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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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