tato strategie bude vyžadovat zvládnutí materiálového vývoje v požadovaných směrech, principů konstruování s těmito materiály, modelování a predikčních metod pro materiály i celé součásti a díly a také nové výrobní technologie. Je zřejmé, že způsob vzdělávání bude v tomto směru hrát jednu z rozhodujících rolí.
V současné době materiály na bázi plastů a kompozitů a s nimi související technologie přesvědčivým způsobem pomáhají rozvíjet obor strojírenství jako celek. Dosud největší význam mají v leteckém průmyslu (sekundární i primární kompozitové konstrukce), automobilovém průmyslu (interiér, exteriér i pohonná jednotka) a výrobě plavidel všeho druhu. Ve stále větší míře se prosazují ve stavbě chemických a energetických strojů a zařízení (součásti čerpadel, odsiřovacích jednotek apod.) a v konstrukci výrobních strojů (např. vřetena obráběcích strojů). Polymerní a kompozitní materiály umožňují dosáhnout nejen základního požadavku společného pro téměř všechny aplikace, tj.snížení hmotnosti, ale umožňují i mnohem větší "svobodu konstruování" a tím i lepší podmínky pro inovace.

Vlastnosti plastů a kompozitů

Plasty a kompozity splňují následující soubor vlastností:
  • pevnost a modul pružnosti přibližující se kovovým materiálům;
  • odolnost proti únavě lepší než u kovů;
  • vysokou rázovou a vrubovou houževnatost a odolnost proti šíření trhlin;
  • vysokou teplotní odolnost (vysokou teplotu skelného přechodu nebo tání);
  • schopnost tlumení vibrací;
  • balistické vlastnosti;
  • nehořlavost;
  • bariérové vlastnosti;
  • kvalitu povrchu třídy A, výrobu komponent, které nevyžadují lakování;
  • nízkou, případně nulovou teplotní roztažnost;
  • elektrickou vodivost;
  • korozní odolnost proti vysoce agresivnímu prostředí;
  • recyklovatelnost.
  • U moderních strojírenských výrobků jsou často požadovány takové kombinace vlastností, kterých nelze pomocí kovových materiálů vůbec dosáhnout. K těmto požadavkům přistupují nároky na zpracovatelské technologie, např. rychlost výroby, kombinace materiálů (plasty, kompozity a kovy, možnost výroby integrovaných modulů s kovovými zálisky apod.).

    Dělení plastů

    Vycházíme-li z praktického způsobu členění plastů na levné typy pro širokou spotřebu (styrenové plasty, polyolefiny a polyvinylchlorid), konstrukční plasty, které jsou dražší, ale mají lepší mechanické vlastnosti (ze základních typů to jsou lineární polyestery, polyamidy, polyacetaly a polykarbonát) a drahé speciální plasty (např. polyfenylensulfid, polyetherketony, polyetherimidy , polyimidy, polyamidoimidy, kapalně krystalické polymery), pak z hlediska strojírenských aplikací a tedy vysokých požadavků na mechanické vlastnosti přitahují pozornost skupiny konstrukčních a speciálních plastů. Naproti tomu ekonomická hlediska preferují levné plasty široké spotřeby (tzv. komoditní plasty).

    Vývoj komoditních plastů

    Jeden z význačných vývojových trendů proto vychází z této situace a cílem je modifikovat komoditní plasty takovým způsobem, aby svými vlastnostmi dosáhly vlastností plastů konstrukčních. Typickým příkladem je polypropylen, který je sám o sobě křehký při nízkých teplotách. Vytvořením směsi se speciálním kaučukem se dosáhne struktury odolné proti rázu při nízkých teplotách, a to při současně nízké ceně, což vytváří široké možnosti aplikací, např. v automobilovém průmyslu. Tvorba polymerních směsí a slitin (analogie s kovy), kopolymerace, případně kombinace obou a vývoj vhodných plniv a vazebných prostředků mezi plnivem a polymerem jsou hlavními způsoby, jak dosáhnout potřebných vlastností pro strojírenské aplikace. Jedním z nejvíce perspektivních způsobů modifikace vlastností polymerních materiálů je použití anorganických nanočástic s velkým aspektivním poměrem (poměr délky k průměru) jako modifikující složky. Příkladem těchto materiálů jsou jíly na bázi montmorillonitu. V současné době probíhá v celosvětovém měřítku intenzivní výzkum a vývoj přípravy polymerních nanokompozitů i hodnocení jejich vlastností. Studium struktury a vlastností polymerních nanokompozitů již přineslo množství výsledků, z nichž vyplývají některé zobecňující poznatky, jako například, že nanočástice zlepšují u polymeru pevnost a modul pružnosti, tvarovou stálost za tepla, bariérové vlastnosti, odolnost proti hoření a rozměrovou stabilitu. Stupeň plnění se pohybuje pouze okolo 2,5 %, to znamená, že efektu zlepšení vlastností se dosahuje při téměř zachované hustotě původního polymeru. Pozornost je již věnována krípu, únavě, lomovému chování, reologii tavenin, krystalizačním procesům apod. Úroveň zlepšení vlastností má různou míru v závislosti na druhu polymeru, chemické modifikaci a technologii přípravy. Výzkum v příštích letech ukáže, jakých mezních hodnot vlastností bude možno nanotechnologiemi u polymerů dosáhnout a v jakých aplikačních oblastech ve strojírenství budou významným přínosem po technické a ekonomické stránce. Počáteční vývoj těchto materiálů byl v Japonsku směrován do automobilového průmyslu, např. pro součásti v motorovém prostoru.

    Vstřikování

    Z technologického hlediska má pro plastové díly ve strojírenství největší význam vstřikování. Vzhledem k požadavkům aplikační sféry vývoj této technologie doznává značného pokroku. Jedná se např. o vícekomponentní vstřikování (jeden výrobek z více druhů materiálu), plynem nebo vodou podporované vstřikování (duté díly), mikrovstřikování (miligramové výstřiky), vstřikování strukturně lehčených plastů, vstřikování hybridních dílů z kovů a plastů (PA, POM, PBT) aj. Základním trendem v této oblasti je přesné vstřikování s tolerancemi srovnatelnými s kovovými součástkami a vstřikování složitých modulů (sací modul, palivový modul apod.).

    Třískové obrábění

    Ve strojírenské praxi existuje řada aplikací, které je výhodné řešit pomocí plastů a kompozitů, ale jedná se o malosériovou nebo kusovou výrobu. Pro tyto případy se jako velmi perspektivní jeví třískové obrábění polotovarů (desky, tyče), vyrobených zejména z konstrukčních nebo speciálních plastů. Obrábění plastů je i do budoucna perspektivní pro výrobu dílů výrobních linek, unikátních nebo robustních zařízení a strojů, u kterých se použitím plastů a kompozitů dosáhne originálního řešení s významnými technickými i ekonomickými efekty. Aplikace jsou především založeny na velmi dobrých kluzných vlastnostech a otěruvzdornosti některých plastů a kompozitů. Příkladem jsou kluzná vedení a unašeče řetězových dopravníků a linek, segmentová axiální a radiální ložiska turbín, kluzné segmenty obřích pásových nakladačů, výstelky násypek a žlabů elektrárenských zařízení, výstelky korečků velkorypadel apod.

    Dlouhovláknové kompozity

    Špičkových hodnost mechanických vlastností lze dosáhnout pouze u struktur s dlouhovláknovou výztuží v různé formě (rovingy, rohože, tkaniny). Největším přínosem pro oblast kompozitů jsou z mechanického hlediska uhlíková vlákna (mají nejširší spektrum mechanických vlastností), kromě toho jejich cena stále klesá a po technicko-ekonomické stránce se tak stávají vedle skleněných vláken stále žádanějším vyztužujícím materiálem. Strojírenské aplikace s mimořádnými požadavky na mechanické vlastnosti při nízké hustotě jsou ovšem založeny výhradně na uhlíkových kompozitech (letecké aplikace, chassi automobilů, hnací hřídele apod.). Z matric jsou nejpoužívanější nenasycené polyesterové pryskyřice, vinylesterové pryskyřice pro antikorozní aplikace (oboje v kombinaci se skleněnými vlákny) a epoxidy (s uhlíkovými vlákny). Ačkoliv náročnější aplikace jsou většinou řešeny z mechanického hlediska použitím kompozitu na bázi epoxy-uhlík, z kompozitu polyester-sklo jsou vyvíjeny rovněž vysoce namáhané díly, jako např. pružnice železničních vagonů a těžkých nákladních automobilů. Jedním z novějších vývojových směrů jsou kompozity s trojrozměrnou výztuží. Při mechanickém namáhání se tím zabraňuje delaminačním procesům, ke kterým může docházet u běžně používaných výztuží plošných. U reaktoplastových matric je nutno řešit řadu problémů souvisejících se smáčivostí vláken pryskyřicí, reakční rychlostí vytvrzování, skladovatelností prepregů, smrštěním při reakci, vedlejšími reakčními produkty apod. V oblasti dlouhovláknových kompozitů byla vyvinuta a dále je vyvíjena řada nových technologií. Jako perspektivní se např. ukazují metody SMC (sheet moulding compound) a RTM (resin transfer moulding).

    Recyklace plastů

    Snaha o recyklovatelnost materiálu kompozitních dílů vyráběných ve velkých sériích a technologické a ekologické důvody vede k nahrazování reaktoplastů termoplasty (zpracování není založeno na chemickém procesu). Technologie založené na termoplastech vyztužených dlouhými vlákny jsou považovány za velmi perspektivní do budoucna. Termoplastové prepregy typu Azdel na bázi polypropylenu a skleněných vláken, směsné tkaniny typu Twintex z termoplastových a vyztužujících vláken lze snadno tvarovat za tepla i na velkoplošné díly nebo celé výrobky (např. vojenské čluny). Pro termoplastové kompozity s výztuží ve formě rohože byla vyvinuta metoda GMT (glass mat reinforced thermoplastic).

    Kompozity s přírodními vlákny

    Zcela novým trendem v oblasti polymerních kompozitů je náhrada skleněných vláken vlákny přírodními. Len, konopí, sláma či dřevo jsou surovinami pro výrobu vláken, které jsou předmětem velkého zájmu. Vážně se uvažuje i o využití sisalových vláken izolovaných z Agave sisalana. Cílem jsou především materiály šetrné k životnímu prostředí. Kromě toho mají přírodní vlákna minimální abrazivní účinky, což zvětšuje životnost zpracovatelských zařízení. Nevýhodou je navlhavost, menší rozměrová stabilita a degradace oxidací. Aplikace přírodních vláken je významnou materiálovou obměnou, která tradičně směřuje také do automobilového průmyslu. Vyžadován je však modul pružnosti v tahu srovnatelný se skleněnými nebo aramidovými vlákny, tj. mezi 60 a 70 GPa. Očekává se, že biochemie pomůže novými enzymatickými pochody připravit vlákna potřebných vlastností.

    Konstruování z plastů

    V posledních letech se ujal zcela nový přístup k hodnocení konstrukčních materiálů, založený na poměru mechanických charakteristik k hustotě. Ten se stal základem Ashbyho materiálových map používaných pro výběr materiálů. Kompozitní materiály s polymerní matricí mohou výrazně převýšit kovy, pokud jde o měrný modul pružnosti a měrnou pevnost. Toto kritérium je zvláště důležité pro aplikace v dopravní technice.
    Konstruování s plasty je ve srovnání s kovy komplikováno existencí časově závislé elastické deformace, výraznou teplotní závislostí mechanických vlastností a efekty vyplývajícími z orientace makromolekul a částečné krystalizace. Zpracovatelské technologie jsou zase ovlivňovány nenewtonským chováním tavenin a mnohdy značnými rozdíly v jejich viskozitě.
    Ve srovnání s ostatními materiály je u kompozitů jedním ze základních problémů materiálová standardizace. Vlastnosti kompozitů jsou totiž při daném složení silně závislé na způsobu uložení výztuže v matrici, což přímo souvisí s technologií výroby kompozitních dílů. Uživatelé potřebují získat alespoň hrubou představu o tom, jaké vlastnosti má určitý typ kompozitu. V zahraniční literatuře se takové údaje objevují, v Ústavu materiálového inženýrství bylo započato s tvorbou materiálových listů a základní databáze. K základnímu specifikačnímu označení vytvořenému na základě normy ISO 8604 "Prepregs-Symbols-Definitions" jsou přiřazeny průřezové vlastnosti získané buď z různých údajů v literatuře, nebo na základě vlastních výpočtů. Nezbytné je postupné korigování a doplňování těchto základních informací. Pro konkrétní výrobky je přirozeně nutné vlastnosti vypočítat. Modelování se tak stává jednou ze základních součástí kompozitního inženýrství.
    Materiálové trendy ve strojírenství se zcela evidentně ubírají směrem k většímu využití plastů a kompozitů s polymerní matricí. V úvodu naznačená integrovaná strategie využití těchto materiálů pro rozvoj strojírenství je založena nejenom na vývoji nových polymerních systémů a výztuží a výrobních technologií (včetně problematiky svařování), ale vyžaduje věnovat pozornost i dalším oblastem. Chybí např. dostatek poznatků potřebných pro konstruování a rozměrovou optimalizaci výrobků i forem, rovněž nejsou k dispozici podklady umožňující spolehlivé modelování a dlouhodobou predikci materiálových vlastností a životnosti součástí a dílů. To přirozeně platí i pro nově vyvíjené hybridní systémy založené na kombinacích polymer-kov. Mnoho úsilí bude vyžadovat realizace recyklačních technologií. Významnou úlohu v integrované strategii musí sehrát komplexně pojaté vzdělávání. Jen tak bude možno pro konstrukční plasty a kompozity systematicky zvětšovat aplikační prostor ve strojírenství, a tak zajistit potřebnou infrastrukturu a udržitelný rozvoj oboru.
    Přenáška bude dokumentována zajímavými příklady výsledků výzkumu a spolupráce s průmyslem v Ústavu materiálového inženýrství a budou předvedeny vzorky plastů a kompozitů pro strojírenské aplikace.
    Prof. Ing. Josef Steidl, CSc.
    Fakulta strojní ČVUT v Praze
    Ústav materiálového inženýrství
    Reklama
    Vydání #1,2
    Kód článku: 50124
    Datum: 02. 02. 2005
    Rubrika: Komerční příloha / Plasty
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

    S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

    Makroplasty versus mikroplasty

    Plasty se staly nenahraditelným materiálem sloužícím téměř všem oblastem lidské činnosti. V poslední době se pozornost odborníků i veřejnosti soustřeďuje na zcela nový ekologický fenomén, zvaný mikroplasty. Ve smyslu ekologické terminologie je pak možné výrobky z plastů označovat jako makroplasty.

    Žíhání termoplastů

    Moderní nauka o plastech v mnoha směrech vychází z nauky o kovech. Příkladem je žíhání, jeden ze způsobů tepelného zpracování. Společným účelem žíhání kovů i plastů je pomocí řízených teplotních změn dosáhnout rovnovážných stavů struktury a tím i cíleně ovlivňovat vlastnosti.

    Související články
    Reaktivní jednotka pro výrobu termoplastových kompozitů

    Polymerizace in-situ přináší úžasné možnosti výroby plastových dílů s termoplastickou polyamidovou matricí vyztuženou textilními vlákny. Kombinace suché textilní výztuže s polymerizací a vstřikováním do formy je základem pro mimořádně efektivní a automatizované procesy v oblasti sériové výroby, například při produkci lehkých automobilových dílů. Rozhodujícím faktorem pro efektivitu zpracování a kvalitu produktu je reaktivní jednotka vyvinutá společností Engel speciálně pro přípravu a vstřikování ? kaprolaktamu. Společnost Engel své řešení systematicky optimalizovala a nyní přišla s novou, menší velikostí.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Plasty a kompozity v inovaci strojírenských výrobků

    Plasty a kompozity s polymerní matricí přinesly revoluci v materiálových přístupech ke konstrukci strojírenských výrobků a zařízení. Nepřetržitě probíhající materiálové inovace v oblasti plastů a kompozitů spoluvytvářejí inovativní řešení ve strojírenství. Reagují na potřeby strojírenského průmyslu a stávají se kontinuálním procesem s jasnou perspektivou do budoucna.

    Laserové řešení pro plastikářský průmysl

    Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

    Horké trysky jako nový standard

    Studené plnicí kanály doprovázejí odvětví vstřikování plastů od prvopočátku. I dnes často vypadá tento způsob plnění dutiny jako ten nejjednodušší a nejelegantnější. Proč má tedy smysl zabývat se aplikací horkých trysek i do malých sérií a malých forem? Srovnejme oba způsoby plnění a porovnejme ekonomické přínosy.

    Optimalizace plastových výlisků s obsahem přírodních vláken

    V průmyslové výrobě, především v automobilovém průmyslu, se začíná prosazovat trend nasměrovaný k využívání obnovitelných materiálů, ke kterým mj. patří přírodní vlákna. Vývojáři nových výrobků se setkávají s požadavky na aplikační využití plastových materiálů vyztužených přírodními vlákny, jako jsou sisal, konopí, len atd.

    Absorbér energie, izolace nebo kreativní materiál?

    Vypadá jako polystyren, ale není to polystyren. Rozdíl poznáte nejpozději ve chvíli, kdy jej vezmete do ruky. Řeč je o expandovaném polypropylenu, materiálu, který pod obchodním názvem Arpro vyrábí globálně působící japonská společnost JSP. Vnitřní struktura dílů z něj vyrobených na první pohled připomíná díly z pěnového polystyrenu, ale jejich vlastnosti jsou zcela rozdílné.

    Nové vstřikovací jednotky pro vstřikovací stroje

    Společnost Engel Austria od základu přepracovala své hydraulické vstřikovací jednotky a na veletrhu K 2016 od 19. do 26. října v Düsseldorfu představila novou generaci úspěšných řad vstřikovacích strojů Engel victory a Engel duo, které díky inovativním funkcím dosahují vyšší přesnosti, ergonomie a účinnosti.

    Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

    Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

    Automatizační řešení pro kratší doby cyklů

    Díky nové funkci active vibration control rozpoznají lineární roboty Engel viper nejen své vlastní vibrace, ale mohou také reagovat na vibrace, které jsou způsobeny vnějšími vlivy. Aktivní kompenzace kmitání během běžícího procesu zvyšuje rychlost nastavení polohy a zkracuje dobu cyklu.

    Igráček slaví 40. narozeniny

    Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

    První plnobarevná stolní 3D tiskárna

    Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

    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