Vzhledem k rostoucím regulačním požadavkům čelí poskytovatelé výrobních technologií po celém světě výzvě integrovat výkonné a ekologicky šetrné materiály. Jaká řešení již existují, bude možné vidět na EMO Hannover 2025, světovém veletrhu výrobní technologie, který se koná od 22. do 26. září. Zvláštní pozornost je věnována kovovým pěnám a náhradním látkám za per- a polyfluorované alkylové sloučeniny (PFAS).
Metalové pěny pomáhají navrhovat stroje efektivněji, lehčeji a zároveň stabilněji. Vysoce porézní materiál má – podobně jako jeho přírodní vzory kosti nebo dřevo – buněčnou strukturu, která může absorbovat energii ve formě vibrací, nárazů nebo zvuku.
Jak péct chléb
Hliníková pěna může být vyrobena procesem, který v zásadě probíhá podobně jako pečení chleba. Vezmeme prášek, výbušné látky a teplo, a hliníková pěna je hotová. Ve skutečnosti je však výroba tohoto vysoce technologického materiálu o něco složitější. „Pro výrobu hliníkových pěn se mísí prášek hliníkové slitiny a prášek výbušné látky, většinou se předkompaktují axiálním lisováním a poté se lisují do pěnitelných prutů,“ vysvětluje Carsten Lies, vedoucí oddělení funkčně integrované lehké konstrukce na Fraunhoferově institutu pro strojní nástroje a tvářecí techniku (IWU) v Chemnitz. „Pro výrobu hliníkových pěnových sendvičů se na sebe pokládají nařezané, pěnitelné hliníkové pruty mezi dvě krycí desky umístěné v určité vzdálenosti od sebe,“ popisuje inženýr výrobní proces dále.
V následující tepelné úpravě expanduje pěnitelné hliníkové materiály mnohonásobně. Vzniklá pěna se pevně spojuje s oběma krycími plechy do sendviče. Po ochlazení se sendvič upraví na konečné rozměry. „Metalické pěny, zejména hliníkové pěny, se převážně používají jako jádrový materiál v sendvičích,“ vysvětluje Lies. Jejich krycí plechy jsou obvykle vyrobeny z oceli nebo hliníku. „Krycí vrstvy absorbují působící zatížení, jádro udržuje plechy konstantně od sebe,“ vysvětluje výzkumník z Fraunhoferova institutu zvláštní vlastnosti tohoto vysoce technologického materiálu. Spojení mezi krycími vrstvami a jádrem se obvykle uskutečňuje v kovovém spojení.
Vzdušný, lehký a tučný: Sendvič s pěnovou náplní
„Sendviče vykazují v závislosti na konstrukci velmi vysokou ohybovou tuhost. Tento efekt se využívá k tomu, aby se sestavy zjednodušily a přitom se zachovala nebo dokonce zlepšila tuhost sestavy,“ říká Lies. Nahrazují masivní prvky konvenční sestavy. V závislosti na kritériu optimalizace, podle výzkumníka, je možné dosáhnout buď výrazných úspor hmotnosti při stejné tuhosti (až přibližně 30 procent), nebo při zachování hmotnosti výrazného zvýšení tuhosti. Konkrétní výhody použití kovové pěny v stroji z hlediska efektivity a udržitelnosti jsou podle Liese tedy „výrazně zlepšené tlumení díky pěnovému jádru a výrazná úspora hmotnosti díky použití sendvičů“.
Pozitivní pro ekologickou bilanci je také to, že kovové pěny lze snadno recyklovat. „Protože se při výrobě sendvičů nepoužívá žádné lepidlo, může být materiál zařazen do stávajících cyklů pro zpracování kovového odpadu ze železa a hliníku,“ říká výzkumník z Chemnitz.
Přesně z 3D tiskárny
Součásti z kovové pěny – nebo přesněji řečeno součásti z hybridních porézních (HyPo-) materiálů – lze také vyrábět pomocí 3D tisku. Výhoda aditivně vyráběné kovové pěny: Vzduchové komory lze přesně uspořádat. Takto vyrobené součásti mohou být optimalizovány pro specifické aplikace, protože gradované nastavení porézní struktury uvnitř součásti nabízí více možností než vzduchové bubliny v kovu, které vznikají při pěnění plynem. Tak mohou v 3D tiskárně vznikat strojní komponenty na míru a s přesně definovanými vlastnostmi.
„Gradovaná nastavení pórů struktury a vlastnostních profilů jsou u monoliticky vyráběného materiálu obtížně nebo téměř nemožně realizovatelná, protože buď výrobní proces, nebo další zpracování až do konečné geometrie dílu neodpovídají konečným požadavkům na zatížení,“ vysvětluje Thomas Hassel z Institutu materiálového inženýrství na Leibnizově univerzitě v Hannoveru (LUH). Podle jeho slov aditivní výroba umožňuje „výrobu blízkou konečnému tvaru“ dílů a zároveň na příslušných místech přináší gradaci „takovým způsobem, že je přesně umístěna v požadovaném profilu“.
Jaké konkrétní aplikace existují v oblasti strojů na obrábění a jak může inovativní materiál přispět ke zvýšení efektivity a udržitelnosti ve výrobě, je předmětem výzkumu. Zaměřuje se přitom na komponenty strojů na obrábění (výměnníky nástrojů, držáky nástrojů, vřetenové posuvy) z hlediska jejich tuhosti, tlumení, termoelastického chování, nevyváženosti, tvrdosti a kvality povrchu, vysvětluje Hassel. Implementací HyPo komponentů například ve frézovacím stroji se zkoumá, jaké výhody přinášejí gradientní komponenty. „Přitom má být analyzováno provozní chování během obrábění, protože frézování zahrnuje široké spektrum různých zátěžových případů,“ říká Hassel. „Tímto způsobem bude možné určit vliv HyPo komponentu na mechanické a tepelné vlastnosti strojů a významně zlepšit výkon takových strojů.“
Náhrada za chemikálie věčného trvání
Více udržitelnosti prostřednictvím lehkých materiálů je jedním z mnoha přístupů, jak zlepšit ekologickou bilanci v průmyslové výrobě. Zároveň se stále více dostávají do popředí ekologické alternativy k takzvaným věčným chemikáliím. V centru pozornosti jsou mimo jiné škodlivé per- a polyfluorované alkylové látky (PFAS), které se v produkci používají zejména tam, kde panují extrémní podmínky: vysoké teploty, silné opotřebení nebo agresivní chemické podmínky. PFAS se vyskytují mimo jiné v těsněních, potrubích nebo armaturách.
Zda je možné nahradit PFAS, je třeba posuzovat individuálně podle konkrétního případu a nelze na to odpovědět obecně, říká Frank Schönberger, vedoucí oddělení syntézy a formulace na Fraunhoferově institutu pro provozní spolehlivost a systémovou spolehlivost LBF v Darmstadtu. "Jednoduchá náhrada fluoropolymerů 1:1 obvykle není možná, ale vždy závisí na individuálních požadavcích dané aplikace."
Existují případy, kdy může být fluoropolymer v závislosti na požadavcích nahrazen jiným vysoce výkonným polymerem (např. PEEK, PEI nebo PPS), například když jsou požadavky na teplotu a média mírné nebo v oblasti tribologických sloučenin. "Ale jsou také oblasti použití, kde komplexní požadavky - k dnešnímu dni - nemůže splnit žádný jiný materiál," upozorňuje vědec. "Fluoropolymery mají širokou chemickou odolnost a vysokou odolnost vůči teplotě. V aplikacích, kde je to vyžadováno, jako jsou čerpadla nebo zařízení, která musí odolávat různým médiím za různých podmínek, zatím nelze fluoropolymery nahradit," shrnuje Schönberger a dodává: "Příležitosti se mohou objevit v aplikacích, kde není vyžadován plný potenciál fluoropolymerů a v situacích, kde je například možné redesign."
Náhrada PFAS je také relevantní pro USA
Podle Schönbergera je náhrada PFAS relevantní i pro trhy mimo Evropu, zejména v USA. Kromě toho existují ve Spojených státech částečně regulace závislé na jednotlivých státech. To také ukazuje: Větší udržitelnost ve výrobní technice je globální výzvou, na kterou je třeba reagovat ve fabrikách ve všech průmyslových zemích.
Autor: Daniel Schauber
Kontakt:
