Témata
Reklama

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.

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.

Plasty a kompozity s polymerní matricí naplňují principy inovace a stávají se hnací silou novodobého technického rozvoje. Jedním z prvních, kdo se pojmem inovace zabýval, byl Joseph Alois Schumpeter, rodák z Třeště na Moravě (1883), světově uznávaný politický ekonom působící v Rakousku a USA (zemřel v roce 1950 ve státě Connecticut). Svoje myšlenky shrnul ve svém základním díle The Theory of Economic Development, Harvard University Press 1934. Základní princip inovace podle Schumpetera spočívá v tom, že invence s dobrou myšlenkou ještě nemusejí vést k inovaci, protože nejsou z různých důvodů realizovatelné v praxi. Invence tedy ještě neznamená inovaci. Tuto souvislost si ovšem mnoho lidí neuvědomuje. Za inovaci Schumpeter považoval tyto praktické výsledky výzkumu a vývoje:

  • zavedení nového produktu;
  • zavedení nového způsobu výroby;
  • otevření nového trhu;
  • využití nového zdroje (vstupu);
  • vytvoření nových marketingových struktur.

V dnešní době je nutno k uvedeným inovačním změnám přičíst například inovaci norem, materiálových databází, softwarů, zkušebních metod a zejména také materiálové výuky. Odlišnost struktury a vlastností plastů a kompozitů s polymerní matricí od kovových materiálů evokuje i inovaci materiálového myšlení. Plasty a kompozity totiž přinášejí množství nových podnětů pro inovace ve strojírenské výrobě, je však zapotřebí je správným způsobem realizovat.

Reklama
Reklama

Inovace materiálového myšlení po příchodu plastů

Od doby Schumpetera toho bylo o pojmu inovace hodně napsáno, světová literatura přináší řadu ekonomických i filozofických přístupů popisujících podstatu a úlohu inovace, například, že to je aplikace nové myšlenky, která oslovuje potřeby průmyslu, naznačuje budoucí vývoj a přináší nové hodnoty včetně ekonomických. I když se inovace v poslední době stala jakýmsi módním pojmem (angl. buzz-word), je nutno ji chápat jako základní kámen pokroku lidstva. První syntetický plast – bakelit – nastartoval před 110 roky mohutnou vlnu inovací, a to nejen v oblasti výrobků pro domácnost, ale postupně se začal uplatňovat i v materiálovém řešení automobilů.
S vývojem a výrobou nových polymerních materiálů a kompozitů s polymerní matricí se po 2. světové válce začalo měnit i myšlení konstruktérů, dosud zvyklých na práci s kovovými materiály. Vidina dosažení nižší hmotnosti výrobků vedla často k tomu, že navrhovali výrobky z plastů zcela nekriticky, aniž by si uvědomovali, že polymerní materiály mají strukturu a vlastnosti odlišné od kovů, a vyžadují proto i odlišné přístupy k zásadám konstruování. Konstruktéři se museli učit, jak nového materiálového portfolia využívat v technické praxi. V současné době se začíná prosazovat poněkud obrácený postup, který lépe splňuje myšlenku inovačního materiálového vývoje. Průmysl (zákazník) vyslovuje požadavky na vlastnosti určitého výrobku nebo dílu a plastikářský průmysl vyvíjí materiály, které tyto požadavky budou splňovat, tedy materiály „šité na míru“. Existence plastů a kompozitů ovlivňuje nejen ekonomiku inovačních změn, ale dotýká se také materiálové filozofie, psychologie inovátorů a logiky navrhovaných inovací. Zrodila se i materiálová politika jako součást rozhodování při výběru materiálu pro danou aplikaci.

Automobilové součásti z konstrukčních termoplastů

Inovační prostor pro plasty a kompozity

V současné době již neexistuje žádná technická aktivita, ve které by nehrály roli plasty a kompozity s polymerní matricí. Plasty a od nich odvozené kompozity prošly historicky několika inovačními obdobími a dnes se nacházejí ve stadiu plného rozvoje inovačních procesů. Vývojem nových typů plastů se výrazně rozšiřují i možnosti použití těchto materiálů v konstrukci strojírenských výrobků. Nejlépe je to patrné u automobilů. Inovativní řešení založená na použití plastů a kompozitů se postupně rozšiřují z interiéru, karoserie a podvozkových dílů až do motorového prostoru, kde jsou provozní podmínky mnohem náročnější (střídání vysokých a nízkých teplot, působení provozních kapalin, účinek nečistot). Extrémní inovaci v konstrukci automobilu navrhl Američan Matthew Holtzberg považovaný za legendu ve světě plastů. Přišel s návrhem celoplastového automobilového motoru a za tím účelem založil v New Jersey v roce 1979 firmu Polimotor Research, Inc. I když k praktické realizaci nakonec podle jeho návrhu nedošlo, současná řešení se mu přibližují dílčími inovacemi založenými na využití celé řady inovativních konstrukčních plastů zaváděných postupně do výroby. Uplatňují se tzv. konstrukční typy plastů s vyšší teplotní a chemickou odolností při současné odolnosti proti účinku teplot velmi nízkých.

Rostoucí nároky na funkční vlastnosti, spolehlivost a životnost strojírenských výrobků a zařízení nutí zavádět stále náročnější a přísnější kritéria pro posuzování vlastností, které jsou pro dané použití rozhodující. Ve strojírenských aplikacích jsou velmi důležité inovační kroky vedoucí k eliminaci vzniku porušení. Inovace zaměřené na porušování snižují riziko vzniku nebezpečných poruch. Zvláštní pozornost je nutno věnovat zejména těm fyzikálně chemickým vlastnostem, se kterými jsou spojena rizika selhání celého výrobku. Jedná se o tyto charakteristiky:

  • dlouhodobou statickou pevnost a odolnost proti únavě;
  • lomovou houževnatost, podmínky iniciace a šíření trhlin;
  • podmínky vzniku tvárného a křehkého lomu;
  • chemickou odolnost a stárnutí včetně koroze za napětí;
  • teplotu skelného přechodu při použití plastů a kompozitů za vyšších teplot;
  • nízkoteplotní relaxace pro použití plastů a kompozitů za nízkých teplot.

Porušování plastů a kompozitů je v mnoha směrech odlišné od porušování kovů. Zásadním rozdílem je závislost na teplotě a času, přičemž rozdíly teplot, při kterých již nastávají výrazné změny ve vlastnostech, jsou nesrovnatelně menší než u kovů. Pro podmínky dlouhodobého statického a dynamického namáhání jsou konvenční krátkodobé zkoušky v tahu a ohybu pokládány pouze za orientační.

Cíle inovačních projektů a inovativní materiálové koncepce

Plasty a kompozity jsou materiály, které v moderní strojírenské výrobě hrají nezastupitelnou roli. Jejich inovativní přínosy jsou nejlépe viditelné v dopravním strojírenství, ale postupně pronikají i do dalších strojírenských odvětví, jako jsou výrobní stroje a zařízení.

Inovace s využitím plastů a kompozitů mají za cíl nejenom dosažení nižší hmotnosti výrobků a zařízení, ale i kombinaci řady vlastností, které vedou k modernizaci strojírenských výrobků a kterých nelze bez těchto materiálů docílit. Vedle podmínek porušování (mechanické vlastnosti) to jsou kluzné vlastnosti, mechanické tlumení a tlumení zvuku, odolnost proti otěru, hoření, degradaci a stárnutí, vodě a vlhkosti, ionizujícímu záření, důležité jsou i antistatické vlastnosti. Dále je nutno respektovat požadavky na estetický vzhled a kvalitu povrchu.

Nové materiálové koncepce jsou založeny na nových principech složení plastů a kompozitů. Rozmach nanomateriálů v posledních letech se promítá i do inovativních aktivit v oblasti aplikace plastů ve strojírenství, protože nanočástice přinášejí nové materiálové hodnoty, například zlepšené mechanické vlastnosti, odolnost proti hoření nebo snížení permeability nízkomolekulárních látek. Trojrozměrné textilní výztuže z uhlíkových vláken přibližují mechanické vlastnosti kompozitů ocelím. Kompozity s přírodními vlákny se stávají potenciálním materiálovým zdrojem pro inovace v dopravní technice. Bioplasty jsou v popředí zájmu kvůli ekologickým požadavkům. Dlouhovláknové termoplastové kompozity konkurují reaktoplastovým kompozitům. Připravovány jsou nové polymerní materiály určené pro 3D tisk. Vyvíjeny jsou nové polymerní směsi a aditiva do polymerů k docílení specifických vlastností plastů. Stále větší pozornost se věnuje degradačním procesům a stabilizaci polymerních materiálů, protože úzce souvisí s uvolňováním mikroplastů do životního prostředí.

Příklady strojírenských součástí z otěruvzdorných termoplastů

Mikroplasty a životní prostředí

Novým fenoménem v oblasti plastů a kompozitů jsou mikroplasty, jejich rostoucí koncentrace v životním prostředí a předpokládané negativní vlivy na biotu a lidské zdraví. Pozornost je nutno soustředit na mechanismy transformace makroplastů na mikroplasty a na kinetiku degradačních procesů vedoucích ke křehnutí a z toho vyplývající dezintegraci plastových výrobků a jejich konečnou fragmentaci na mikro- a nanočástice. Z pohledu materiálového inženýrství se naskýtá řada problémů, kterými by se měl výzkum ve světě v příštích letech ubírat. Jako příklad lze uvést potřebu vyvinout inovativní, mezinárodně sladěnou metodiku k problému, jak hodnotit vztahy mezi strukturními charakteristikami plastů a vznikem mikroplastů. Jaký však lze očekávat vývoj do budoucna? Budou se rozvíjet recyklační technologie, zlepšovat se bude organizace sběru plastových odpadů i vývoj bioplastů. To povede k postupnému omezování zdrojů pro vznik mikroplastů. Začleňování plastů do oběhového hospodářství je přirozeně hlavním problémem u plastů hromadné spotřeby (PET, PE, PVC, PS a PUR), tedy těch, jejichž odpady životní prostředí nejvíce zatěžují. Přitom nelze předpokládat, že ekologické problémy by se ve větší míře dotýkaly plastů a kompozitů ze strojírenských aplikací. Ty se mohou jen ojediněle dostávat formou odpadu do přírodního prostředí. U pohyblivých strojírenských součástí z plastů však hrozí uvolňování mikročástic otěrem, což může mít škodlivý dopad na pracovní prostředí.

Strategie inovativní výuky plastů a kompozitů pro strojírenství

Průmyslová inovační politika vyžaduje i odpovídající teoretickou přípravu. Materiálovou strategii pro další generace strojních inženýrů je nutno pojímat jako společnou cestu ocelí, lehkých slitin, plastů a polymerních kompozitů. Výuku plastů a kompozitů pro strojní inženýry nelze již vést popisným způsobem, ale ve vzájemných souvislostech zahrnujících všechny nové aspekty, které s sebou plasty a polymerní kompozity v moderní době přinášejí. Vzdělávací proces nelze realizovat ani izolovaně od požadavků a potřeb jednotlivých odvětví strojírenské výroby. Zásadním úkolem inovativního vzdělávání je přenos nových materiálových, technologických, konstrukčních a ekonomických kvalit plastů a kompozitů do širší strojírenské praxe. Vzhledem k rostoucímu významu plastů ve formujícím se oběhovém hospodářství a recyklační politice roste i potřeba rozšířit výuku plastového a kompozitního inženýrství o principy posuzování životního cyklu (LCA – Life Cycle Assessment). Výuka plastů a kompozitů by měla zahrnovat i ekonomické a energetické dopady v konfrontaci s kovovými materiály a také příčiny možných rizik inovativních řešení.

Poznámka na závěr

Plasty a kompozity s polymerní matricí mají klíčový význam pro inovace a představují jednu z hnacích sil modernizace a konkurenční schopnosti strojírenské výroby. Staly se nepostradatelnou součástí pokroku ve veškeré dopravní technice. V poslední době však lze ve veřejnosti pozorovat rostoucí averzi vůči plastům. Co však lidstvu přináší stále rostoucí ekologické problémy, jsou plastové obalové materiály a další spotřební zboží jednorázového nebo krátkodobého použití. Tyto výrobky se snadno dostávají do přírody díky nezodpovědnému chování lidí vůči životnímu prostředí. Je protikladem, že právě plastové obaly nám jako bariérová ochrana proti vnějšímu prostředí zajišťují kvalitu potravin, hygienu prodeje, jsou nedílnou součástí marketingu a estetiky. I když je každý člověk denně obklopován různými druhy materiálů, materiálová gramotnost lidí, vyjádřeno současným jazykem, je prozatím na velmi nízké úrovni.

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

Inženýrská akademie ČR

jose.steidl@gmail.com

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 190416
Datum: 10. 04. 2019
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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