V rámci vývoje inovovaného typu průmyslového tryskače, který je v rámci Operačního programu Technologie a aplikace pro konkurenceschopnost spolufinancován Evropskou unií, se partneři zaměřili na inovace v oblasti řešení metacího kola s lopatkami, řešení naklápění rozdělovače abraziva bez nutnosti de/montáže, řešení v oblasti vyvažování metacích kol snižující prostoje a možnost monitorovat vzdáleně vyvážení metacích kol pomocí senzorů a internetu věcí. Projekt navazuje na předchozí úspěšnou spolupráci partnerů, která vyústila ve vyvinutí nového tryskacího systému a v další jeho inovaci.
Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CXI TUL), Fakulta strojní TUL (dále jen TUL) a česká výrobní společnost Kovo Staněk spolupracují na vývoji inovovaného typu průmyslového tryskacího zařízení s metacím kolem, využitelného k tryskání a úpravě povrchu v rámci tříletého projektu, který má být ukončen v závěru letošního roku.
Průzkum vývoje trhu podtrhuje nutnost inovace
Týmy TUL a Kovo Staněk spolupracují dlouhodobě a řešily spolu již několik projektů například za podpory MPO Voucheru z výzvy Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. Logicky proto společně vstoupily také do většího projektu zaměřeného na vývoj nové konstrukce tryskacího zařízení. Otryskávání materiálů je technologickým postupem zahrnujícím proudění jemných (abrazivních) částic na povrchy velkých konstrukcí z různých materiálů. Využívaný je hlavně v lakovnách, kalírnách, ale i v segmentu automotive a v současné době zejména v obranném průmyslu. Společnost Kovo Staněk dodává tryskací zařízení nejen na tuzemský, ale i na zahraniční trh. (Obrat celé firmy dosáhl v roce 2025 cca 290 mil. Kč bez DPH, obrat provozovny, zabývající se výrobou tryskacích zařízení tvoří přibližně 22 % z celkového obratu). Díky pravidelným průzkumům trhu, zjišťování potřeb zákazníků a analýze konkurence má vedení společnosti dostatečné informace o vývoji trhu a aktuálních trendech. Na základě získaných informací o mezerách v konkurenčním evropském prostředí prodeje tryskacích zařízení realizovala společně s TUL v minulosti úspěšný vývojový projekt podpořený v programu VaV, jehož výstupem byl v roce 2021 koncepční návrh nového tvaru lopatek metacího kola. Tento tvar byl v roce 2025 v novém projektu kompletně dovyvinut a vyroben. Reálné testy jej následně potvrdily jako efektivní a perspektivní řešení, proto má firma zájem na dalším zdokonalování procesu tryskání. Z tohoto důvodu znovu spojila síly s TUL ve společném projektu. „Projekt navazuje na dlouhodobý vývoj v oblasti konstrukce metacích kol a přináší několik technických inovací, které lze postupně implementovat i do stávajících modelových řad tryskacích zařízení,“ říká Daniel Štach ze společnosti Kovo Staněk s tím, že cílem úspěšného projektu je zvýšení konkurenceschopnosti společnosti a posílení její pozice na trhu a tím i zvýšení obratu provozu.
Zásadní fáze: nová geometrie lopatek. Odlehčené metací kolo
Vývoj a laboratorní pokusy podle docenta Michala Petrů z TUL prokázaly, že zásadní pro optimalizaci tryskacího procesu je nová geometrie lopatek metacího kola. Současné tryskací turbíny poháněné motorem standardně používají na metacím kole lopatky rovné. Výzkumníci na TUL však udělali sérii modelových simulací a různých geometrických úprav, kdy zkoumali a prověřovali různě zakřivené tvary lopatek. „Předcházely tomu námi vytvořené simulační numerické modely, na nichž jsme zkoumali a posuzovali různé zakřivení lopatek. Pikantní je, že jsme zjistili, že podle matematické teorie, kterou už v minulosti popsal švýcarský matematik Johann Bernoulli (1667—1748), lze popsat optimální křivku nejkratšího spádu prostřednictvím brachistochrony, která je dokonalou křivkou pro optimální rychlý posun valivého tělíska, třeba kuličky, v našem případě abraziva na lopatce. Pomocí numerických modelů jsme do simulací vývoje zakřivení lopatek aplikovali brachistochronu a přizpůsobili jsme ji konstrukčním rozměrům metacího kola a technologickým možnostem výroby lopatek. Vyvinuli jsme tak nový konstrukční tvar zakřivených lopatek s příznivějším úhlem záběru a výběhu abraziva a v laboratoři aplikované mechaniky jsme si potvrdili větší efektivitu tryskání v celém úhlovém uspořádání i vyšší rychlost pohybu abraziva. Náš současný projekt tak vlastně spočívá v implementaci námi dříve vyvinutých koncepčních řešení zakřivených lopatek a v jejich ukotvení do současného tryskacího systému metacího kola,“ říká docent Petrů. Měření podle něj pak potvrdila, že díky této inovativní konstrukci je proces otryskání objektu efektivnější, kratší a energeticky méně náročný. „Díky předchozímu vývoji zakřivených lopatek bylo nutné navrhnout zcela nový způsob jejich uchycení v metacím kole. Využili jsme proto příležitosti k celkovému přepracování konstrukce lopatkového kola a navrhli jsme jej pouze s jednou unášecí deskou namísto původního dvoudeskového provedení. Tím se podařilo snížit hmotnost rotující sestavy, omezit počet vyráběných dílců a zjednodušit montáž. Nižší hmotnost zároveň snižuje zatížení ložisek elektromotoru, která nesou celé metací kolo na hřídeli. Současně jsme upravili konstrukci metací turbíny tak, aby bylo možné lopatkové kolo vyjmout bočním směrem bez nutnosti demontáže elektromotoru, což výrazně zkracuje čas potřebný pro servisní zásahy,“ upřesňuje Daniel Štach. Dodává, že předmětem vývoje je také inovativní vyvažování metacích kol pomocí senzorů a internetu věcí. Při opotřebování lopatek se totiž zvyšují vibrace. V novém postupu by se na cloud pomocí senzorů a internetu věcí posílala potřebná data a systém by vyhodnocoval stav metacích kol. Při zjištění zvýšených vibrací nebo známek nevyváženosti by automaticky upozornil obsluhu i servisní tým na potřebu preventivního zásahu, například vyvážení metacího kola nebo výměny opotřebených lopatek. To by umožnilo lépe plánovat údržbu na základě skutečného stavu zařízení a předcházet neplánovaným odstávkám stroje způsobeným nadměrným opotřebením či poškozením metacích kol: „Tato inovace představuje další krok směrem k prediktivní údržbě tryskacích zařízení. Díky průběžnému sledování provozních parametrů bude možné včas identifikovat vznikající problémy a naplánovat servisní zásah ještě před tím, než dojde k poruše nebo omezení provozu zařízení,“ dodává Daniel Štach.
Laboratorní příprava — testbed
Tryskací zařízení patří k produktům s vysokou technickou náročností, které standardně potřebují výzkum a vývoj pro jejich inovace. Řešitelský tým TUL získal v rámci projektu a díky podnětům z průmyslové praxe ve spolupráci s firmou Kovo Staněk řadu dovedností a nových poznatků z oblasti technologie tryskání pomocí metacích kol. Tyto zkušenosti významně přispěly ke zdařilému vývoji laboratorního tryskacího zařízení (testbedu), které na TUL umožnilo provádět laboratorní výzkum tak, aby bylo možné zaručit spolehlivost tryskání v reálných provozních podmínkách, provádět zkoušky a prověřit všechny procesy tryskání tak, aby bylo možné poskytovat nejvyšší kvalitu přípravy povrchu podle specifických požadavků uživatelů. „Společnost Kovo Staněk má odpovídající technické i provozní zázemí pro úspěšnou realizaci projektu a také TUL má špičkové vybavení. Společnost Kovo Staněk též disponuje kvalitním a stabilním vývojovým týmem. Náš tým se na TUL zaměřuje na vývoj a aplikace progresivních a inovativních strojních a mechatronických zařízení pro průmyslové aplikace a má k dispozici rovněž špičkové vybavení. To jsou skvělé podmínky pro synergický efekt v naší společné práci,“ říká docent Petrů s tím, že TUL dokáže spolupracovat či pokrýt celý vývojový proces od konceptuální fáze přes konstrukční provedení, pokročilé modelování a simulace chování až po stavbu strojů a testování v reálných podmínkách.
Nový typ mechanismu naklápění stacionárního rozdělovače abraziva
Významnou položkou výzkumu v rámci projektu byla inovace konstrukce stacionárního rozdělovače abraziva. Zjednodušeně jej lze popsat jako kónický rozdělovač se štěrbinou, která usměrňuje proud abraziva na lopatky metacího kola. Poloha této štěrbiny přitom zásadním způsobem ovlivňuje výsledný obraz tryskání směr dopadu abraziva na otryskávaný povrch. „Momentálně se pozice rozdělovače nastavuje pouze jednou při seřízení stroje. Nastaví se optimální obraz proudu abraziva natočením štěrbiny a rozdělovač se následně zajistí v požadované poloze. Díky elektronicky řízenému polohování rozdělovače však nyní můžeme jeho polohu měnit i během tryskacího cyklu bez nutnosti demontáže metací turbíny nebo přerušení výroby,“ hodnotí přínos nové konstrukce Daniel Štach. Nové řešení využívá dvojici servopohonů působících proti sobě prostřednictvím unašečů, které umožňují aktivní natáčení rozdělovače během provozu. Tím lze průběžně korigovat směr proudu abraziva a přesněji řídit jeho dopad na tryskaný dílec. Kromě samotného mechanismu naklápění byla upravena také geometrie výstupní štěrbiny rozdělovače. „Mechanické tryskání využívá k urychlení abrazivních částic mechanickou energii rotujícího metacího kola (rotoru). Pohybová energie částic vzniká působením odstředivé síly, která je generována rotací celého systému. Změna spočívající v nahrazení původních přímých lopatek novou geometrií lopatek zakřivených, kterými abrazivo prochází, umožnila optimalizovat oblast tečného vedení hran výstupu. Původní výstup měl tvar jednoduchého kolmého otvoru. My jsme upravili geometrii jeho hran tak, aby lépe navazovala na směr proudění abraziva při naklápění rozdělovače. Díky tečnému tvarování hran výstupu jsme dosáhli kompaktnějšího proudu abraziva a plynulejší návaznosti mezi rozdělovačem a navazujícími částmi metací turbíny,“ doplňuje člen realizačního týmu Ing. Josef Vosáhlo, Ph.D., z TUL.
Inovativní změny i na rotačním rozdělovači
Výzkumné práce se zaměřily také na rotační rozdělovač abraziva, který je umístěn uvnitř stacionárního rozdělovače a otáčí se společně s metacím kolem. Jeho úkolem je zachytit abrazivo přiváděné do středu turbíny, rozrušit jeho proud a plynule jej dopravovat ke štěrbině stacionárního rozdělovače, odkud je následně předáváno na lopatky metacího kola. Kvalita tohoto procesu významně ovlivňuje rovnoměrnost plnění lopatek, účinnost tryskání i životnost jednotlivých součástí. „Původní geometrie zubů rotačního rozdělovače se při použití hrubších druhů abraziva poměrně rychle opotřebovávala. Postupným obrušováním docházelo ke změně jejich tvaru, což se následně projevovalo i na způsobu podávání abraziva do prostoru lopatek metacího kola,“ vysvětluje docent Petrů. Společný vývoj proto vedl k návrhu nové geometrie zubů rotačního rozdělovače. „Zubům, které při rotaci zachytávají a urychlují abrazivo proudící středem turbíny, jsme dali kuželovitý tvar s lichoběžníkovým průřezem. Díky rozšíření jejich kořenové části se podařilo zvýšit odolnost proti opotřebení a současně zachovat požadované vlastnosti při dopravě abraziva k lopatkám metacího kola,“ popisuje inovativní změny docent Petrů. Provedená měření i následné provozní zkoušky potvrdily prodloužení životnosti rotačního rozdělovače při zachování požadované kvality tryskání. Daniel Štach k tomu dodává, že výsledky vývoje byly ověřeny v běžném provozu a firma již tento typ rozdělovače využívá ve svých vyráběných zařízeních.
Přes teplotu k silovému působení abraziva
Součástí projektu byl také vývoj senzorické jednotky pro monitoring dopadu abraziva na tryskaný objekt. Jako funkční vzorek byl dokončen letos v květnu. Snahou bylo vymyslet něco sofistikovaného, co není závislé na lidském vnímání, jako třeba posuzování míry deformace tryskaného povrchu. „S přímým měřením silových účinků abraziva pomocí siloměru jsme neuspěli. Výsledky byly v podstatě nulové. A protože místa dopadu abraziva vykazovala dotykem různou teplotu, rozhodli jsme se pro nepřímé měření teploty a její přepočítávání. Protože teplota není podstatná na rozdíl od množství dopadajícího abraziva, nainstalovali jsme teploměry a nahrávali vývoj teplot v různých bodech měřeného pole. Ukázalo se, že některá místa se oteplují víc a rychleji, jiná méně a pomaleji, a měřením teploty jsme dokázali odvodit míru působení abraziva,“ říká člen univerzitního realizačního týmu docent Petr Tůma. Podle profesora Ladislava Ševčíka z TUL byly tyto výsledky podstatné pro konstrukční úpravu stroje pro dosažení co nejvyšší rovnoměrnosti dopadu abraziva. A díky nim liberečtí výzkumníci vyvinuli v univerzitní laboratoři aplikované mechaniky TUL systém, který snímá dopadovou plochu speciálními senzory. „Jedná se o pole se 64 námi vyvinutými senzory, které snímají dopadovou plochu. Senzor je složený z ocelové konstrukce a snímače teploty. Vycházeli jsme z toho, že plošná hustota dopadu abraziva se dá přepočítat na jeho množství, které na plochu dopadá za určitý čas. Po nárazu abraziva na plochu se část energie přemění v teplo a teplota tryskaného povrchu se rapidně zvyšuje i podle toho, jak rychle a dlouho na plochu dopadá. Při dvou minutách to je na 35 °C a po osmi minutách až na 82 °C. Vypracovali jsme simulační modely a grafy, které ukazují, jak přepočítat teplotu z každého senzoru do výsledného průběhu energie v celé dopadové ploše. To nám vlivem tryskání charakterizuje, kde je větší a kde menší energie, která ukazuje, kam největší shluk kuliček letí, kde je větší energie, tam je větší hustota dopadu abraziva a kde je menší energie, tam je menší,“ vysvětluje profesor Ševčík s tím, že pro výpočet hustoty dopadu je důležitý sklon výsledného průběhu energie v celé sledované ploše. Ideální by podle něj bylo, aby abrazivo dopadalo na povrch rovnoměrně, protože pak se dá jednodušeji vypočítat, za jak dlouho se celý povrch otryská. Potvrdilo se, že rovné lopatky střílejí třeba jen na jedno místo a zbytek povrchu zůstává neotryskaný. To znamená, že celý proces je delší, protože se obrobek musí více natáčet pro požadované otryskání.
Fáze prototypování
Vyvinuté konstrukční řešení bylo vyrobeno a integrováno do zkušebního zařízení společnosti Kovo Staněk. V rámci spolupráce s TUL byla navržena a realizována měřicí a senzorická infrastruktura pro sledování toku abraziva a ověřování provozních parametrů, přičemž experimentální měření a validace výsledků probíhaly v laboratořích TUL. Na základě dosažených výsledků nyní řešení prochází fází prototypového ověřování v reálných provozních podmínkách. „Po jeho úspěšném dokončení budeme zbývající inovované konstrukční celky a komponenty postupně zavádět do výrobního programu společnosti Kovo Staněk, a to jak u nově dodávaných tryskacích zařízení, tak formou modernizace stávajících instalací zákazníků,“ nastiňuje ukončení projektu Daniel Štach.
/Jaroslava Kočárková/