Strojárske materiály budúcnosti budú čoraz ľahšie

Strojárske materiály budúcnosti budú čoraz ľahšie

Revolučné materiály, ktoré v súčasnosti hýbu svetom strojárstva, sú bezpochyby tie, ktoré dokážu nahradiť železo alebo oceľ bez toho, aby sa zhoršili vlastnosti finálneho produktu.

Ak sa v moderných strojoch niečo otáča, posúva alebo inak pohybuje a dá sa to bez oslabenia dielca vyrobiť z ľahšieho materiálu, treba to urobiť. Pretože potom pohyb spotrebuje menej energie a vyprodukuje menej emisií. Možno znie takýto opis mantry materiálového výskumu príliš zjednodušene, no pasuje na prekvapivo vysoké množstvo inovácií. Nahrádzanie starších, ťažších komponentov hliníkom, plastmi a kompozitnými materiálmi je určite logickým krokom v prípade, ak sa potrebujete zbaviť niekoľkých kilogramov.

Inovácie v materiáloch zachovávajú alebo dokonca zdokonaľujú fyzikálne vlastnosti tých existujúcich. Hliník, horčík, karbón a plasty umožňujú znižovať hmotnosť, emisie, náklady, recyklovať materiály, zvyšovať efektivitu a produktivitu výroby. To všetko pri súčasnom zachovaní fyzikálnych vlastností. Súčasné trendy v strojárstve poukazujú na hmotnosť ako na najväčšieho nepriateľa mnohých konštrukčných riešení. Hliník, karbón, plasty, rôzne kompozitné materiály a horčík predstavujú vynikajúce alternatívne riešenia, z ktorých profituje výroba a nákladové položky hlavného finančného kontrolóra firmy.

Súčasné trendy v strojárstve poukazujú na hmotnosť ako na najväčšieho nepriateľa mnohých konštrukčných riešení.

Hliník s budúcnosťou

Pri redukovaní hmotnosti sa mnohé ťažké komponenty nahrádzajú kompozitnými materiálmi, ale aj hliníkom. Objemy jeho spotreby neustále rastú najmä v leteckom priemysle. Dá sa teda predpokladať, že sa bude využívať čoraz viac i v automobilovom sektore. Totiž - aj keď je polovica auta z plastov, pripadá na ne len desať percent celkovej hmotnosti vozidla. „Pre vyššie využitie hliníka pritom ostáva nemalý priestor – nielen konštrukčne, ale aj na základe ekonomických kalkulácií,“ hovorí František Simančík, manažér pre vedu a výskum Ústavu materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied.

Nespornou výhodou, ktorá hovorí „za“ hliník je, že sa podľa potreby dá nitovať aj lepiť. Pri konštrukcii však nahrádza kovové materiály tam, kde to má naozaj význam. Napríklad pri aute je to kapota, strecha či dvere batožinového priestoru, pričom je potrebné myslieť na nutnosť jeho spájania s inými materiálmi, z ktorých pozostávajú ďalšie časti vozidla. Príkladom intenzívneho využívania hliníka je spoločnosť Jaguar Land Rover (JLR). Pri jeho výrobe z bauxitovej rudy je potrebné obrovské množstvo elektrickej energie, no recyklácia potrebuje z nej len päť percent. Problémom pri druhotnom spracovaní je kontaminácia. Ak dôjde pri recyklácii k neželanému primiešaniu rôznych zliatin, výsledkom nie je hliník s najvyššou kvalitou.

Očistenie od druhotných prvkov je veľmi náročné, preto sa takáto surovina používa na fyzikálne menej náročné časti. Jaguar Land Rover vyvinul hliníkovú zliatinu, ktorej obsah recyklovaného hliníka je rovných 50 percent. Do budúcnosti by pomer mal byť až 75 percent. To bude vyžadovať zavedenie recyklácie u dodávateľov a bude znamenať aj použitie odpadu, ako sú napríklad hliníkové plechovky na nápoje. Využitie hliníka uľahčuje pri väčších a ťažších luxusných automobiloch tohto výrobcu dosiahnuť zníženie množstva emisií CO2. Príkladom masívneho využívania hliníka je aj automobilka Ford s modelom F-150 či Mercedes-Benz, ktorého trieda C má 25 percent karosérie z hliníka, čo znížilo hmotnosť o 40 kilogramov. Aj najnovšia generácia Mazdy MX5 využíva značné množstvo hliníka, aj keď nosná konštrukcia je oceľová.

Pre vyššie využitie hliníka hovoria nielen konštrukčné argumenty, ale aj ekonomické kalkulácie.

Pre vyššie využitie hliníka hovoria nielen konštrukčné argumenty, ale aj ekonomické kalkulácie.

František Simančík

Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV

Najľahší z ľahkých

Horčík je kov, ktorý sa farebne takmer nedá rozoznať od hliníka, no má nižšiu hustotu. Je najľahší z trojice ľahkých kovov – hliník, titán, horčík. Napríklad kryt počítača, vyrobený z horčíka, má sotva dvojtretinovú hmotnosť hliníkového. Spojenie obzvlášť nízkej hustoty s vysokou mechanickou pevnosťou robí horčík zaujímavým najmä pre využitie v ľahkých konštrukciách, ale aj v iných oblastiach ako napríklad v medicínskej technike. Zároveň je horčík značne odolný voči korózii. Dobré tlmiace vlastnosti, biokompatibilita a ešte mnoho iného hovorí v jeho prospech.

Horčík našiel svoje využitie napríklad na bicykloch, obaloch na jadrové palivo, tlmičoch vibrácií a tieneniach obrábacích strojov, kľukových skriniach motorov, obaloch prevodoviek, kolesách automobilov, rebríkoch, krytoch elektronických prístrojov najmä mobilných telefónov a prenosných počítačov, telesách fotoaparátov, kancelárskom vybavení či kosačiek na trávu.

Uhlíková diéta od kozmonautov

Pevnosť a odolnosť voči agresívnym chemikáliám spolu s veľmi nízkou hmotnosťou urobili z karbónu vynikajúci konštrukčný materiál využívaný v kozmickom, leteckom a automobilovom priemysle, v športe, kozmetike aj armáde. Hlavným konštrukčným prvkom je uhlíkové vlákno. Väčšinou sa uhlíkové vlákna alebo tkanina z nich v niekoľkých vrstvách vytvarujú do presne požadovaného tvaru a spevnia epoxidovou živicou. Karbón má vyššiu pevnosť ako oceľ, je však ľahší a pružnejší. Ľahšie sa s ním pracuje a dajú sa z neho vytvoriť prakticky akékoľvek predmety a tvary i v amatérskych podmienkach. Pre vysokú tepelnú odolnosť sa začína masívnejšie používať v automobilovom priemysle.

Automobilka BMW predstavila model i3 s výlučne elektrickým pohonom, ktorý generuje počas prevádzky nulové emisie a žiadne nepríjemné pachy. Základ automobilu tvorí hliníkové šasi, na ktoré je pripevnený karbónový monokok chrániaci posádku vozidla. Ten možno z pohľadu hmotnosti označiť ako „karbónovú diétu“ pri zachovaní fyzikálnych vlastností.

 Nie za každý kov, no bez mazania či hrdze

Použitie plastov sa stále zvyšuje pre ich nižšiu hmotnosť, odolnosť proti korózii a dobré elektroizolačné a tepelnoizolačné vlastnosti. Spracovanie plastov ide ruka v ruke s nízkymi prevádzkovými nákladmi. Dajú sa spracovávať už pri teplotách 200 až 300 stupňoch Celzia, zatiaľ čo hliník potrebuje na roztavenie teplotu viac ako 650 stupňov. Oceľ má teplotu tavenia dvojnásobnú.

Podstatnú zložku plastov a gumy tvoria makromolekulárne látky - polyméry, ku ktorým sa pridávajú rôzne prísady. Môžu to byť stabilizátory, ktoré zvyšujú odolnosť proti vyšším teplotám a rôzne plnivá na dosiahnutie požadovaných mechanických vlastností. Preto použitie strojárskych plastov vedie k významnému zvýšeniu výkonu, bezpečnosti a účinnosti bez kompromisov v oblasti kvality aj fyzikálnych vlastností. Výsledkom sú úspory celkových nákladov, respektíve zvýšená marža výrobných spoločností. Príkladom môže byť puzdro ložiska vyrobené z ocele. Ak by sa nahradilo plastovým, bude sedemkrát ľahšie, odolné voči korózii, bez nutnosti vonkajšej ochrany, bez potreby mazania, údržby, prestojov. A to je len nahradenie jedného dielca. Ak by sa podobné „náhrady“ použili v masívnejšom meradle, dosiahla by sa značná úspora celkovej hmotnosti, radikálne zníženie údržby a prestojov bez potreby ďalšieho mazania, ochranných náterov a farbív. V konečnom dôsledku vedie použitie súčiastok vyrobených z technických plastov k zníženiu spotreby energií pri prevádzke, k zvýšeniu bezpečnosti používateľov, k rastu produktivity, produkcie a zisku. Plasty však nemôžu nahradiť všetky terajšie kovové časti. Najmä preto, že nemajú požadovanú pevnosť a ani takú tepelnú odolnosť ako kovy. Ťažko si predstaviť, že by z nich bol vyrobený mimoriadne mechanicky namáhaný kľukový hriadeľ alebo osi nápravy, pri produkcii ktorých sa používajú veľmi pevné kovové materiály.

Pri redukovaní hmotnosti sa mnohé ťažké komponenty nahrádzajú kompozitnými materiálmi, ale aj hliníkom a najnovšie karbónovými dielcami.

 Najprispôsobivejší materiál na svete

Spoločnosť Braeön uviedla na trh rovnomenný plastový kompozitný materiál, ktorý je ľahšou a všestrannejšou alternatívou oceľového lana, pričom si zachováva najlepšie vlastnosti oboch materiálov. Vďaka pevnosti v ťahu viac ako 900 kilogramov má sto metrov dlhá kompozitná páska hmotnosť nižšiu ako 0,5 kila. Je tenká ako papier a je možné ju využívať opakovane a prispôsobovať momentálnym potrebám. Molekulárne sa spája v priebehu niekoľkých sekúnd, pričom molekuly vytvárajú super silné väzby. Pri tvarovaní ju stačí zohriať na teplotu vyššiu ako 60 °C. Tenké vlákno má širokú škálu využitia od opravy pracovného náradia, športového vybavenia až po výrobu dlahy na zlomeninu článku prsta v zdravotníctve. Lano je dokonca možné použiť na ťahanie stromov alebo ako náhradný článok reťaze pri dvíhaní ťažkých bremien.

FOTO Shutterstock, Miro Nôta

Efektívnu prevádzku pýtajú aj nevýrobné budovy

Efektívnu prevádzku pýtajú aj nevýrobné budovy

Inteligentná fabrika ľudí nenahradí

Inteligentná fabrika ľudí nenahradí