Témata
Reklama

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.

Prof. Josef Steidl

je emeritním profesorem ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

Při vhodně zvoleném použití a respektování specifických vlastností pomáhají plasty řešit současný rozvoj strojírenské výroby. Na rozdíl od kovů si ve svém vývoji prodělaly dlouhou cestu úspěchů i neúspěchů, špatné pověsti a nedůvěry, než začaly být technickou veřejností přijímány a oceňovány pro jejich vlastnosti, které jsou v moderním strojírenství nejen přínosné, ale přímo nepostradatelné. Prestiž plastů a kompozitů s polymerní matricí určených pro strojírenské aplikace nezávisí pouze na jejich materiálových vlastnostech, ale také na tom, jak jsou přibližovány širší veřejnosti, a to takovým způsobem, aby je byla schopna pozitivně vnímat, hodnotit a také ocenit. Materiálová filozofie se tak stává důležitým aspektem navrhování a konstruování částí strojů a zařízení.

Reklama
Reklama

Historický odkaz plastů

První polymerní materiály parkesin, celuloid, šelak či gutaperča byly vyráběny z přírodních surovin a využívány zejména pro výrobu spotřebního zboží, dekorativních a uměleckých předmětů. Pro svoji schopnost vytvářet funkční a přitom esteticky působivé výrobky byly veřejností přijímány neobyčejně příznivě. Skutečný obdiv k plastům vyjadřuje publikace Classic Plastics – From Bakelite to High-Tech (Sylvia Katz, nakl. Thames & Hudson, Londýn 1984). První syntetický plast bakelit znamenal průlom do technických materiálových řešení. Plasty se postupně začleňovaly do historického vývoje výrobních prostředků a postupně se začaly stávat i předmětem technické muzeologie a muzejnictví. Jako příklady lze uvést akreditované Museum of Design in Plasics v anglickém Bournemouthu, registrované sdružení Kunststoff Museums-Verein, e.V., v Německu, nebo The Cannon-Sandretto Plastics Museum v italském Pont Canavese, které na základě jedné z nejbohatších světových sbírek dokumentuje ovlivnění moderní civilizace polymerními materiály. Kritické zkoumání vztahů člověka k polymerním materiálům se začíná promítat i do historických věd.

Materiálová filozofie při konstruování technických výrobků v současné době směřuje k využívání symbiózy kovů a plastů. Plasty přinášejí do strojírenství zcela nové materiálové hodnoty. Pro strojní inženýry je atraktivní zejména nízká hustota.

Plastové napínáky řetězů. (Zdroj: Murtfeldt plasty)

Expanze plastů do strojírenství

Kromě nízké hustoty jsou plasty nositeli materiálových vlastností, které jsou vysoce přínosné pro vývoj strojírenských výrobků a zařízení. Jsou to například příznivé tribologické vlastnosti, mechanické tlumení, tlumení zvuku. Plasty umožňují zavádět nové materiálové koncepce založené na tvorbě integrovaných modulů, v nichž se kombinují kovové a polymerní materiály. Plasty umožňují větší flexibilitu v navrhování moderních konstrukčních řešení. Slabou stránkou jsou obecně mechanické vlastnosti, avšak potřebných úrovní lze docílit důmyslnými výztužemi. Tento materiálový směr začal rozvíjet W. Brandt Goldsworthy (1915–2003, USA), strojní inženýr a materiálový vizionář. Budoucnost vývoje strojírenských průmyslových odvětví viděl v nových materiálech, jejichž podstatou jsou polymery. Stal se průkopníkem kompozitních materiálů s polymerní matricí a jejich zpracovatelských technologií. Potenciální uplatnění kompozitů spatřoval zejména v automobilovém a leteckém průmyslu, což současný vývoj potvrzuje.

Do 80. let minulého století přicházely postupně na trh polymery, které vzhledem ke svým vlastnostem už mohly být považovány za konstrukční materiály. Byly to především PA (Nylon), POM (Delrin), PC (Makrolon), PET (Rynite) a PPE (Noryl). V dalších letech se prudce rozvíjela materiálová základna plastů vhodných pro konstrukční účely. Patří mezi ně nové typy polyamidů a fluoropolymerů, ultravysokomolekulární polyetylen, polyimidy, polyketony, polysulfony, polyfenylensulfid, kapalně krystalické polymery, polybenzimidazol, elektrovodivé polymery. Sortiment plastů se výrazně rozšiřuje kombinacemi monomerů (kopolymery), polymerů (polymerní směsi a slitiny), aditiv a výztuží. Požadavky na materiálové recyklace jsou hnací silou vývoje biopolymerů a biokompozitů s potenciálním využitím i ve strojírenství – například pro některé díly automobilů. Vedle strojírenských požadavků na fyzikální a mechanické vlastnosti jsou u plastů důležité i reologické vlastnosti tavenin, zejména pro výrobu velmi složitých tvarů, tenkostěnných nebo miniaturních součástí.

Plastové součásti a díly se svými mechanickými vlastnostmi mohou v rámci daného konstrukčního celku vyrovnat ocelím za předpokladu výběru vhodného konstrukčního plastu, optimalizace konstrukčního řešení a vhodných zpracovatelských podmínek. Současná nabídka aditiv, plniv a výztuží nabízí pro části strojů a zařízení nepřeberné množství materiálových variant, jak je zřejmé z plastových databází, jako jsou Campus, IDES Prospector, Solidworks.

Šnekové převody z plastu. (Zdroj: Murtfeldt plasty)

Vývoj literatury o plastech ve strojírenství

Po 2. světové válce začal rychle růst zájem techniků o využití plastů ve strojírenství, i když byl sortiment těchto materiálů značně omezený. V 50. letech se objevily první knižní tituly zaměřené na strojírenské aplikace plastů. V Československu to byly monografie Plastické látky v konstrukci strojů (J. Vejchar, nakl. SNTL, 1953) a Plastické hmoty ve strojírenství (F. Blabolil, nakl. Práce, 1959). V roce 1965 pak v SNTL vyšla obsáhlá monografie Konstrukční plastické hmoty (J. Hugo a kol.). V československé technické literatuře to bylo první komplexně pojaté zpracování problematiky zaměřené na použití plastů ve strojírenství. O rok později pak vyšel titul Strojírenské materiály (J. Pluhař, J. Koritta a kol., nakl. SNTL a SVTL). Tato publikace byla jedinečná tím, že obsahovala jak nauku o kovových, tak i polymerních materiálech. Tehdejším ministerstvem školství byla schválena jako vysokoškolská učebnice pro výuku materiálů na fakultách strojního inženýrství v Československu. Poté, až v roce 1981, byla v SNTL vydána neobyčejně užitečná a praktická publikace Strojní součásti z plastů (J. Kolouch). Od počátku 21. století se problematikou plastů ve strojírenství systematicky zabývali J. Steidl z Fakulty strojní ČVUT v Praze a M. Vaněk, spolupracovník firmy Murtfeldt Plasty. Jejich ojedinělý pohled na plasty z hlediska konstrukčního využití, včetně těžkého strojírenství, byl zveřejněn ve vícedílném seriálu Plastové části strojů a zařízení vydávaném v časopisu MM Průmyslové spektrum v průběhu let 2006 a 2007. Ze zahraniční literatury zaslouží pozornost obsáhlá publikace Plastics for Engineers – sice staršího data, ale je považována za bibli plastů a základní pomůcku pro konstruování z plastů (Hans Domininghaus, nakl. Hanser 1993).

Vliv specifických vlastnosti plastů na strojírenské aplikace

Plasty spoluvytvářejí zcela nové skupiny strojních součástí, z nichž integrované díly mají zásadní praktický význam v moderním strojírenství. Navrhování s plasty je složitější než navrhování s kovovými materiály. Plasty se vyznačují některými specifickými vlastnostmi, které je nutné u strojírenských aplikací brát v úvahu. Úskalí mohou přinášet následující charakteristiky, jež nejsou pro konstruování s kovovými materiály relevantní:

  • skelný přechod;
  • podíl krystalické fáze (krystalinita) od 0 % u amorfních až po desítky % u krystalizujících plastů;
  • dvojstupňové krystalické uspořádání (lamela/sférolit);
  • závislost modulu pružnosti na teplotě;
  • izochronní diagramy (závislost napětí – deformace pro daný čas zatěžování a teplotu); crazing (vznik lokálně přetvořených zón) jako počáteční stadium porušování;
  • navlhavost a nasákavost;
  • fyzikální stárnutí, jako např. dokrystalizace v průběhu skladování;
  • termo- a fotooxidační degradace;
  • vlastnosti a chování aditiv a výztuží.

Vztah společnosti k plastům

Plasty, včetně kompozitů s polymerní matricí, zaujímají významnou úlohu ve vývoji a inovacích strojírenských výrobků a zařízení. Stávají se neodmyslitelnou součástí modernizace a posilování konkurenční schopnosti strojírenské výroby. K systémovému řešení náleží i budování pevné pozice plastů v oběhovém hospodářství, a to po stránce technologické i legislativní. Společnost potřebuje nejen inženýry a techniky, kteří budou přicházet s inovacemi založenými na použití plastů, ale i lidi, kteří, alespoň do určité míry, rozumějí tomu, s jakým materiálem přicházejí v praxi do styku. V posledních několika desetiletích veřejnost stále ve větší míře pociťuje, že plasty a polymerní kompozity se stávají součástí vývoje společnosti. Popularizace těchto materiálů přitom sehrává velmi důležitou roli. Aby však popularizace měla seriózní účinek, musí se opírat o objektivní a nezkreslené informace. Takové jsou bezesporu jen ty primární, čerpané z vědeckých a odborných prací. V případě, že je veřejnost často alarmujícím způsobem upozorňována na nedostatky a škodlivost plastů, dochází k dezinformacím negativně ovlivňujícím myšlení společnosti a soustřeďování její pozornosti pouze na jednorázové plastové výrobky a obaly. Negativní ekologické dopady je možno v případě strojírenských aplikací plastů prakticky vyloučit, protože ty by se neměly do životního prostředí běžně dostávat.

Plasty by měly být široké veřejnosti prezentovány tak, aby je mohla vnímat jako paralelní materiály k materiálům kovovým, měla možnost je hodnotit a nakonec i oceňovat jako materiály potřebné pro rozvoj strojírenských odvětví.

Inženýrská akademie ČR

Prof. Josef Steidl

Reklama
Vydání #11&12
Kód článku: 201106
Datum: 09. 12. 2020
Rubrika: Výroba / Plasty
Firmy
Související články
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.

Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Trexel pro vyšší využití procesu MuCell

Americká společnost Trexel inc. po nabytí licencí od Massachusetts Institute of Technology rozvíjí proces MuCell a vyrábí techniku pro vstřikování lehčených materiálů. Koncem února oznámila, že uzavřela partnerství s tchajvanskou firmou CoreTech pro využití jejího simulačního software Moldex3D.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Lehký materiál s vysokou schopností absorpce energie

ARPRO je materiál vhodný pro řízení energie nárazu, který se vyznačuje unikátní kombinací vlastností, jako jsou schopnost absorpce energie, strukturální pevnost při velmi nízké hmotnosti, chemická odolnost, dobré tepelně- a zvukověizolační vlastnosti a recyklovatelnost.

Náhrada kovů snadno a lehce

V roce 1991 společnost EMS-Grivory uvedla na trh materiály Grivory GV a otevřela tak nové možnosti k náhradě kovů. Od té doby vývoj těchto materiálů nepřetržitě pokračuje a hranice jejich možností jsou tak neustále posouvány.

Nový materiál ASA pro 3D tisk v osmi různých barvách

Společnost MCAE Systems, oficiální distributor firmy Stratasys, rozšířila nabídku materiálů pro 3D tisk o nové digitální materiály a také o termoplast ASA dostupný v osmi barvách. ASA nyní nabízí nejširší barevnou škálu ze všech materiálů pro technologii FDM.

Plastové materiály v reflexi K 2013

Inovační dopad exponátů prezentovaných na düsseldorfském veletrh plastů K do praktických aplikací, zejména zajímavých plastových materiálů, je aktuální nejen půl roku po skončení akce, kdy vám tento článek přinášíme, ale má časový přesah dalece větší. Aplikace automobilových plastů jsou možná divácky atraktivnějšími na autosalonech, avšak ty zajímající všechny jsou nové lehké materiály pro úsporu energie, šetřící jim kapsu.

Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

Materiálová řešení vodovodních fitinků

V posledních letech legislativa zpřísňuje předpisy o povoleném obsahu olova v materiálech přicházejících do styku s pitnou vodou. Týká se to především mosazi, tradičního materiálu na výrobu spojovacích součástí vodovodních systémů (fitinků).

Madla s vyšší přidanou hodnotou

Sklopná madla a ruční kolečka v hygienické bílé nebo v ušlechtilé kombinaci kovů – to jsou nové produkty reagující na potřeby uživatelů.

Na povrchové úpravě záleží

V průmyslovém prostředí jsou často kladeny velmi vysoké nároky na vlastnosti jednotlivých komponent strojů a zařízení, jež jsou v provozu používána. Výrobci jsou nuceni zohledňovat specifické podmínky koncových aplikací již při samotném vývoji svých produktů – důležitá je přitom nejen konstrukce prvku, ale též užitý materiál a jeho povrchová úprava.

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