Témata
Reklama

Speciální příloha - část I. : Plastové části strojů a strojírenských zařízení

Ojedinělý pohled na plasty z hlediska jejich konstrukčního využití

Tematické bloky
Montážní plastové součástky
Ložiska
Ozubená kola
Hřídelové spojky
Těsnění
Pružiny a pružné elementy
Připravujeme.
Napínáky
Profily
Dopravní pásy
Dopravní řetězy
Řemeny
Energetické řetězy
Trubky
Hadice
Pojezdová kola a kladky
Přepravní a skladovací prostředky
Nádrže a zásobníky
Výstelky a obklady
Rozvoj celosvětového průmyslu je úzce spojen s výrobou a použitím plastů. Plasty tvoří významnou materiálovou základnu pro výrobu v řadě důležitých průmyslových odvětví. Průměrný roční růst světové výroby plastů za období 55 let je téměř 10 %.
Rovněž v České republice prochází plastikářský průmysl nebývalým růstem a jeho postavení se v rámci zpracovatelského průmyslu neustále posiluje. Spotřeba plastů na obyvatele je stále nízká ve srovnání se západní Evropou, a dá se proto předpokládat, že poptávka po plastech v ČR bude v příštích letech výrazně růst.
Význam plastů pro národní hospodářství lze charakterizovat následujícími body:
  • Plasty se staly důležitým ekonomickým faktorem v našem národním hospodářství. V plastikářském sektoru například výrazně roste počet zaměstnanců a působí v něm vysoký podíl malých a středních podniků. Nezanedbatelným faktorem je i úroveň přidané hodnoty, kterou plasty přinášejí.
  • Plasty se staly vedle oceli a hliníku významnými materiály pro strojírenství. Charakteristickým rysem vývoje je hledání optimálního využití kovových i plastových materiálů.
  • Plasty se staly také výraznou hnací silou pro inovace výrobků a výrobních zařízení, protože jejich vlastnosti mohou lépe naplnit požadavky uživatelů na výrobky.
  • Reklama
    Reklama
    Reklama

    Důvody aplikací

    Plasty se v současné době uplatňují ve všech oblastech strojírenské techniky, nejenom ve formě tvarových dílů, které nejsou mechanicky namáhány, ale i ve formě mechanicky zatěžovaných konstrukčních elementů. Při konstrukčním návrhu strojních součástí z plastů požaduje konstruktér takový materiál, který je optimální z hlediska svých vlastností, zpracovatelnosti i ceny.
    Pro plasty jako pro materiál vhodný na výrobu částí strojů a zařízení hovoří kromě jejich specifických vlastností (nízká hmotnost, příznivé tribologické vlastnosti atd.) tyto faktory:
  • Plasty jsou materiály, které jsou ještě ve stadiu intenzivního výzkumu a vývoje a přinášejí tak stále nové možnosti jejich využití pro inovace strojírenských výrobků.
  • Cílenými modifikacemi a stabilizacemi se daří docílit i u tzv. standardních plastů, jako jsou polyetylen, polypropylen nebo styrenové plasty, takových vlastností, které umožňují použít je jako konstrukční materiál. Tyto materiály mají tu výhodu, že jsou vyráběny ve velkých objemech a jsou levné.
  • Plasty a technologie jejich zpracování umožňují vysoký stupeň integrace různých funkčních částí a dílů (např. vícekomponentním vstřikováním, vytvářením hybridních struktur kov-plast apod.).
  • Vědeckými přínosy v oblasti reologických a termodynamických procesů při zpracování plastů bude možno docílit i významného pokroku ve zpracovatelských technologiích a tím i v kvalitě a ceně výrobku.
  • Mechanické vlastnosti

    U mechanicky zatěžovaných součástí z plastů se musí věnovat zvláštní pozornost nelineárním, časově závislým mechanickým vlastnostem plastů, právě tak jako vlivům provozního prostředí, zvláště teplotním poměrům a vlivu nízkomolekulárních látek.
    V principu lze rozlišit dva základní druhy mechanického chování plastů, které ovlivňují navrhování a výpočtovou metodiku součástí.
    Plasty jako elastické látky ......
    Plasty se chovají jako elastické látky. Konstrukční výpočty jsou pak založeny na vztazích klasické pružnosti a pevnosti. Takto se však chovají pouze některé prostorově sesíťované polymery (reaktoplasty), a to při nízkých úrovních mechanického namáhání a jen do mírně zvýšených teplot.
    Plasty jako viskoelastické látky ...
    Charakteristickou je pro plasty výrazná časová a teplotní závislost mechanických vlastností. Takto se chovají ve velké většině reaktoplasty za zvýšených teplot a termoplasty již při normálních teplotách. Toto chování je tedy typické pro většinu strojních součástí z plastů.
    Z mechanického hlediska je dále nutno dělit plasty do tří základních skupin : Izotropní materiály neplněné, plněné částicovým plnivem a nebo krátkými, neuspořádaně rozloženými vlákny. V posledních dvou případech jsou sice materiály v mikroobjemu nehomogenní a anizotropní, navenek se však dostatečně velký element tohoto materiálu chová jako homogenní izotropní látka.
    U anizotropních materiálů je výztuž orientována v jednom nebo v několika směrech. Součásti z materiálů vyztužené armaturou, nejčastěji kovovou, obvykle vyžadují specifický výpočet. Neznalost mechanického chování plastů při reálném zatížení a daném provozním prostředí vede k selhání součásti nebo naopak k jejímu zbytečnému předimenzování.

    Pohled do historie

    V české literatuře se částmi strojů začali systematicky zabývat profesoři Leopold Grimm a Jan Zvoníček, kteří vydali technického průvodce "Části strojů" již v roce 1919. Jejich dílo bylo v dalších letech dále rozvíjeno a zdokonalováno za účasti i dalších autorů a výuka částí strojů později pevně zakotvila i ve studijních osnovách ČVUT v Praze. Po materiálové stránce se přirozeně jednalo o popis a výpočty částí strojů vyrobených z kovových materiálů, zejména oceli. Již od samého počátku éry syntetických plastů se pozornost soustředila právě na ozubená kola, protože plasty umožňují zlepšit řadu nepříznivých vlastností ozubených kol vyrobených z kovových materiálů. Plasty postupem času nalezly svoje uplatnění v množství dalších aplikací na části strojů a strojírenských zařízení a v současné době výrazně napomáhají k inovaci a technickému pokroku ve strojírenství. Kromě toho mají plasty i neocenitelnou pozitivní úlohu ve vývoji vztahů lidské výrobní síly k výrobním strojům a zařízením, konkrétně se např. jedná o estetické vnímání, snižování hluku, snadnost manipulace apod.

    Odborná příloha: Netradiční přístup

    Cílem série následujících článků je seznámit technickou veřejnost s možnostmi použití plastů na výrobu široké škály strojních součástí. Obsah celé přílohy je netradičně členěn podle druhů součástí. Dosavadní praxe v oblasti plastů je totiž taková, že potřebné literární podklady (monografie, firemní literatura) jsou obvykle členěny podle materiálů a popis jejich vlastností je doprovázen příklady aplikací v různých oborech. Naproti tomu koncepce naší odborné přílohy umožňuje strojním inženýrům a technikům v oboru strojírenství snadněji se orientovat při výběru plastových materiálů pro řešení konstrukčních strojních součástí. Vychází se přitom z klasického členění "části strojů" poněkud přizpůsobeného aplikaci plastů. Při výchově inženýrů na našich strojních fakultách výuka konstruování z plastů prakticky chybí a rovněž tak o plastových řešeních jednotlivých částí strojů a zařízení nedostávají studenti informace odpovídající současným nárokům na strojní inženýry. Lze předpokládat, že i pro tyto účely bude soubor článků o plastových částech strojů užitečný a strojařům, kteří neprošli výukou plastů, přinese základní informace a pomůže jim orientovat se v této oblasti. Pochopitelně v současné době každá část strojů a zařízení popisovaná v jednotlivých příspěvcích je vyráběna množstvím firem jak ve světě, tak nakonec i u nás. Pro každou součást mohou být použity různé typy plastů, jejich modifikací, lišit se může i technologie výroby součásti, dodávány mohou být v různých rozměrových řadách atd. Situace v tomto směru je v některých případech velmi nepřehledná. Popsaná materiálová řešení jednotlivých skupin strojních součástí nejsou a ani nemohou být vyčerpávající, snaží se pouze naznačit, jakým směrem se v jednotlivých strojních součástech materiálově orientovat, jaké druhy plastů jsou schopny splňovat požadavky na funkčnost, pracovní prostředí a rozměry.
    Základní osnova souboru článků o plastových částech strojů a zařízení obsahuje 18 položek, uvedených na titulní straně této přílohy. V tomto čísle vychází prvních 6 tematických bloků (Montážní plastové součástky, Ložiska, Ozubená kola, Hřídelové spojky, Těsnění, Pružiny a pružné elementy).

    Vzorové plastové součásti

    Jednou z nejčastějších aplikací plastů na části strojů jsou montážní součástky a z nich pak šrouby. Na příkladu šroubů lze ukázat některé výhody plastů ve srovnání s kovy.
    Plastové šrouby se používají pro značně menší osové síly, především tam, kde je zapotřebí elektrická izolace, odolnost proti korozi, snížení hmotnosti spoje apod. Určité výhody plastových šroubů vyplývají z podstatně menšího modulu pružnosti ve srovnání s kovy. Umožňují totiž lepší vyrovnání nepřesností závitů a dosedacích ploch spojovaných dílů, rovnoměrnější rozdělení zatížení na jednotlivé závity podél délky šroubu, větší deformovatelnost šroubů, eliminaci napěťových špiček. Zabraňují samovolnému uvolňování závitového spoje a mají schopnost mechanického tlumení. Uvedené výhody jsou ovšem příznačné pro houževnaté semikrystalické termoplasty.
    Nevýhodou plastových šroubů v porovnání s kovovými je podstatně nižší pevnost, nízká tepelná odolnost, značná závislost pevnosti a modulu pružnosti na teplotě a na čase, rozměrové změny vyvolané navlháním, nežádoucí pokles předpětí šroubů vlivem výrazné relaxace napětí, případně ohřev šroubů vystavených vibracím a tím i snížení pevnosti a modulu pružnosti.
    Jednou z hlavních a typicky strojírenských aplikací plastů jsou kluzná ložiska. Plasty šetří barevné kovy a není třeba olejové mazání. Zjednoduší se tím obsluha a údržba ložisek a často i konstrukce většího strojního celku, neboť odpadá olejový mazací systém. V některých případech je použití nemazaných ložisek přímo nezbytné, má-li se zamezit znečištění výrobků mazivem, např. v potravinářském nebo textilním průmyslu. Plastová ložiska lépe tlumí rázy a chvění a jsou méně citlivá na nečistoty a cizí částice než kluzná ložiska kovová.
    Nevýhodou plastových ložisek je špatný odvod tepla, a proto provoz za sucha bývá omezen na malé rychlosti. Dalšími nevýhodami plastových ložisek proti kovovým jsou menší únosnost, tuhost, teplotní odolnost a přesnost uložení.
    Jak již bylo řečeno v úvodu, klasickou strojní součástí je ozubené kolo. Vstřikovaná ozubená kola z termoplastů umožňují levnou sériovou výrobu malých ozubených kol i s geometricky složitým ozubením (např. kuželová kola se zakřivenými zuby). Pro ozubená kola velkých rozměrů slouží technologie obrábění z desek nebo bloků, popřípadě odlévání. Volba materiálu je pro ozubená kola v řadě případů komplikovaná. Běžná evolventní ozubená kola jsou v oblasti zubů dynamicky namáhána (ohyb v patě zubu a kontaktní tlak a smykové tření na bocích zubu), a proto se od plastů požaduje především vysoká odolnost proti únavě, velká rázová a vrubová houževnatost, odolnost proti otěru, minimální tření, dobrá rozměrová stabilita při změnách teploty a vlhkosti, schopnost tlumit rázy a vibrace, odolnost proti zvýšeným teplotám, vlhkosti a vodě, mazivům, rozpouštědlům a jiným chemikáliím používaným ve strojírenství. Protože žádný plast neposkytuje jednoznačně výhodnou kombinaci těchto vlastností, je nutno při volbě materiálu vždy uvážit, které prioritní vlastnosti od materiálu vyžadovat pro danou aplikaci.
    Velmi dobré mechanické tlumení předurčuje plasty jako vhodný materiál na tlumicí elementy. Plasty s vyšším modulem pružnosti jsou používány převážně pro statická nebo rázová tlaková namáhání, zatímco houževnaté plasty a elastomery se používají pro dynamická cyklická zatížení a větší deformace, např. v pružných tlumicích prvcích, které se uplatňují buď v samostatných pružných tlumicích spojích, nebo ve spojkách.
    Významnou a velmi širokou aplikační oblastí pro plasty jsou těsnění. Materiály používané pro těsnění pohyblivých a nepohyblivých součástí ve strojírenství mají být ohebné a pružné ve velkém rozmezí teplot, mají mít minimální krip a relaxaci, malé tření a přitom velkou odolnost proti otěru a proti trhání, a konečně mají být odolné proti stárnutí a chemickým vlivům, zejména proti olejům a rozpouštědlům. Patří k nim eleastomery a termoplasty.
    Autoři děkují paní Lence Matějkové a paní Ivě Zámostné za počítačové zpracování rukopisů.
    Prof. Ing. Josef Seidl, CSc.
    Ing. Milan Vaněk
    Reklama
    Vydání #4
    Kód článku: 60497
    Datum: 12. 04. 2006
    Rubrika: Odborná 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
    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.

    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.

    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.

    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.

    Jedině CO2 laser pro opracování plastů? Dnes už ne

    Implementace a nahrazování mechanických střihadel funkčními celky s CO2 lasery je již dlouhou dobu etablovaný proces pro odstraňování vtokových soustav. Ale co když chceme výrobek z plastu kompletně opracovat? Zjednodušit tvar formy a snížit tak náklady ve výrobě? Musíme kupovat drahé 3D CO2 laserové celky? Není možné laserovou technologii integrovat do technologie stávající?

    Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

    Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

    Výroba stavebnic leteckých modelů

    Pamětníci si možná vzpomenou na reportáž o výrobě plastikových leteckých modelů, která vyšla v MM Průmyslovém spektru 1, 2/2004. Když jsem loni na setkání uživatelů softwaru NX potkal pana Vladimíra Šulce, jednoho ze zakladatelů společnosti Eduard – Model Accessories, pozval mě, ať se k nim do Obrnic přijedu znovu podívat, protože za tu dobu se mnohé změnilo.

    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.

    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