Optimální využití kompozitů zvyšuje úroveň výrobků na světovém trhu

Přednosti výrobků s využitím kompozitů nejsou technické veřejnosti dostatečně známé. Konstrukční vlastnosti kompozitů vykazují vysoké pevnostní charakteristiky. Převyšují v řadě případů několikanásobně charakteristiky oceli a vykazují menší hmotnost, vysokou odolnost proti korozi, vysoký ohmický odpor a minimální nároky na dlouhodobou údržbu. Jejich nejzávažnějším nedostatkem je možnost aplikace v nižším teplotním rozsahu a malý rozsah databáze, jejíž optimální využití vyžaduje u projektantů speciální znalosti fyzikálních vlastností kompozitů a zkušeností s jejich instalací. Úspěšné řešení mnoha druhů výrobků s kompozity rychle rozšiřuje na světovém trhu jejich konkurenceschopnost. PODSTATA KOMPOZITŮ Kompozity nejsou materiálem v původním slova smyslu, ale strukturou, jejíž vlastnosti jsou účelově navrženy pro konkrétní výrobek. Tato struktura je vytvářena předem stanoveným prostorovým uspořádáním vyztužujících vláken (nejčastěji skleněných) spojených pryskyřičným, plastovým, silikátovým či kovovým pojivem (matricí). V převážné většině případů je kompozitní struktura vyráběna pro konečný produkt. Složení kompozitu je voleno podle požadavků na mechanické a další vlastnosti výrobku (elektrická vodivost, tepelná vodivost, odolnost proti vlivům agresivního prostředí, náročnost na údržbu atd.). Rozhodující roli hraje nejčastěji vysoká mechanická pevnost, životnost a měrná hmotnost třikrát až pětkrát nižší než má ocel. Vyztužující vlákna mají až o 2 řády vyšší pevnost a tuhost v porovnání s pojivem a při vnějším namáhání se deformují méně než pojivo. Na rozhraní mezi vlákny a pojivem vznikají smykové síly přenášející napětí z pojiva do pevných vláken. Vývoj kompozitů stále pokračuje. S postupem času je optimalizováno jejich složení, zlepšovány jsou jejich mechanické vlastnosti a ve více případech sníženy ceny pod úroveň klasických konstrukčních materiálů. Výhodou používání kompozitů je programovatelnost jejich vlastností. Dosud nedostatečný rozsah databáze vlastností kompozitů ztěžuje projektantům proces návrhu konstrukčních aplikací. Vyžaduje speciální kvalifikaci. VLAKNA KOMPOZITŮ Skleněná vlákna jsou nejčastěji používanou výztuhou kompozitních materiálů. Podle některých zdrojů rozsah jejich použití přesahuje 90 %. Tento výrazný podíl vyplývá zejména z velmi výhodné kombinace jejich mechanických vlastností (vysoká pevnost a tuhost) a nízké ceny. Uhlíková vlákna jsou obvykle charakterizována vysokou pevností, vysokým modulem pružnosti a vysokou tepelnou odolností. Pro případy, kde kritérium výběru je poměr meze pevnosti v tahu a měrné hmotnosti, jsou u kompozitů s uhlíkovými vlákny tyto vlastnosti mnohem příznivější než u kompozitů s vlákny skleněnými. Klasickým příkladem použití těchto kompozitů jsou např. letecké vrtule a další části letadel, např. části křídel, konstrukční části kosmických dopravních prostředků. Aramidová vlákna (obchodní název Kevlar) se vyrábějí z vysoce aromatických polymerů (obsahujících velké množství benzenových jader). Vzhledem k jejich vysoké ceně nejsou běžně používána. Význam mají v případech nároků na dobrou funkci velmi zatěžovaných výrobků. Jejich hlavní využití je v leteckém, kosmickém a obranném průmyslu. Kromě vláken jsou dodávány i aramidové výztuže ve formě tkaných látek, např. pro výrobu neprůstřelných vest. Tyto kompozity jsou obtížně obrobitelné běžnými nástroji. Jsou obráběny vodním paprskem a laserem. Protože aramidová vlákna vyztužená kompozity vykazují vysokou odolnost proti rázovému namáhání a abrazivnímu opotřebení, vyrábějí se z nich např. náběžné hrany a spodní plochy křídel. Jsou tak chráněny proti poškození kameny a dalšími částicemi odlétávajícími od povrchu dráhy při vzletu a přistání letadla. Polyesterová vlákna s velmi vysokou molekulovou hmotností známá jako vlákna UHMWPE (Ultra Molecular Weight Polyethylene) mají pro aplikace v kompozitech jistá omezení. Mohou být použita v kombinaci s většinou běžných pryskyřičných pojiv. V důsledku chemických vlastností těchto vláken je vazba s povrchem vláken příliš pevná, a proto se vlastnosti vláken plně neprojeví ve strukturních vlastnostech kompozitní součásti. Limitujícím faktorem těchto vláken je sklon ke creepu a ztráta pevnosti při vyšších teplotách. Neměla by být používána pro výztuhu kompozitů do prostředí s teplotou přesahující 93 °C, ani pro aplikace s dlouhodobým mechanickým zatížením i při pokojové teplotě. Mimo jiné jsou výhodně využívána ve výrobě osobních ochranných pomůcek, např. rukavic, zástěr, různých ochranných krytů atp. MATRICE Matrici kompozitních materiálů tvoří různé druhy pryskyřic. V prvním přiblížení je lze rozdělit na termoplasty, které při zvýšené teplotě měknou a tečou. Po ochlazení přecházejí do původního pevného skupenství. Byly vyvinuty technologie tažení profilů, které se působením tepla dodatečně tvarují. Termoplastové kompozity mají poněkud horší mechanické vlastnosti i chemickou odolnost. Jejich využívání je rozšířeno ve stavebnictví a architektuře z hlediska designu. Termosety tvoří matrice vznikající vytvrzující chemickou reakcí při působení katalyzátoru a iniciátoru. Správně vytvrzený termoset odolává vyšším teplotám, neměkne a odolává creepu. V porovnávání s plastem je však křehčí a nelze jej recyklovat. Nejrozšířenějšími termosety jsou polyesterové pryskyřice a epoxidy. Pro výrobu stavebních prvků jsou nejvhodnější polyesterové pryskyřice a pro náročnější aplikace v agresivním prostředí u více namáhaných zařízení jsou vhodné vinylsteridy. Epoxidy jsou využívány především tam, kde má význam jejich malá smrštivost. Pro termosety fenolické je charakteristická vysoká tvrdost, vyšší modul pružnosti a malá hořlavost. NAVRHOVANI KOMPOZITNICH KONSTRUKČNICH DILCŮ Konstruktéři a výpočtáři se nevěnují jen návrhu rozměrů a tvaru vyvíjeného výrobku, ale převážně se s větší intenzitou zabývají vytvářením optimálních kompozitových struktur, které vyhovují předpokládanému zatížení kompozitového výrobku a jeho provozním podmínkám. Limitujícím prvkem bývá předepsaná maximální dovolená deformace konstrukce než její pevnost, kterou mají kompozity vyšší než konstrukční oceli. Nejčastěji používané kompozity s výztuží skleněných vláken mohou v konstrukcích způsobit, že v nich nastanou větší nepřípustné deformace než v ocelových konstrukcích za stejných podmínek zatěžování. Chování kompozitních konstrukčních dílců je v různých směrech různé a různá je i odolnost proti jednotlivým typům namáhání (tah, tlak, smyk). Tento problém vyžaduje od konstruktéra podrobné znalosti o prostorových mechanických vlastnostech jednotlivých druhů kompozitů a často vede k netradičním řešením. Experimentem je ověřováno, jak teoretické představy statických a dynamických charakteristik navrhovaného výrobku s konstrukčními kompozitovými dílci odpovídají skutečnosti, jaká je opakovatelnost naměřených dat u těchto výrobků a jaká je jejich životnost. Pro experimentální dynamické zatěžování se statickou složkou konstrukčního kompozitového dílce se nejčastěji používají elektrohydraulické zkušební stroje s jedním až třemi zatěžovacími kanály a pro ryze statické zatěžování různé elektromechanické zkušební stroje. Deformace zkoumaného dílce se měří kovovými tenzometry. Kvantifikace vztahů mezi strukturou kompozitů a jejich výslednými vlastnostmi je i v posledních letech soustavně zkoumána. Zdaleka však není ukončena. Zvláště při využívání výrobku s kompozitovými díly v agresivním prostředí a při zvýšených teplotách vyžaduje optimální výsledek takového konstrukčního řešení značný podíl tvůrčí práce. Potřebné rozsáhlé znalosti o kompozitech a jejich výrobě mají pracovníci, kteří se jejich výzkumem, vývojem a výrobou trvale zabývají. Samozřejmě je značný rozdíl mezi návrhem a výrobou kompozitové letecké vrtule a součástí ochranného zábradlí ve stavebnictví. POČET VYROBKŮ S KONSTRUKČNIMI KOMPOZITOVYMI DILY SE ROZŠIŘUJE Tempo zvyšování produkce kompozitů trvající přibližně 60 let se v posledních letech zvýšilo. Praxe prokázala, že výrobky s kompozitovými konstrukčními díly mají zpravidla vyšší technické parametry a jejich výroba je často jednodušší, a proto levnější. Například trupy velkých dopravních letadel vyráběných až z tisíců kovových součástek je nahrazováno o řád nižším počtem kompozitních dílců. Využívání kompozitních materiálů se významně rozšiřuje v produkci malých sportovních letounů, ve které představuje Česká republika světovou špičku. V roční produkci překračující 350 těchto letounů je využíváno více než 32 tun kompozitů v konstrukci těchto letounů, což podstatně zvýšilo jejich letové parametry a bezpečnost letu. Tuto techniku zvládlo 12 až 15 menších výrobních firem. Významným pracovištěm disponujícím rozsáhlým výzkumným potenciálem, potřebnou experimentální základnou a patřičnými zkušenostmi je Obor letadel na Fakultě strojní ČVUT vedený doc. Ing. Lubošem Janko, CSc., který rozhodujícím způsobem podpořil využití kompozitů v naší letecké technice. V současné době je zavedena výroba kompozitových dveří pro francouzské airbusy a americké boeingy v podniku Letov Letecká výroba. Ve VZLÚ v Letňanech byla vyvinuta kompozitová vrtule s funkčními parametry nedosažitelnými u vrtulí s kovovými listy, jejíž vývoj vedl Ing. Vilém Pompe. Kompozity se vyrábějí u řady finálních výrobců malých sportovních letadel. Aero Vodochody bude vyrábět kompozitové díly pro letecký průmysl v hale o ploše 1600 m2. Úlohou pracoviště bude výzkum, vývoj, prototypová a nízkoobjemová produkce. V roce 2012 bude kompozitová výroba rozšířena na další plochu o velikosti 5400 m2. Rozšiřuje se využití kompozitů ve stavbě námořních lodí i malých plavidel. Rozšiřuje se využití kompozitů i ve stavebnictví, kde kompozity efektivně nahrazují ocelové a betonové konstrukce, resp. jejich části. Zastřešení uskladňovací nádrže pro ČOV Modřice v průměru 20 m realizovala firma POLA. Dále je na obr. zkušební série karoserií pro prototypy zahradních traktorů realizované firmou VEDeX. Největší stavební aplikace tažených kompozitních profilů v Evropě byla stavba tunelu pod kanálem La Manche. Kompozity pronikají do průmyslu silničních a kolejových vozidel. Rozšiřuje se jejich využívání v různých strojírenských oborech a ve sportovním náčiní. Výroba kompozitů se rychle rozšiřuje v západních průmyslových státech, za kterými v tomto oboru se zvětšujícím se odstupem zaostáváme. Tento obor je v permanentním rozvoji, jenž bychom neměli v zájmu konkurenceschopnosti našeho průmyslu podcenit. Dosáhli jsme pozoruhodných úspěchů s využitím kompozitů v leteckém průmyslu. Máme předpoklady, které bychom měli využít v dalších průmyslových oborech. Světová konkurence je neúprosná. ING. JIŘÍ ČERNOHORSKÝ, DRSC. Rozsáhlé informace o důvodech zavádění kompozitů do průmyslových výrobků, o jejich vlastnostech a struktuře v článcích a přednáškách sdělovali prof. RNDr. Josef Jančár a doc. Ing. Anton Humár z VUT Brno.