První revoluci zažil obor obráběcích strojů ve 40. a v 50. letech minulého století, kdy se začaly objevovat první číslicově řízené (NC) výrobní stroje. Druhá revoluce přichází zřejmě právě teď. Tentokrát se ale jedná o průlomovou změnu v samotné konstrukci stroje: tradiční ocel a litinu začínají nahrazovat kompozity.
Na listopadové výstavě obráběcích strojů a jejich příslušenství JIMTOF 2014 slavila triumf česká firma CompoTech PLUS ze Sušice. Jeden z majitelů a současně ředitel pro výzkum a vývoj, Ing. Ondřej Uher, Ph.D., tam dostal příležitost přednášet na prestižní konferenci strojních inženýrů IMEC (International Machine Tool Engineers’ Conference), která se v rámci veletrhu JIMTOF koná tradičně – letos po šestnácté. Na JIMTOFu vystavoval CompoTech PLUS pod hlavičkou japonské společnosti Fukuda Corporation. Poněvadž jsme se s panem Uhrem nemohli setkat přímo v Tokiu, navštívili jsme jej po skončení veletrhu v sídle jeho firmy.
Společnost CompoTech je známá jako renomovaný návrhář a výrobce kompozitních materiálů. Jak došlo k tomu, že jste se soustředili zrovna na komponenty obráběcích strojů?
Pro obráběcí stroje jsme se rozhodli poté, co se nám podařilo uspět v oboru automatizace. Tam jsme se naučili prakticky vše, co dnes využíváme na poli obráběcích strojů. Dokázali jsme dosáhnout přesností, které automatizace požaduje, poradili jsme si s náročným průmyslovým prostředím lisoven plechu, podařilo se nám do kompozitových profilů integrovat různé systémy včetně lineárního vedení apod. Tak jsme si řekli, že když to dokážeme tady, proč bychom to nedokázali v obráběcích strojích? K tomuto myšlenkovému posunu došlo už někdy před 10 lety, a to byl de facto náš začátek.
Dnes už je pochopitelně situace úplně jiná. Velká část pohyblivých částí obráběcích strojů se z kompozitů vyrábí a u nás dnes tento segment generuje spolu s automatizací největší část obratu. Ještě předloni a dokonce i vloni měli někteří naši kolegové pochybnosti, jestli tato strategie bude fungovat. Dnes už je ale jasné, že opravdu funguje. I když ještě neděláme ty „stroje strojů“, jako je např. Makino, ke kterým vzhlížíme a o které usilujeme, ale spíše stroje jednodušší, např. pro řezání laserem. To ale není podstatné. Princip je vždy stejný.
Sektor výroby obráběcích strojů ale vůbec není jednoduchý. Naopak se o něm říká, že je svým způsobem rigidní vůči veškerým změnám…
Hlavně je jiný, než jsou tradiční odbytiště kompozitových komponent – automobilový průmysl, letecký průmysl nebo zbrojařství, kde se jedná především o státní zakázky. Řadu lidí jsme tím asi překvapili, že jsme se rozhodli, že nebudeme dělat přímé dodávky do těchto segmentů, ale budeme „dělat strojírenství“.
Kdy jste poprvé vyrazili s kompozitními součástmi pro obráběcí stroje do světa?
Poprvé jsme vystavovali na veletrhu EMO Milano v roce 2009 a poté hned na EMO v Hannoveru v roce 2011. Právě tam jsme se dohodli se společností Fukuda Corporation, že nás budou zastupovat na japonském trhu. Fukuda má takovou strategii, že si vybere z Evropy to nejlepší, a to pak „po japonsku“ upraví a přetaví. Naše spolupráce se nastartovala hned v následujícím roce v rámci veletrhu JIMTOF 2012. Objeli jsme tenkrát všechny větší japonské společnosti a prezentovali jsme se u nich. Výsledkem je, že v oboru obráběcích strojů v Japonsku realizujeme asi 10 projektů, zatímco v Evropě máme pouhé dva zákazníky a v České republice jednoho jediného. V Japonsku si nás pak všimla i akademická obec a v současnosti realizujeme zajímavý společný projekt s japonskou univerzitou. Odtud zřejmě také vzešel impulz doporučit mě na velkou přednášku při IMEC v rámci letošního JIMTOFu.
O této vaší přednášce všichni hovoří jako o obrovském úspěchu nejen České republiky, ale de facto celého bývalého evropského východního bloku. Můžete přiblížit vaše postřehy z této konference?
V naší sekci tam nebylo moc přednášejících, vše se vlastně odehrálo během jednoho dopoledne. Celý tento blok věnovaný „pokročilým materiálům ve strukturách obráběcích strojů“ zahájil profesor Hans-Christian Möhring z univerzity v Magdeburku, který udělal jakýsi historický úvod do všech uvažovaných materiálů a struktur a nakonec jmenoval i kompozity. V této souvislosti zmínil i nás a výzkum, který probíhá na RCMT (Ústav výrobních strojů a zařízení) při ČVUT v Praze a řekl, že toto je ten správný směr. Reakce publika byla pozitivní, avšak stále lehce nechápavá.
Poté následovala přednáška pana Yoshinori Nishiyamy z firmy Sodick. Tato firma si totiž vyrobila vlastní, plně kompozitový stroj. (Na JIMTOFu byly vystaveny pouze dva stroje s použitými kompozity: Sodick a Toshiba.) Zmíněný stroj je tříosý obráběcí s vysokootáčkovým vřetenem, specializovaný na optické aplikace. Pravděpodobně na obrábění forem pro optiku. Na veletrhu na něm předváděli výrobu forem na LED světla do automobilů. Na takovou výrobu 3 osy úplně stačí. V Sodicku tedy udělali z kompozitu všechny 3 pohybové osy, stůl i vřeteník. Úplně stejný stroj ale měli také v tradičním pojetí – v oceli a v litině. V rámci své přednášky pak prezentovali porovnání výkonů obou těchto strojů. Výsledkem bylo, že v podstatě ve všech parametrech dopadl kompozitní stroj zhruba dvakrát lépe. Dosáhli výrazného zkrácení výrobního času nebo při stejném čase mnohem vyšší přesnosti. Bylo to vlastně úplně poprvé, kdy výrobce prezentoval konkrétní výsledky. (Dosud se pouze uvádělo, že někde nějaké kompozitní součásti jsou, a to se pak využívalo v konkurenčním boji.)
Výsledky, které prezentoval Sodick, jsou pro nás perfektní reference a já osobně jsem rád, že to není naše vlastní reference, protože o to je cennější a důvěryhodnější. Po této přednášce ovládlo sál nadšení. Padla tam ale i otázka: „Jak to ale máme dělat?“ A odpověď jim pak přinesla moje přednáška, která tak byla úplně krásně načasovaná.
Vraťme se ale ze současnosti úplně na začátek: Jak jste se vlastně ke kompozitům dostali?
Všechno začalo v roce 1994 naším studentským projektem. (Příští rok budeme slavit již 20 let od založení firmy!) Já jsem studoval na ČVUT v Praze u prof. Růžičky a v mládí jsem hodně sportoval. Hlavně jsem ale pádloval a po revoluci jsme byli dokonce v reprezentaci ve sjezdu na divoké vodě. S kolegou Vítkem Šprdlíkem nás štvalo, jak jsme pořád lámali pádla. Řekli jsme si tedy, že když už jsme skoro ti strojní inženýři, tak že vyrobíme stroj na kompozitové trubky. Vyráběli jsme ho v garáži a trvalo nám to rok. Pak jsme ho ukázali prof. Růžičkovi a ten nám řekl: „Kluci, to je podobné jako technologie navíjení.“ O ní jsme do té doby nevěděli nic. Znovu jsme tedy vynalezli něco, co už tu bylo, ale, a to je podstatné, udělali jsme to vlastním způsobem. Něco z tohoto našeho objevu dokonce využíváme až dosud! Já jsem pak šel dál studovat v rámci postgraduálního programu, no a dnes tu máme asi 12 vlastních konstruktérů, které jsme si sami vychovali.
Nemáte tady v Sušici nouzi o kvalitní pracovníky?
Ani ne. Naší výhodou je, že ze Sušice už je to poměrně daleko jak do Plzně, tak i za hranice. Lidi se tedy snaží najít si práci zde, v místě bydliště. Výběr mladých lidí ale neponecháváme náhodě. Děláme to tak, že podporujeme místní gymnázium a už tam si vybíráme talentované děti. Ty pak posíláme na studia ke správným lidem a na správná místa.
Dnes tu máme kolem 50 zaměstnanců, z toho asi polovina je v konstrukci a administrativě a polovina ve výrobě. Nijak výrazně už ale výrobu rozšiřovat nechceme. Pokud by se situace vyvinula tak, že by se po nás chtělo abychom podstatně navýšili kapacity, raději bychom prodali licenci. S tím už zkušenosti máme. Prodali jsme už takto licenci na výrobu lodních stěžňů, které se teď vyrábějí na Srí Lance. To samé jsme řekli i našim japonským partnerům: Pokud by se to mělo zvrtnout v masovou výrobu, budete si to muset začít vyrábět sami.
Jako základní „surovinu“, jestli se to tak dá říct, ze které kompozitní součásti pro obráběcí stroje vyrábíte, uvádíte grafitová karbonová vlákna. V čem jsou specifická?
Do strojů používáme vlákno typu PITCH, které vzniká rafinací dehtu. Z vyčištěného dehtu se de facto vytáhnou vlákna, která se následně karbonizují. Tato vlákna jsou typická svým vysokým modulem pružnosti, který dosahuje až 960 GPa. V ostatních běžných aplikacích, jako je například již zmíněná stavba letadel, se používají převážně uhlíková vlákna PAN. To jsou plastová vlákna, která se spálí do uhlíkového vlákna. Náš prekurzor je tedy PITCH.
Vlákna nakupujeme od japonské firmy Nippon Graphite Fiber Corporation. Spolu s další japonskou firmou Mitsubishi Plastics se jedná o jednoho ze dvou největších výrobců grafitových vláken na světě.
Jaká je hlavní motivace pro aplikaci kompozitních materiálů v obráběcích strojích?
Jedním z přístupů je snížit hmotnost kinematických částí strojů, což vede ke snížení energie, která je potřebná k jejich akceleraci. V prvé řadě se tedy veškerý výzkum a vývoj soustřeďuje na pohyblivé komponenty, jako jsou v prvé řadě vřetena, která jsou srdcem každého stroje. Je-li vřeteno až čtyřikrát lehčí, tak také minimálně čtyřikrát méně tlačí do ložisek. Tím se pochopitelně změní celá fyzika vřetena, včetně tepelné výměny, a proto je jiná i celá konstrukce stroje. Hřídel vřetena z uhlíkového kompozitu kromě toho, že odstraní z hlavy stroje kritickou zátěž, vykazuje rovněž nulovou tepelnou roztažnost, vysokou dynamickou tuhost a nižší vibrace.
Z jakého kompozitu konkrétně tyto komponenty vyrábíte?
Naše komponenty vyrábíme převážně s ultravysokomodulových vláken a epoxidové pryskyřice. Vlákna skládáme na našich navíjecích strojích buď do 2D vrstev s různou orientací do různých tvarů především uzavřených profilů někdy i s komplikovanou strukturou plnou žeber či podélných výztuch, nebo tam kde potřebujeme vyplnit velké objemy materiálu, použijeme technologii 3Dc - Three Dimensional Cellular Composite. 3Dc je patentovaný silný kompozit vytvořený z buněk grafitového karbonového vlákna obklopeného standardním karbonovým vláknem.
Grafitové karbonové vlákno má vysokou tuhost – modul pružnosti dosahující až 900 GPa. Kompozit se vyrábí tak, že se asi 60 objemových % vláken smíchá se 40 % pryskyřice. Tím se ovšem modul pružnosti sníží asi na 400 GPa (v jednom směru), což je asi dvojnásobek tuhosti oceli. Podstatné ale je, že jsme stále na čtyřnásobně nižší hmotnosti.
Výrobní stroje jsou ale poměrně složitá a dynamická zařízení, kde se uplatňuje několik typů zatížení. Poněvadž ale například u typického smykadla je nejtěžší jeho ocelová hlava s vřetenem, i když se vlastní frekvence kompozitu a oceli výrazně liší, výsledné vlastní frekvence nosníku budou skoro stejné. Kompozitem tedy tento parametr nezlepším. Co ale dokážeme, je zlepšit útlum, a to až dvacetkrát. Děláme to tak, že ke kompozitu přidáváme speciální materiál, což je směs gumy a pryskyřice. Z teorie obrábění pak víme, že tím současně i vylepšíme stabilitu řezu a další parametry.
Jak se řeší spojení kompozitních součástí s ocelovými díly?
Na to máme také vlastní metodu, která umožňuje snadnou vzájemnou integraci kompozitních součástí a tradičních strojírenských spojů a nosníků. Nazýváme ji Intergrated Composite Connections (iCC).
Umíte z kompozitu vyrobit, alespoň teoreticky, cokoliv?
To zatím ne. V zásadě se držíme principu symetrie, tedy že neděláme žádné složité tvary. Kromě pohyblivých strojních komponent se ale v poslední době věnujeme i výrobě držáků nástrojů a sklíčidel, což je velmi nadějný obor a máme zde rozjeto několik velmi pěkných projektů s předními světovými výrobci.
Jaké benefity vnášejí kompozity do tohoto oboru?
Hlavní motivací a cílem je minimalizovat odstředivý efekt, stabilizovat upínací sílu a zajistit rychlou a snadnou instalaci. Zde hraje snížení hmotnosti zcela klíčovou roli. Tam, kde byly dříve v případě instalace velkých nástavců potřeba dvě osoby a jeřáb, stačí jediný člověk. Navíc se výrazně snižuje špičková energie a naopak zvyšuje akcelerace.
Jak to vypadá s cenou kompozitních dílů oproti tradičním ocelovým?
Tyto komponenty jsou pochopitelně dražší, ale nemusí být násobně. V dosažených úsporách se tyto náklady brzo vrátí.
Celou výrobu si realizujete sami nebo něco částečně nakupujete?
Ne, máme výhradně vlastní výrobu, dokonce i všechny stroje, které používáme, jsme si nejen sami postavili, ale také vyvinuli. Způsob výroby, který používáme, je vlastně additive manufacturing (aditivní výroba). Pouze jeden obráběcí stroj jsme realizovali ve spolupráci se Strojírnou TYC. Jedná se o tříosý CNC stroj (frézku), také z kompozitu z uhlíkových vláken. Vyznačuje se vysokou výkonností a o 45 % nižší spotřebou energie.
Chystáte se příští rok na výstavu EMO v Miláně?
Ano, pochopitelně. Tentokrát tam budeme prezentovat skutečně komplexní řešení. Budeme tam mít dvě vřetena – jedno evropské a jedno japonské, držák nástrojů, vřeteník a elektrovřeteno. Myslím, že bude na co se dívat.
Andrea Cejnarová