Témata
Reklama

Použití plastů - rychlá cesta k inovaci

V současné době plasty hrají jednu z rozhodujících rolí při inovaci výrobků a zařízení. Používání plastů pro nejrůznější průmyslové výrobky prošlo v minulosti rozličnými stadii vývoje. Zpočátku se plasty aplikovaly na spotřební zboží, protože nároky na funkční vlastnosti nebyly velké a zpracování plastů tvářením bylo poměrně snadné a rychlé. Ekonomické přínosy byly prokazatelné, a kromě toho měly výrobky požadovaný estetický vzhled, nízkou hmotnost a byly odolné proti korozi. Druhou velkou oblastí rozvoje aplikací plastů se stala elektrotechnika, neboť z plastů se daly vyrábět složité tvary izolačních součástí s velmi dobrými elektrickými a dielektrickými vlastnostmi. Pronikání plastů do stavebnictví a později i do zemědělství bylo umožněno až výrobou lehčených plastů, izolačních fólií, trubek, hadic apod.

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
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 50152
Datum: 02. 02. 2005
Rubrika: Komerční příloha / Plasty
Autor:
Firmy
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.

Makroplasty versus mikroplasty

Plasty se staly nenahraditelným materiálem sloužícím téměř všem oblastem lidské činnosti. V poslední době se pozornost odborníků i veřejnosti soustřeďuje na zcela nový ekologický fenomén, zvaný mikroplasty. Ve smyslu ekologické terminologie je pak možné výrobky z plastů označovat jako makroplasty.

Žíhání termoplastů

Moderní nauka o plastech v mnoha směrech vychází z nauky o kovech. Příkladem je žíhání, jeden ze způsobů tepelného zpracování. Společným účelem žíhání kovů i plastů je pomocí řízených teplotních změn dosáhnout rovnovážných stavů struktury a tím i cíleně ovlivňovat vlastnosti.

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
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.

Horké trysky jako nový standard

Studené plnicí kanály doprovázejí odvětví vstřikování plastů od prvopočátku. I dnes často vypadá tento způsob plnění dutiny jako ten nejjednodušší a nejelegantnější. Proč má tedy smysl zabývat se aplikací horkých trysek i do malých sérií a malých forem? Srovnejme oba způsoby plnění a porovnejme ekonomické přínosy.

Optimalizace plastových výlisků s obsahem přírodních vláken

V průmyslové výrobě, především v automobilovém průmyslu, se začíná prosazovat trend nasměrovaný k využívání obnovitelných materiálů, ke kterým mj. patří přírodní vlákna. Vývojáři nových výrobků se setkávají s požadavky na aplikační využití plastových materiálů vyztužených přírodními vlákny, jako jsou sisal, konopí, len atd.

Absorbér energie, izolace nebo kreativní materiál?

Vypadá jako polystyren, ale není to polystyren. Rozdíl poznáte nejpozději ve chvíli, kdy jej vezmete do ruky. Řeč je o expandovaném polypropylenu, materiálu, který pod obchodním názvem Arpro vyrábí globálně působící japonská společnost JSP. Vnitřní struktura dílů z něj vyrobených na první pohled připomíná díly z pěnového polystyrenu, ale jejich vlastnosti jsou zcela rozdílné.

Nové vstřikovací jednotky pro vstřikovací stroje

Společnost Engel Austria od základu přepracovala své hydraulické vstřikovací jednotky a na veletrhu K 2016 od 19. do 26. října v Düsseldorfu představila novou generaci úspěšných řad vstřikovacích strojů Engel victory a Engel duo, které díky inovativním funkcím dosahují vyšší přesnosti, ergonomie a účinnosti.

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.

Sledování forem ve výrobě, skladu i údržbě

Jednou z nejdůležitějších věcí, které firmy pracující v oblasti výroby výlisků řeší, je sledování forem a řešení problémů, které při výrobě nastanou. Důležité je problémy řešit tak, aby příště, pokud se stejný problém objeví znovu, bylo možné sáhnout do databáze a problém vyřešit ihned, bez zbytečných časových prodlev. To umožňuje systém MachineLOG IT, jenž maximálně zjednodušuje sledování pohybu forem, jejich oprav i nasazení ve výrobě.

Igráček slaví 40. narozeniny

Generace Husákových dětí si jistě dobře vzpomíná na malou plastovou figurku představující různá povolání. Igráček letos oslaví 40. narozeniny, a tak určitě stojí za to, podívat se důkladněji na jeho osud i na jeho výrobu.

První plnobarevná stolní 3D tiskárna

Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

Uniplast Brno vstoupil do druhé padesátky

V roce 2015 vstoupil Uniplast Brno do druhé padesátky let své činnosti, proto mi dovolte ohlédnout se za jeho pracovní činností v uplynulém roce. V souladu s prací v předešlém období navázal na tradiční konference, konzultace, exkurze, semináře a publikační činnost.

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