Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

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.

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.

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.

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).

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.

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