Výzkumníci z Katedry sklářských strojů a robotiky Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (FS TUL) vyvinuli nový sklokeramický materiál Porous Glass Plasticine (PGP). Za studena je podobný plastelíně, lze ho použít na výrobu nosičů nanočástic ve filtračních zařízeních, designových stěn interiérů, jež propouští jemné světlo a tlumí hluk, nebo třeba na výrobu parfémovaných šperků. Porézní sklokeramická „plastelína“ je chráněna českým patentem a poprvé ji katedra představila veřejnosti loni v září na mezinárodním sklářském veletrhu Glasstec v Düsseldorfu.
Katedra sklářských strojů a robotiky, původně však pod názvem Katedra sklářských strojů a zařízení, byla na nejstarší liberecké fakultě — Fakultě strojní TUL — založena před šedesáti lety a její vznik byl reakcí na potřeby tradičního sklářského a keramického průmyslu v severních Čechách. [Sama univerzita, původně Vysoká škola strojní, je jen o 10 let starší a letos podobně jako Technický týdeník slaví 70 let své existence — pozn. red.] Smyslem bylo hlavně vychovávat technicky vzdělané odborníky pro tato odvětví a činnost katedry byla zaměřena především na přípravu odborníků, kteří sklářským a keramickým strojům rozumějí. S vývojem sklářství, kde se výroba postupně značně automatizovala, se měnilo i zaměření katedry, rozšiřovalo se o aplikovaný, ale i základní výzkum zaměřený na sklářský průmysl. Katedra se v současné době zabývá hodně automatizací a robotikou, tedy obory, které s moderním sklářstvím úzce souvisejí. Také proto došlo ke změně původního názvu.
„V 90. letech postupně zanikly všechny výzkumné sklářské ústavy, takže naše katedra do jisté míry převzala jejich výzkumnou činnost a pomáhá tak udávat trendy v podnikání tradičního sklářství v takzvaném Křišťálového údolí. Tak je nazývána oblast severních Čech s tradičním sklářským průmyslem,“ konstatuje děkan fakulty Jaromír Moravec s tím, že se katedra nezaměřuje pouze na automatizaci a robotizaci ve sklářském průmyslu, ale také v dalších průmyslových odvětvích, jako je zpracování obrazu a robotizace v automobilovém průmyslu.
Doc. Vlastimil Hotař, vedoucí katedry sklářských strojů a robotiky FS TUL
Sklářství — vzor pro automatizaci
Podle vedoucího katedry doc. Vlastimila Hotaře se moderní sklářský průmysl stal do jisté míry vzorem automatizace, samozřejmě pokud nemluvíme o specifické ruční výrobě. „Na linkách ve velkých sklářských firmách je podstatně menší podíl ruční práce než třeba v oblasti automotive. Na plně automatických linkách dlouhých stovky metrů nepracují žádní lidé, vše je kompletně automatizované od začátku do konce. Například při výrobě lahví se člověk výrobku nedotkne vůbec. Na automatických linkách proběhne i kontrola jakosti a automaticky jsou výrobky i baleny. Sklářský průmysl tedy dnes víc než dělnické profese potřebuje spíše vzdělané odborníky schopné výrobu dozorovat a pružně řešit případné vzniklé komplikace,“ konstatuje doc. Hotař a připomíná, že katedra si ve spolupráci s Oddělením mechatronických systémů na výzkumném Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI TUL) v této oblasti může připsat několik zásadních úspěchů.
Jedním z prvních byl vývoj matovacího stroje, který byl vyvíjen pro sklářskou firmu Sklopan. Kyselina i písek byly ve standardním procesu matování skla nahrazeny obráběcím systémem kartáčů vybavených plastovými vlákny s diamantovými zrnky, a odstranila se tak náročná manipulace s nebezpečnými látkami.
Jedním z posledních úspěchů je realizace vloni ukončeného projektu zaměřeného na detekci tvaru automobilových skel. V jeho rámci vyvinuli pracovníci katedry a Oddělení mechatronických systémů na CXI ve spolupráci s firmou For G unikátní, patentem chráněný stroj, který dokáže řádově v několika sekundách, ve speciální poloze a přímo na výrobní lince přesně proměřit 3D tvar transparentního automobilového skla.
Dále mimo jiné pro vlastní výzkum metod 3D tisku skla vyvinuli a v současné době testují tři vlastní zařízení v rámci vnitřního projektu PURE. [Grantový program usiluje o dlouhodobé posílení výkonu a kvality vědecké práce univerzity v oblasti základního výzkumu, určen je pro menší, jasně definované a kompaktní týmy, které se zabývají základním výzkumem a již prokázaly své schopnosti vytvářet výsledky srovnatelné na mezinárodní úrovni — pozn. red.]
Netransparentní materiál byl před spékáním podobný plastelíně
Řeší 3D ze skla a vyvinuli vlastní zařízení
V základním výzkumu se pracovníci katedry zaměřili na využití 3D tisku ve sklářství. To jsou podle doc. Hotaře velmi složité a permanentně na celém světě řešené technologie, které mají různá úskalí, jako je například problém s vnitřním pnutím a homogenním složením. Zásadním požadavkem je vytvořit transparentní sklo bez bublinek. Podle vedoucího katedry má 3D tisk ze skla velký potenciál. I proto, že u této technologie je možné teoreticky kombinovat více materiálů nebo více skel různého složení, a proto může mít výsledný produkt proměnný index lomu. Pak lze získat třeba plochou čočku, ploché sklíčko, které plní funkce jako klasická čočka.
Stejně jako u 3D tisku plastů existuje i u skla mnoho technologických postupů. Aktuálně jsou řazeny do sedmi kategorií a několika podkategorií. Nejblíže aplikacím jsou v současné době právě technologie, které zařízení pro 3D tisk z plastů využívají. Jedná se o tzv. nepřímé získání objektu. V těchto technologiích se skleněné mikro- nebo nanočástice rozpustí v polymeru a následně je využito běžných technologií pro 3D tisk z plastů, jako je stereolitografie (SLA — stereolithography apparatus), kde se laserem nebo projektorem vytvrzuje tenká polymerní vrstva po vrstvě. Výsledkem je kompozit polymeru a skla. Nevýhodou je, že následně je z tzv. green body nutné odstranit polymer a sklo pak sintrovat při vysokých teplotách. To vede k relativně velkému smrštění a častému uzavření bublin uvnitř transparentního materiálu.
Dnes nejznámější způsob 3D tisku skla se provádí výtokem skleněné taveniny ve tvaru jakési „housenky“, řízeně směrované po vrstvách do výsledného tvaru (je to jedna z technologií extruze). Tato technika je označována zkratkou G3DP (glass 3D printing).
Vedle problémů s bublinkami, napětím ve skle a charakteristickou housenkovou strukturou výrobku je problém i s rychlostí technologie. U několika kusů vyráběných na zakázku to řešit nemusíme, ale při průmyslové výrobě je rychlost podstatná. Záleží samozřejmě na složení taveniny a ve výzkumu je nutné vyřešit nastavení tepelných parametrů tak, aby se sklovina po výtoku neroztekla a zároveň aby v trysce (výtokové misce) nezatuhla.
„Je to složitý proces a na čas je i náročné zprovoznění takového zařízení. Ani tato relativně přímočará technologie 3D tisku není snadná a dokládá celkovou komplikovanost 3D tisku ze skla,“ vysvětluje doc. Hotař.
Konstatuje, že výzkum 3D tisku je ve světě běžný, ale know-how katedry spočívá v tom, že spojuje tento základní výzkum a strojařinu. Vyvinuli zde totiž tři vlastní experimentální zařízení, na kterých výzkum 3D tisku skla intenzivně pokračuje ve spolupráci s Ústavem skla a keramiky VŠCHT Praha a s Ústavem fotoniky a elektroniky Akademie věd. Nová zařízení vycházejí ze tří známých technologií 3D tisku skla a ve dvou příkladech se jedná o technologie přímého získání objektu ze skla.
První je metoda tavení v práškovém loži SLM (selective laser melting), kde jsou laserem spékány drobné částice skla (někdy až v nanorozměrech). Technologie vychází z postupů pro 3D tisk kovů, ale kromě principu není možné cokoliv dalšího přenést do technologie pro aditivní zpracování skla. Jde o zcela jiný materiál a ukazuje se, že budou muset být skelné částice na bázi oxidu křemičitého před samotnou expozicí laserem specificky upravovány. Konečný výrobek pak vzniká postupným spékáním vrstvičky na vrstvičku.
Další používaná metoda na katedře vychází z technologie přímého nanášení materiálu DED (directed energy deposition), kdy se optická vlákna přiváděná na pohyblivou plošinku a ohřívaná laserem postupně taví na požadovaný objekt. To je zajímavé například pro výrobu optických senzorů. „Sklo je taveno CO2 laserem o vlnové délce 10 μm. Pro tyto vlnové délky je již sklo neprůhledné a laser sklo utaví,“ přibližuje složitý proces doc. Hotař. Inovativní prvek podle něj mimo jiné spočívá v tom, že na prototypu zařízení lze přivádět i více vláken a provádět tak experimenty tisku z více typů skla. To naznačuje nové možnosti 3D tisku skla.
Třetí technologií je robotická extruze, kdy je skelná hmota nanášena extruderem umístěným na robotu a 3D objekt je pak následně sintrován.
Vzorky připravené na tavbu
Při vývoji technologie 3D tisku skla objevili zcela nový materiál
Součástí experimentů zaměřených na 3D tisk skla bylo najít vlastní, energeticky méně náročný postup, tedy natavit přímo složky skla bez použití polymeru.
„Zkoumali jsme, jak se budou materiály chovat, když je budeme exponovat při nižších teplotách jiným teplem než laserem, u něhož dosahujeme 2 000 až 3 000 °C. Zkoušeli jsme to v laboratorní peci při maximálně dosažitelné teplotě 1 200 až 1 400 °C. Výsledek se nám ze začátku zdál přímo katastrofální — dostali jsme bílý netransparentní materiál, který byl před spékáním podobný plastelíně. Ale to, že ho můžeme za studena tvarovat v ruce do libovolných tvarů a až vypálením mu dodat dostatečnou pevnost, se ukázalo jako velmi výhodné,“ vzpomíná na začátky experimentu členka týmu dr. Marie Stará s tím, že se nakonec rozhodli nový materiál prozkoumat. Jeho vlastnosti všechny příjemně překvapily. Začali se tedy zabývat možnými aplikacemi materiálu, který dostal název Porous Glass Plasticine (PGP).
Významný „vedlejší produkt“ základního výzkumu
Sklokeramický materiál PGP, o kterém Vlastimil Hotař s nadsázkou říká, že to je vlastně vedlejší produkt základního výzkumu, je zatím posledním velkým úspěchem materiálového výzkumu na katedře. Je to podle něj klasická ukázka toho, jak je základní výzkum důležitý jako nositel nových potenciálních aplikací.
„Když se při základním výzkumu něco nepovede, může to být signál, že se objevilo něco nového. A to je právě tento případ. My jsme se zaměřili na možnosti složitého 3D tisku skla. Zkoušeli jsme hmotu různými způsoby exponovat tepelně a vyšel nám z toho úplně nový materiál. Prvotní zklamání přecházelo pomalu v nadšení a začalo to dávat smysl. Pochopili jsme, že nám vyšlo sice něco jiného, než jsme chtěli, ale vznikl zcela nový materiál, který jsme schopni odborně popsat včetně jeho aplikací,“ říká s tím, že samotný materiál není těžké vyrobit. Tajemství PGP spočívá „jen“ ve smíchání jednotlivých složek ve správném pořadí a poměru.
Lehkost, stabilnost, porozita, nasákavost, tlumivost hluku, ekologická čistota
Mechanické vlastnosti nového materiálu, pevnost a křehkost, odpovídají sklu, protože PGP vzniká ze stejné suroviny jako běžné sklo — z křemičitého písku. Po smíchání písku s plastifikátorem a kapalným pojivem vznikne plastická hmota, kterou lze za studena vytvarovat do potřebných tvarů. Pevnost a stabilitu pak získá při spékání (sintrování) za teploty 1 200 až 1 400 °C, kdy se část látek rozkládá, odpařuje a vypaluje, přičemž v materiálu vznikají plyny. Zrnka písku se při této teplotě zcela neroztaví, ale jen propojí v místech, kde jsou v kontaktu, a současně za řízeného teplotního rozkladu vstupních látek vzniká díky tomu vysoce porézní materiál. Na rozdíl od podobného materiálu, kterým je pěnové sklo, má průchozí póry, jež zůstávají otevřené a jejichž velikost lze regulovat velikostí zrnek užitého písku.
„PGP je nejen nasákavý, ale má zároveň výborné akustické tlumicí účinky. Přitom je průsvitný a velmi snadno se tvaruje. Bez potíží z něj můžeme tisknout i na 3D tiskárně pomocí robotické extruze a po sintrování se dá lehce obrábět běžnými nástroji, třeba broušením nebo frézováním. Otevřenými póry může procházet kapalina, čehož je možné využít při filtraci. Zajímavé je, že dokážeme využít velký vnitřní povrch pórů umístěním různých nanočástic, a změnit tak vlastnosti hmoty vhodné pro nosiče nanočástic do tepelně a chemicky odolných filtračních zařízení,“ popisuje nový materiál dr. Stará.
Dalšími přednostmi PGP je podle ní i to, že díky otevřeným pórům dobře absorbuje hluk a je možné ho použít jako akustický prvek. Nabízí se proto jako ideální materiál pro stěny nebo příčky v interiéru. A protože má i zajímavé difuzní vlastnosti, co se týče světla, může sloužit pro zlepšení nejen akustické, ale i světelné pohody.
Unikátní je schopnost spojovat u tohoto materiálu více vlastností a více funkcí. Může tedy sloužit jako stínítko, ale po zeslabení vrstev v určitých místech, kterými světlo začne procházet, i jako svítidlo se zajímavými efekty; ty se mohou docílit také přidáním luminiscenčních částic.
PGP lze při přípravě obarvit smícháním se stejnými barvivy jako sklo. Do modra se zbarví kobaltem, do zelena chromem a manganem na fialovo.
Otevřené póry je možné také napustit například vůní a vytvořit z nich dekorativní předměty a ozdobné předměty. První návrhy v podobě voňavé bižuterie, ze které se vůně šíří ještě dlouho po napuštění, už má katedra na stole.
Otevřené póry je možné také napustit vodou a použít jako dekorační zvlhčovač vzduchu, a pokud se k vodě přidá hnojivo, může se využít pro ekologické pěstování rostlin — hydroponii. Na katedře už probíhají pokusy s pěstováním rajčat, ale úrodu zde podle Vlastimila Hotaře zatím nesklízeli. „Ještě jsme se totiž nezabývali tím, jaká hnojiva máme použít. Podstatné pro nás bylo zjištění, že hmota udrží vodu a semena v ní vyklíčí,“ přiznává.
Další výhodou nového materiálu je podle něj i to, že po rozbití není materiál tak ostrý jako sklo a je s ním snadnější manipulace. Nezanedbatelné je i to, že PGP je vysoce křemičité sklo bez chemických přísad, a jedná se proto o recyklovatelný materiál vlídný k životnímu prostředí.
Sklokeramický materiál PGP je zatím posledním velkým úspěchem materiálového výzkumu na katedře
Snadná recyklace a nová varianta z recyklovaného skla
Tým Katedry sklářských strojů a robotiky se také pokusil nahradit sklářský písek jako vstupní surovinu rozdrceným recyklovaným sklem. Podle doc. Hotaře má zrecyklovaný materiál téměř totožné vlastnosti jako materiál z původních surovin, ale jeho výroba je energeticky méně náročná, protože umožňuje snížení teploty až na 750 °C. Vítané je, že lidé mohou PGP odhazovat do kontejnerů na sklo a že například v hydroponii může tento ekologicky čistý a snadno recyklovatelný materiál nahradit plastické truhlíky a jiné nádoby, a snižovat tak množství plastového odpadu.
„Ukazuje se, že zrecyklovaný materiál sice není úplně totožný s materiálem původním, ale že je vhodnější pro nejrůznější technické velkosériové aplikace, jako jsou filtry nebo systémy pěstování rostlin na profesionální úrovni, kde můžou zcela nahradit plasty. Tady nebude vadit, že výroba PGP z recyklovaného skla nemá tak čisté barvy. Podstatné je, že výroba bude levnější a konkurenčně schopná a má dobré předpoklady uplatnit se na trhu,“ podotýká doc. Hotař.
Výzkum pokračuje mezioborově, nezbytní budou partneři z praxe
Výzkum je podle doc. Hotaře záležitost mezioborová, a proto katedra spolupracuje s vědeckými týmy napříč celou univerzitou. Důležité je i zapojení studentů.
„Zaměřujeme se na automatický 3D tisk extruzí robotem a automatické tvarování PGP. Je hezké, že můžeme ručně vytvarovat světelně-akustickou desku, bižuterii nebo jiný dekorativní doplněk a pak ho v peci vypálit. Potenciál je ale v především v sériové výrobě,“ konstatuje Vlastimil Hotař s tím, že na to se právě zaměřují i studentské projekty, konkrétně robotické vytlačování materiálu robocasting a extruze. Zkoušejí umístit na robot extruder, který vytlačuje hmotu a staví požadovaný objekt. „Extruder se běžně používá pro keramické hmoty a beton, v oblasti této sklářské aditivní technologie by ale měl pravděpodobně premiéru,“ naznačuje.
Velmi důležité ale podle něj bude, jestli se do výzkumu zapojí i partneři z průmyslové praxe. „Naším cílem je najít strategické partnery pro vývoj konkrétních aplikací, protože každá z nich bude mít svoje specifika a na takový výzkum nemá žádná univerzita dost prostředků. Výsledky našeho výzkumu budeme publikovat v odborných časopisech, ale chceme také oslovit sklářské firmy především v Křišťálovém údolí, aby využily nových možností a příležitostí. Tady je sklářský průmysl stále na vysoké úrovni, fungují tady velké firmy, jako je Preciosa nebo Crystalex, ale i řada středních a menších podniků v Harrachově, Desné, Železném Brodě atd.
Chceme také proniknout i na evropský trh. Jsem přesvědčen, že aplikace mají velký potenciál uplatnění na trhu v ruční i automatické výrobě. Věřím, že skleněná plastelína bude respektovanou inovací ve sklářském oboru a její aplikace budou známé po celém světě,“ dodal doc. Vlastimil Hotař. Přiznává zároveň, že to ještě bude stát hodně času a úsilí, než se s pomocí všech partnerů z výzkumu i z praxe na trh dostanou konkrétní aplikace. I když první vlaštovka již přilétá a na pultech obchodů se objeví produkty ze skleněné plastelíny.
Zakládají spin-off
Vedení univerzity se rozhodlo podpořit návrh katedry na založení obchodní společností určené ke komercializaci svého objevu — spin-offu. Je totiž přesvědčeno, že aplikace nového materiálu mají velký potenciál na uplatnění na trhu. První vzorky, které vyvolaly velkou pozornost a příznivou odezvu, vznikly podle návrhů z katedry designu Fakulty textilní TUL.
„Jedná se vlastně o start-up založený za účelem rozvoje duševního vlastnictví, které zůstane majetkem univerzity. To znamená, že výsledek se neprodá firmě, ale firma ho bude využívat na základě smlouvy ve spolupráci s univerzitou. Jinými slovy: založíme společnost s ručením omezeným. Univerzita do ní vloží své know-how i finanční prostředky a firma se postará, aby se výrobek dostal na trh. Nechceme tedy komercionalizovat výsledky našeho výzkumu standardní cestou, jako je například licenční smlouva, chceme ho využívat sami. Pro univerzitu znamená spin-off nejen finanční přínos, ale je to i vysoce prestižní záležitost,“ vysvětluje rektor TUL pro vědu a výzkum prof. Petr Lenfeld.
Doc. Hotař dodává, že kromě voňavých předmětů chce univerzita uvést na trh co nejdříve ještě další dva produkty, pro jejichž výrobu má už průmyslové partnery: akusticko-optické panely a substráty pro pěstování rostlin.