Témata
Foto: J. Seidl

Plasty z pohledu strojního inženýrství

Spolu s technickým pokrokem se zvyšují nároky na strojírenské materiály, k nimž se řadí i plasty, včetně jejich vyztužených modifikací. S nástupem industrializace po druhé světové válce se plasty začaly intenzivně rozvíjet a v rostoucí míře uplatňovat i ve strojírenských oborech. Nastupující plastová éra rovněž podnítila publikační aktivity s tematikou zaměřenou na použití plastů ve strojírenství. Článek představuje plasty v netradičním pojetí, a sice jako materiál pro inovativní strojírenství.

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor 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.

Reklama

Historicky je člověk bytostně spjatý s materiály a materiálovou problematikou, aniž by si to přímo uvědomoval.

Plasty a materiálová filozofie

Ke kovovým konstrukčním materiálům přibyly plasty, materiály principiálně zcela odlišné. Strojaři s nimi přicházejí do styku neustále, pracují s nimi, vyjadřují se k nim, vnímají je svými smysly a provádějí výběr plastu pro danou aplikaci. Do strojního inženýrství totiž plasty vstoupily jako materiály nabízející soubor vlastností, kterých nelze docílit pomocí kovových materiálů. Hodnocení plastového výrobku nebo plastové součásti spočívá v tom, zda plast plní svoji očekávanou užitnou funkci a dobu životnosti, ale i v tom, zda vyhovuje svojí hmotností, zda v provozu vyvolává hlučnost, zda způsobuje statickou elektřinu, jaké vykazuje tribologické vlastnosti, v některých případech i v tom, zda vyhovuje estetickému vnímání. Na uvedená kritéria je možné pohlížet ve smyslu filozofického přístupu, kriticky řešícího otázky poznání, hodnot a lidského myšlení ve stále se vyvíjejícím světě materiálů. Poznávání nových vztahů člověka k materiálům lze filozofickým jazykem pojmenovat jako epistemologii materiálu. Ve srovnání s kovy vyžadují plasty odlišnou materiálovou filozofii, která vnímá konstrukční plasty v technicky správném pojetí.

Příklad strojní součásti ze semikrystalického plastu. (Foto: J. Steidl)

Plasty a politika

Plasty se staly i ekologickým politikem. Do materiálové filozofie plastů určených pro strojírenské aplikace zasahuje sílící politizace, založená na ekologických dopadech existence plastů. Desítky publikací se zabývají tím, co se s použitými plasty děje, dostanou-li se do přírody. Příkladem jsou dvě obsáhlé studie publikované poradním orgánem Evropské unie SAPEA (Science Advice for Policy by European Academies) jako výsledek stěžejního jednání dvou pracovních skupin, z nichž každá byla složena z dvaceti pěti evropských expertů, což má bezesporu značnou důležitost. Předmětem studie „A Scientific Perspective on Microplastics in Nature and Society“ z roku 2019 jsou degradační procesy a s nimi související fragmentace makroplastů na mikroplasty (autor článku byl členem pracovní skupiny). Závažným problémem je nekontrolované zacházení s jednorázovými plastovými odpady a zejména to, v jaké míře se tyto plasty dostávají do moře. Studie „Biodegradability of Plastics in the Open Environment“ z roku 2020 je zaměřena na perspektivu biologicky rozložitelných plastů v přírodě. Mikroplastová ideologie ovlivňuje veřejné mínění o plastech a vyvolává odpor veřejnosti proti plastům obecně. Negativní postoje veřejnosti jsou příčinou mnoha výroků o hrozící ekologické katastrofě, kterou by plasty mohly způsobit. Veřejnost většinou rozlišuje plast dvojím přízviskem: jako „igelit“ pro fólie a „bakelit“ pro tuhé předměty. Politizující diskuse se vedou o vlivu plastů na ekologii, téměř vůbec se však nediskutuje o tom, jak mohou plasty přispívat k modernizaci a rozvoji strojírenských oborů. Poznámka: Neexistují ještě jasná odborná stanoviska k účinku mikropryží, uvolňujících se do přírodního prostředí jako důsledek abrazivního opotřebení pneumatik.

Přínosy plastů pro strojírenství

Konstrukční plasty výrazně rozšiřují rozmanitost strojírenských materiálů, a tím i typy strojních součástí. Jsou spojeny s novými principy zpracovatelských technologií, včetně aditivních, do materiálového zkušebnictví byly zavedeny nové zkušební metody, stávají se součástí cirkulární ekonomiky, k výběru vhodného materiálu slouží databáze plastů. Klíčový význam mají požadavky na funkční integraci dílů a miniaturizaci součástí a nakonec i na likvidaci výrobků recyklací. Plasty umožňují větší svobodu konstruování, než tomu je v případě kovů.

Reklama
Reklama
Reklama

Pokud jde o vlastnosti konstrukčních plastů, nejsledovanější je hustota jako jedno z nejdůležitějších kritérií pro součásti všech druhů dopravních prostředků a pro jejich díly. Bez použití plastů by jejich rozvoj nebyl možný. Dalšími vlastnostmi, na kterých je použití plastů ve strojírenství postaveno, jsou korozní odolnost, mechanické tlumení, výhodné tribologické vlastnosti, elektrické a antistatické vlastnosti, bariérové vlastnosti a vybarvitelnost ve hmotě. Většina strojírenských aplikací spjatých s plasty využívá multifunkčních vlastností konstrukčních plastů.

Analogie s kovy

K pochopení podstaty vlastností polymerních materiálů a strukturních jevů, které v nich při jejich zpracování probíhají (za provozních podmínek a během recyklačního procesu), lze využít analogie s fyzikálněmetalurgickými přístupy.

Příklad složitého plastového dílu, jenž je součástí motorového prostoru automobilu. (Foto: J. Steidl)

Podobně jako metalografie u kovů je důležitou metodou sloužící k hodnocení vztahů mezi strukturou plastů a jejich vlastnostmi plastografie. Jednou ze signifikantních strukturních charakteristik krystalizujících polymerních materiálů jsou tzv. sférolity. Jejich geometrie připomíná metalograficky identifikovatelnou vnitřní strukturu kovů, tvořenou jednotlivými zrny. Velikost sférolitických útvarů a charakter hranic mezi nimi má pro vlastnosti plastu analogický význam jako zrna u kovů. Na hranicích sférolitů segregují např. nekrystalizující podíly, jeden z mechanismů krípu probíhá po hranicích sférolitů, „hrubnutí“ sférolitické struktury je příčinou iniciace trhlin a křehkého chování plastu.

Specifika vlastností plastů

Konstruování s plasty je ve srovnání s kovy komplikováno výraznou teplotní a časovou závislostí jejich mechanických vlastností. Proto jsou u plastů nutné speciální přístupy k hodnocení jejich vlastností, což se nutně odráží i v pojetí a způsobu myšlení konstruktérů.

Reklama

Vlastnosti plastů jsou charakterizovány dvojím způsobem. Konvenční způsob pracuje s jednobodovými hodnotami: příslušná vlastnost je prezentována jednou hodnotou, stanovenou na základě normalizované zkušební metody (ČSN EN ISO 1350). Jednobodové hodnoty slouží při navrhování plastové součásti nebo dílu obvykle k základní orientaci při výběru materiálu pro konstrukci součásti. Naproti tomu normalizované vícebodové hodnoty (ČSN EN ISO 11403) zohledňují vliv teploty, času a prostředí na vlastnosti plastů a více se tak přibližují praktickým poměrům v provozu. Zásadním kritériem použitelnosti daného plastu za vyšších teplot je tvarová stálost za tepla HDT (Heat Distortion, resp. Heat Deflection Temperature). Hodnotí se teplotou průhybu při zatížení (ČSN EN ISO 75).

Příklady strojních součástí z plastů. (Foto: J. Steidl)

Faktor času zohledňují izochronní diagramy (závislosti napětí na poměrném prodloužení pro různé teploty a časy), sestavené na základě krípových zkoušek. Z počáteční části izochronních křivek, kdy se jejich průběh blíží přímce, lze za využití známého Hookova zákona vypočítat tzv. konstrukční modul pružnosti.

Obecně na závěr

I když se s plasty setkáváme na každém kroku, ambivalentní materiálový svět se s jejich existencí ještě plně nevyrovnal. Diverzifikovaná úloha plastů není chápána v jasných souvislostech jejich výhod a nevýhod. Na jedné straně se pozornost soustřeďuje zejména na řešení konfliktu jednoúčelových plastů s přírodou a lidským organismem. Naproti tomu plasty konstrukčního typu jsou vhodné pro strojírenské aplikace s dlouhou životností a se speciální kombinací vlastností. Konstrukční plasty se tak mohou cíleně a účelně podílet na inovativním strojírenství.

Související články
V čem jsou si plasty a kovy podobné

„Průmysl umělých plastických hmot se v posledních deseti letech nevídaně rozvinul ve všech zemích,“ konstatuje časopis Vynálezy a pokroky z roku 1934. Dnes lze v podstatě prohlásit totéž, ale s dovětkem, že plasty již zaujaly nezastupitelnou úlohu ve světovém technickém rozvoji.

Pryž jako strojírenský materiál

Polymerní materiál pryž je důležitou součástí strojírensky zaměřeného materiálového inženýrství. Vyznačuje se specifickými elastickými vlastnostmi, pro strojní inženýrství je materiálem nepostradatelným, avšak málo srozumitelným. Záměrem článku je proto podat stručnou informaci o úloze a významu pryží ve strojním inženýrství a více přiblížit tento materiál strojařům. Odborná fakta jsou proložena některými zajímavostmi, které s pojmem pryž souvisejí.

Plastová odysea

Článek přináší historický pohled do světa plastů a jejich rozmanité aplikace od umění až po inovativní strojírenství. Součástí moderního materiálového inženýrství by totiž mělo být hledání souvislostí mezi potřebami lidské společnosti a materiálovým a technologickým řešením výrobků. Plasty znamenají revoluční přínos pro téměř veškerou oblast lidské činnosti, včetně strojírenské výroby.

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.

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.

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.

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Nový pomocník do nástrojárny

Rodinný podnik Lukov Plast z Českého Dubu je profesionální firma s dynamickým vývojem a mnohaletými zkušenostmi. Zaměřuje se na vývoj a výrobu vzhledových i technických plastových dílů a elektro dílů pro automobilový průmysl. Jeho hlavní činností je výroba komponentů či celých sestav slunečních clon. Vlastní výrobu plastových dílů zajišťuje včetně výroby sériových nástrojů. V současné době disponuje 34 vstřikolisy a zhruba 550 vstřikovacími formami a několika montážními linkami.

20 milionů lakovaných klik pro všechny značky automobilů

Moderní doba přináší moderní technologie také do automobilového průmyslu i samotných automobilů. Bezdotykové otvírání např. zadních dveří se již u některých modelů automobilů různých značek objevuje, avšak doba ještě nedospěla k úplnému odstranění vnějších klik k mechanickému otevírání vozu. Společnost WITTE Automotive se orientuje na výrobu zámků a zámkových aretací pro automobily snad všech světových výrobců. V novém závodě v Ostrově u Karlových Varů nedávno uvedla do provozu také velmi moderní lakovací linku právě pro vnější lakované kliky automobilů.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

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