Nejproblematičtější oblastí pro širší použití plastů dlouhou dobu zůstávalo strojírenství. Strojírenské výrobky, jmenovitě strojní součásti, bývají často vystaveny velkému mechanickému a tepelnému namáhání, a proto vyžadují poměrně vysoké hodnoty pevnosti a modulu pružnosti používaných materiálů v příslušném rozsahu provozních podmínek. Navíc musí být strojní součásti obvykle velmi přesné a musí mít za provozních podmínek dostatečnou rozměrovou a tvarovou stabilitu. To všechno splňují kovové materiály - tehdejší běžné plasty však těmto nárokům nevyhovovaly. Nabízely ovšem jiné výhody, jako korozivzdornost, schopnost tlumení, nízkou hmotnost a především velmi laciný způsob zpracování tvářením, který proti tradičnímu způsobu obráběním podstatně snižuje pracnost při výrobě. Protože se zejména kritérium nízké hmotnosti a úspory výrobní pracnosti stalo v posledních desetiletích velmi důležité ve všech průmyslově vyspělých státech, začaly se plasty uplatňovat ve větší míře i ve strojírenství.
Širší používání plastů ve strojírenství bylo pochopitelně možné až v době, kdy se na trhu objevily konstrukční typy plastů, které vykazují lepší mechanické vlastnosti, tepelnou odolnost a některé speciální vlastnosti. Ještě výraznější zájem strojírenských oborů vzbudily plasty plněné skleněnými a uhlíkovými vlákny, jejichž vlastnosti se ve větší míře blíží kovovým materiálům.
Zároveň se zaváděním plastů místo kovů je ovšem nutno prověřovat výrobky z hlediska efektivního využití vlastností materiálu, optimalizace tvaru výrobku, technologičnosti apod. Vznikají nové konstrukční přístupy, jako je sdružování jednoduchých dílů ve složitější vícefunkční součásti, tzv. moduly, a četné, koncepčně zcela nové konstrukce, založené na využití specifických vlastností plastů. Dnes lze říci, že plasty ve strojírenství již pevně zakotvily. Rozvoj jejich aplikací v tomto odvětví bude intenzivně pokračovat i do budoucna, a jak se ukazuje, i na extrémně namáhané součásti. Aplikace plastů přinášejí kromě úspory výrobních nákladů a úspory kovů (např. slitin neželezných kovů) i zvýšení užitné hodnoty výrobků - v mnoha případech moderního řešení je použití plastů zcela nezbytné. Při aplikacích plastů ve větších strojních celcích se projevují tato aktiva mnohdy ve znásobené hodnotě. Například použitím samomazných ložisek z plastů místo původních bronzových, mazaných tlakovým olejem, se ušetří bronz, odpadne olejový mazací systém, zvýší se provozní spolehlivost celého strojního zařízení a sníží se nároky na jeho údržbu. Při použití nemazaných plastových ozubených kol místo ocelových, běžících v olejové lázni, se v textilním a potravinářském průmyslu ušetří olejové mazání a zabrání se také znečištění okolí olejem. Pístní kroužky z PTFE nepotřebují přívod oleje a konstrukce pístových kompresorů se tím zjednodušuje. Potrubí z plastů odolává atmosférické a půdní korozi a dopravovaným agresivním chemikáliím, nepotřebuje povrchové nátěry a vzhledem k nízké hmotnosti se s ním snáze manipuluje. Podobných příkladů by bylo mnoho a je zřejmé, že konečné ekonomické přínosy jsou velké.
Je ovšem nutné připomenout, že kromě úspěšných aplikací plastů ve strojírenství existují i aplikace nevydařené, kde nové plastové výrobky mají proti původním výrobkům z tradičních materiálů funkční závady, kratší životnost, neestetický vzhled atd. Podobné zkušenosti vedou často ke zjednodušenému a v podstatě mylnému názoru, že plasty se ve strojírenství mohou uplatnit pouze na okrajové a mechanicky nenamáhané díly, jako jsou rukojeti, tlačítka, jednoduché kryty apod. Skutečná příčina bývá však obvykle v tom, že taková nevydařená aplikace nebyla navrhována s dostatečnou odbornou znalostí výběru vhodného materiálu a optimálního řešení tvaru výrobku i zpracovatelské technologie (zbytková vnitřní pnutí, texturní jevy aj.).
Naši konstruktéři nejsou dosud systematicky školeni v oboru navrhování výrobků z plastů, přestože je jejich navrhování obtížnější a odborně náročnější než u obráběných kovových součástí. Musí se totiž počítat s menší rozměrovou a tvarovou stálostí plastů, se značnou závislostí jejich vlastností zejména na čase a teplotě a s velkým vlivem zpracovatelských podmínek na konečné vlastnosti výrobků. Při navrhování součástí z plastů musí konstruktér volbou tvaru a materiálu součásti splnit požadavky, které jsou na součást kladeny. Tyto požadavky mají hledisko funkční, technologické, ekonomické a v současné době i ekologické. Z hlediska funkčního požadujeme od plastových výrobků obvykle určitou pevnost, tuhost, houževnatost, rozměrovou přesnost, chemickou odolnost, odolnost proti stárnutí, specifické elektrické vlastnosti aj. Z hlediska technologického je třeba, aby se součást dala zvolenou technologií poměrně snadno vyrobit, aby její tvar odpovídal optimálním podmínkám toku materiálu ve formě, aby byl zvolen materiál pokud možno snadno zpracovatelný apod. Ekonomické hledisko zkoumá, zda by bylo pro daný účel možné použít levnější, přednostně tuzemské materiály, vede k výběru ekonomicky optimální technologie, předběžně zjišťuje očekávanou úsporu pracnosti, výrobních nákladů, úsporu kovů, hlavně neželezných, a posuzuje možnosti zvýšení užitné hodnoty výrobku. K ekonomickému hledisku patří také posouzení navrhovaného výrobku z hlediska prodejnosti, odbytu a tedy i vzhledu, i když u řady strojních součástí může mít otázka vzhledu, popřípadě módnosti, zcela podřadnou důležitost. Z těchto důvodů má být nový plastový výrobek navrhován řešitelským týmem za účasti všech příslušných odborníků.
Podle obecných zásad platí, že tvar výrobku musí odpovídat použitému materiálu a zvolené technologii. Proto není možné přebírat beze změny tvary kovových obráběných součástí a pouze nahradit kov plastem. Tváření plastů (hlavně vstřikování a lisování) vyžaduje zcela jiné řešení tvaru (úkosy, zaoblení, tloušťky stěn, rozměry výztužných žeber aj.), aby se vlastnosti plastu maximálně využily a nevnášela se do výrobku vnitřní pnutí, nevznikala vrubově citlivá místa, koncentrace napětí, dutiny, povrchové propadliny aj. Jak bylo již řečeno, technologie zpracování plastů umožňuje sdružovat jednoduché jednoúčelové součásti ve vícefunkční integrované součásti, kdy jedna složitá součást nahradí více jednoduchých. To do značné míry snižuje při sériové výrobě pracnost, výrobní náklady a také náklady na výrobu forem. Významnou předností je v poslední době možnost kombinace kovů a plastů v rámci jednoho i velmi složitého výrobku.
Navrhování plastových součástí je složitější než navrhování kovových dílů a konstruktér plastikář musí řešit problematiku viskoelastického chování plastů, krípu, relaxace, uvolňování vnitřního pnutí, koroze za napětí atd. Musí umět řešit i případy, kdy se často dostává do kritické situace v otázce dodržení požadované přesnosti tvaru a rozměrů. Z těchto důvodů se mezi odborníky, hlavně strojaři, vytvořily ve vztahu k plastům dva protichůdné názory. Jeden z nich zastupují tzv. klasičtí strojaři, kteří se na plasty dívají apriorně s jistou nedůvěrou a dávají ve většině případů přednost klasickým materiálům. Tento názor zastává i velká část spotřebitelské veřejnosti. Má-li se laik rozhodnout pro výrobek z kovu nebo z plastu, sáhne téměř vždy po kovovém. Kov budí důvěru tzv. "svou pevností", vyplývající ze staleté dobré zkušenosti s kovovými výrobky. Opačný názor zastávají plastikáři, kteří při aplikacích plastů vidí především úspory výrobní pracnosti, výrobních nákladů, elektrické energie apod., a každá nová možnost použití plastů v nich vzbuzuje tvůrčí elán a vede je k inovačním myšlenkám. Zastánci tohoto názoru jsou autory mnoha zdařilých a ekonomicky významných aplikací plastů, ale podmínkou je dostatečné vybavení odbornými znalostmi a zkušenostmi. Při opomenutí některých důležitých hledisek se však také mohou stát autory aplikací zcela nevhodných. Odpověď na otázku, zda plast nebo kov nebo jiný materiál, může přinést jen velmi podrobná analýza každého konkrétního případu, funkční zkoušky prototypů, ekonomické rozbory, estetický dojem, prodejnost, dostupnost materiálů atd. Je třeba ovšem přiznat, že někdy ani to nestačí a nová aplikace plastů je často krokem do tmy. Důvodem je to, že při sériové výrobě nových součástí a při velkém množství uživatelů se najednou mohou objevit závady, které se při zkouškách prototypů neprojevily buď pro malý počet zkoušených vzorků, nebo následkem nevhodných zkušebních podmínek. To však je a zatím zřejmě zůstane průvodním rizikem každého nového výrobku z jakéhokoliv materiálu. Úkolem bude, abychom riziko možného neúspěchu omezili již při přípravě nové aplikace na minimum.
U nově navrhovaných výrobků musíme hledět nejen na úsporu výrobních nákladů, ale také na splnění všech funkcí, které od výrobku požadujeme.Vztah mezi splněním požadovaných funkcí výrobku (budeme říkat jednodušeji, i když méně přesně kvalitou) a výrobními náklady se při náhradě kovových výrobků plastovými může měnit několikerým způsobem:
Chceme zachovat funkci výrobku, snížit výrobní náklady a hmotnost. To bývá nejčastější při náhradě kovového výrobku plastovým bez podstatné změny tvaru.
Jiným cílem může být snížení zbytečně vysoké kvality výrobku (např. některé funkce jsou nadbytečné nebo nejsou tak důležité), čímž se dosáhne značného snížení výrobních nákladů. Například nový plastový výrobek bude mít o něco kratší životnost, zato však bude podstatně lacinější než původní výrobek z kovu.
Dalším požadavkem může být podstatné zvýšení kvality výrobku, ovšem při určitém zvýšení materiálových a výrobních nákladů. Například zavedením těsnění z PTFE se sice cena těsnění zvýší, ale několikanásobně se prodlouží jeho životnost, zvýší se spolehlivost provozu a sníží se potřeba údržby a oprav.
Přirozeně nejžádanější změnou z hlediska efektivnosti je zvýšení kvality při současném snížení výrobních nákladů. V tomto směru plasty přinášejí zcela nebývalé možnosti.
Na následujících stránkách se čtenář v řadě odborných příspěvků dozví o nových poznatcích z oblasti plastů. Příspěvky jsou zaměřeny na řadu problémů, které jsou významné pro technické aplikace plastů. Jedná se např. o počítačové konstruování forem, řešení studených spojů ve výstřicích (významný problém z hlediska porušování vstřikovaných dílů a součástí), obrábění plastových dílů, vícekomponentní vstřikování, řešení povrchových vlastností plastových dílů a řadu dalších podnětných článků, které bezesporu přispějí k inovačním záměrům, založeným na využití plastů.
Prof. Josef Steidl
katedra materiálového inženýrství
FS ČVUT Praha