Tvárnenie kovov mi je najbližšie, ale ani novinkám sa nevyhýbam
Každý problém dá zabrať, ak sa má vyriešiť do akceptovateľného stavu s hmatateľným výsledkom. Ak chcete riešenie, nedá sa ísť povrchne, musíte rátať s množstvom investovanej energie, hovorí prodekan a docent z Ústavu technológií a materiálov Strojníckej fakulty STU Alexander Schrek. Je čerstvým držiteľom ocenenia Inovátor roka 2023.
Pán docent, poďme hneď na úvod k vášmu oceneniu. Prekvapilo vás?
Veľmi; už samotnú nomináciu som vôbec nečakal. O to viac ma prekvapil výsledok.
Kto vás nominoval?
Zväz slovenských vedeckotechnických spoločností. Vyhlasovateľmi boli ešte Centrum vedecko-technických informácií a Slovenská akadémia vied.
Ocenili vás za významný novátorský prínos v oblasti tvárniteľnosti kombinovaných polotovarov zváraných laserom. Môžeme si túto tému rozobrať?
Kombinované polotovary sú základom výliskov, ktoré tvoria nosnú štruktúru skeletu automobilov. Majú osobitné vlastnosti a funkcie, ich úlohou je prenášať zaťaženie od pohonu, zaťaženia posádky a batožiny. Takisto je ich osobitnou úlohou zachytávať deformačné energie pri prípadnej dopravnej nehode a zabezpečovať bezpečnosť posádky pred vonkajšími cudzími predmetmi. Ďalšou úlohou je vhodnou materiálovou kombináciou a kombináciou rôznych hrúbok znížiť hmotnosť karosérie. Ale aby som upresnil: toto ocenenie rozhodne nevnímam tak, že by som ho dostal len za tú jednu spomínanú tému.
Na čo sa teda ešte zameriavate?
Vždy som sa okrem konvenčných venoval aj netradičným technológiám, recyklácii kovového trieskového odpadu metódami práškovej metalurgie, tvárneniu švových rúr z austenitických ocelí s veľmi malými priemermi, ktoré sú polotovarmi pre injekčné ihly. Momentálne riešime na ústave tému tvorby preplátovaných spojov metódou RES (Resistance Element Soldering), kde našli uplatnenie spojovacie prvky v podobe bimetalických prietlačkov, ktoré sú komerčne nedostupné. Skôr by som teda povedal, že dané ocenenie vnímam ako reakciu na moje komplexné pôsobenie.
Poďme k tým kombinovaným polotovarom.
Tie sú poskladané z viacerých častí, ide o zvarené kusy plechu, ktoré môžu mať rôznu hrúbku, čím sa môže ovplyvniť aj hmotnosť karosérie auta. Tá sa prítomnosťou dodatočnej výbavy zvyšuje; vo všeobecnosti platí, že čím ľahší skelet, tým môže mať vozidlo bohatšiu výbavu. Kľúčovou myšlienkou je teda minimalizovať základnú hmotnosť vozidla, ale zároveň dosiahnuť čo najlepšie vlastnosti pri nárazových testoch. Problémom je, že keďže sú jednotlivé časti kombinovaných polotovarov spojené zvarom, najčastejšie laserovým, ten spôsobuje štruktúrne zmeny materiálu.
A tie následne ovplyvňujú čo?
Tvárniteľnosť, teda vlastnosť zmeniť jednoduchý plech na zložitejší tvar, ktorý potom predstavuje výlisok. Ak k týmto spomínaným zmenám dôjde, sú charakterizované zmenou rozmeru a tvaru. Pri hraničných hodnotách môže v daných miestach prísť k trhlinám, a teda už pri výrobe môžu vznikať nepodarky. Čiže ak si to zhrnieme: jednotlivé časti sú pospájané zvarmi, ktoré môžu spôsobiť štruktúrne zmeny, ktoré majú za následok, že sa zhoršia plastické vlastnosti materiálu.
Aká je tam vaša úloha?
Ovplyvniť polohu zvaru. Naznačiť konštruktérovi, na ktorom mieste výlisku by daný zvar nemal byť.
Predpokladám, že prvým krokom sú testy. Ako vyzerajú?
Sú rôzne. Normalizované, ako napríklad statická skúška v ťahu, ale aj technologické, ktoré nie sú normalizované a my sme ich navrhli tak, aby boli prispôsobené hodnoteniu tvárniteľnosti kombinovaných polotovarov so zvarmi. Okrem zvarov v polotovaroch je ďalším problémom anizotropia (fyzikálne vlastnosti látky sa menia podľa smeru, v ktorom sú merané, pozn. red.). Každý plech môže mať rôzne vlastnosti v rôznych smeroch, otázkou je teda vhodná orientácia jednotlivých častí v celom kombinovanom polotovare. V súčinnosti môže prítomnosť zvaru a horších vlastností jednotlivých častí vplyvom anizotropie vplývať na vznik lomu na výlisku, a tým pádom nepodarku. Samozrejme tvárniteľnosť kombinovaných polotovarov je ovplyvňovaná množstvom ďalších faktorov, ktoré sme študovali.
Ako by sa dala definovať technológia tvárnenia?
Je charakteristická tým, že tvárniacim strojom, ako zdrojom energie, prostredníctvom tvárniaceho nástroja dávame jednoduchému polotovaru jednoduchej podoby výsledný tvar súčiastky. Plech premeníme na výlisok, priestorový jednoduchý polotovar napríklad v podobe valčeka na ozubené koleso. Pôsobením sily dochádza k zmene tvaru, a takisto k zmene vlastností materiálu; význam tejto technológie a jej veľká prednosť spočíva v tom, že pri premene polotovaru na súčiastku vo väčšine prípadov (okrem tvárnenia za tepla) nedochádza k degradácii materiálu (pri strihaní dochádza k zámernému porušeniu materiálu, vzniká nový tvar).
Spomínate zmenu vlastností materiálu. V akom duchu?
Materiál sa deformačne spevňuje, zvyšuje sa jeho odolnosť voči pôsobeniu vonkajšej sily. Napríklad karoséria automobilu - vnútorná štruktúra, nie povrchové diely - je poskladaná z viacerých výliskov a v konečnom dôsledku nadobudne vlastnosti, ktoré sú použiteľné, akceptovateľné a ktoré zabezpečujú bezpečnosť posádky pri prípadnej dopravnej nehode.
Dá sa to povedať tak, že keď vezmete materiál a akokoľvek zmeníte jeho tvar, zvyšuje sa jeho pevnosť bez ohľadu na to, aký ten výsledný tvar je?
Dá sa to tak povedať, ale sú tu obmedzenia definované veľkosťou tejto zmeny. Ak sa hraničná veľkosť prekročí, dôjde k nežiaducemu porušeniu materiálu.
Ako je to možné? Materiál je ten istý, ktorý bol aj predtým...
...pretože na to, aby som zmenil jednoduchý tvar, musím na materiál pôsobiť vonkajšou silou nad hranicou medze klzu. Tlakovým alebo ťahovým zaťažením. Pri zmene tvaru sa dajú do pohybu vnútorné poruchy kryštálovej stavby kovu – dislokácie. Ak sa tieto zastavia napríklad na hranici zrna, precipitáte alebo na nečistote, materiál sa bráni voči ďalšiemu pôsobeniu vonkajšej sily a to je prejavom jeho spevnenia. Existujú viaceré druhy spevnenia, sú jednou z tém v predmete Náuka o materiáli v prvom ročníku bakalárskeho štúdia na našej fakulte.
Čiže môžeme povedať, že každé vonkajšie pôsobenie daný materiál zlepšuje?
Áno, ale za podmienky, že nebude zohriaty. Existuje totiž technológia tvárnenia za tepla, kde zohriatím materiálu prestanú fungovať mechanizmy spevnenia. Ešte predtým, než naň budeme pôsobiť, dosiahneme, že zmäkne, a tým sa výrazne zmenší sila potrebná na dosiahnutie zmeny tvaru. Ohriatie materiálu umožní vyrábať súčiastky, ktoré sú naozaj veľkých rozmerov, napríklad hriadele lodných motorov či vodných turbín.
A ak s materiálom pracujeme takto, bude následkom spevnenie potom, ako vychladne?
Nie, nebude. V takomto prípade dôjde k prekryštalizácii, zmení sa vnútorná štruktúra, zmenší sa pretvárny odpor a tým dosiahneme, že dôjde k premene jednoduchého tvaru polotovaru na zložitejší tvar súčiastky pri oveľa menších silách.
Ako sa teda zmenia vlastnosti?
Výsledné vlastnosti materiálu ovplyvnené štruktúrou závisia od množstva faktorov, napríklad od spôsobu a rýchlosti chladnutia, takisto od chemického zloženia. Po tvárnení môže nasledovať tepelné spracovanie, ktorým sa dá výsledná štruktúra výrazne ovplyvniť. Prípadne môže ostať v stave, ktorý nadobudla po tvárnení.
Kedy je výhodnejšie nechať ju v novom stave?
Závisí to od výsledných požadovaných vlastností; záleží na plánovanom použití tej-ktorej súčiastky. Napríklad v prípade plechových výliskov ostávajú súčiastky v takom stave, v akom vyjdú z tvárniaceho zariadenia. Častokrát sa súčiastky vyrábajú z odlievaných polotovarov, ktoré majú nehomogénnu vnútornú štruktúru, a práve tvárnením a tepelným spracovaním dosiahneme, že sa zmení na usmernenú, respektíve homogénnejšiu. Iste, sú aj také, ktoré sa nedajú vyrobiť inak, ako odlievaním, a potom musia nasledovať tepelné procesy, ktoré spôsobia homogenizáciu. Prípadne je možné použiť špeciálne spôsoby odlievania.
Pozrime sa teraz na zváranie. Čo sa tam deje na úrovni povahy materiálu?
Keďže ide o metalurgický spôsob spájania jednotlivých častí, vždy v ňom dochádza k zmene. Zvar ovplyvňuje jeho vlastnosti z hľadiska štruktúry, dochádza k fázovým premenám a k vzniku takých štruktúrnych zložiek, ktoré spomínané vlastnosti zhoršia, v prípade následného tvárnenia zhoršujú tvárniteľnosť. Pri obrábaní polotovar dostal svoju podobu tvárnením, ak za studena, má usmernenú kryštalickú stavbu. Pri procese obrábania odoberáme triesky, vytvárame napríklad medzery medzi zubami na ozubenom kolese, čím textúru narúšame. Súčiastky majú iné vlastnosti, ako keď je ozubené koleso vykované nahotovo, keď vnútorná textúra kopíruje vonkajší tvar ozubenia.
Došlo v technológii tvárnenia v ostatných rokoch k nejakému posunu? Prípadne je v kurze niečo, čo predtým nebolo?
Existujú nové technológie, napríklad tvárnenie laserom, tvárnenie ako aditívna technológia, teda prírastkové - inkrementálne tvárnenie, hydromechanické tvárnenie.
Poďme si tie pojmy upresniť.
Tvárnenie laserom je technológia, pri ktorej laserom vnášame do materiálu nerovnomerne teplo, čím vznikne napätosť. Materiál sa vyznačuje tepelnou rozťažnosťou a keď vhodným spôsobom orientujeme laserový lúč, teda prísun energie, daná súčiastka mení tvar pôsobením lokálneho ohriatia. Ak sa v materiáli prekročí hraničná hodnota napätia, účinkom okolitého tepelne neovplyvneného materiálu dochádza k plastickému pretvoreniu. Pri prírastkovom tvárnení je technológia zaujímavá tým, že je možné použiť relatívne jednoduché CNC zariadenie alebo mechanickú ruku robota, použiteľnú napríklad aj na zváranie. Nie je potrebný zložitý, veľký tvárniaci stroj ani nástroj, teda nič špeciálne. Dokážeme vyrábať individuálne súčiastky s rôznymi tvarmi v pomerne krátkom čase pri oveľa menších nákladoch.
Čiže efektívne šetríte čas, energiu, priestory.
Tak. Ešte by som tu uviedol hydroforming, ide o tvárnenie pomocou hydraulickej kvapaliny, najčastejšie oleja. Ten má antikorózne vlastnosti a znáša vyššie teploty, ako voda. Jeho sekundárnou funkciou je pri takomto využití aj mazanie funkčných častí zariadení pri tvárnení.
V čom je výhoda tohto spôsobu?
Pascalov zákon hovorí, že tlak v kvapaline, ktorý vznikne pôsobením vonkajšej sily, sa šíri každým smerom rovnako, čo sa pri hydroformingu využíva. Nejde o to, že sa vyvíja väčší tlak, ale o to, že sa rovnomerne rozloží.
Čiže opak laserového, kde cielene pôsobíte na jeden bod.
Áno. Spevnenie je závislé od veľkosti pretvorenia, vznikne však rovnakým tlakom v každej časti výlisku. Nerovnaké napätia môžu spôsobiť nežiadúce deformácie.
Nemôže byť nerovnomerné pôsobenie niekedy aj výhodou?
Otázkou je, či tlaku alebo sily. Nerovnakým rozložením sily je možné dosiahnuť rovnomerné rozloženie tvárniaceho tlaku.
Vieme si ešte uviesť nejaký druh tvárnenia?
Napríklad také, pri ktorom sa dosahuje superplasticita; zmena rozmeru sa štandardne pohybuje od desať do päťdesiat percent, ale pri superplasticite sa dá dosiahnuť až štyristo percent. Samozrejme, musia byť splnené isté podmienky, napríklad rýchlosť tvárnenia, pôsobenie tepla v istom rozmedzí, konkrétne 0,4 až 0,7 teploty tavenia spracovávaného materiálu. Tiež záleží na veľkosti zrna materiálu, a takisto na chemickom zložení. Teda vidíme, že nie všetky materiály môžu dosiahnuť superplasticitu.
Môžete - pre porovnanie - uviesť príklad nejakej skúšky?
Testovali sme pred časom skúšobné teliesko statickou skúškou v ťahu, bola pri tom na materiáli dosiahnutá zmena dĺžky asi o pätinu a veľmi malý rozdiel medzi napätím na medzi klzu a pevnosti. Následne sme ho skúšali po tepelnom spracovaní žíhaním, pričom došlo k výraznému zníženiu napätia na medzi klzu a viacnásobnému nárastu predĺženia. Pri superplasticite je zaujímavé, že sa vzorka pretvára pomaly, má istú teplotu, vnútornú štruktúru a použitý materiál, ktorý je schopný dosiahnuť veľké pretvorenie. Určite to nebude materiál, ktorý má vo svojej štruktúre tvrdé, veľmi pevné zložky a je pretvárne spevnený.
Poďme teraz k problematike spracovania termoplastov, ktorej sa takisto venujete...
...to súvisí s výrobou plastových výrobkov vstrekovaním. V minulosti som sa venoval aj konštrukcii nástrojov na vstrekovanie termoplastov. Dlho som potom predmet spracovanie plastov aj učil, a to bola moja výhoda - neprednášal som o tom, čo som si iba niekde prečítal. Mal som skúsenosti, tých výrobkov sa v nástrojoch podľa mojej dokumentácie ročne vyrobilo niekoľko miliónov. Pri tejto aktivite som sa naozaj veľa naučil, musel som si naštudovať technológiu a konštrukciu, bol som na školení vo firme, ktorá vyrába komponenty pre vstrekovacie nástroje. Nadobudol som v nej teoretické poznatky, ktoré som neskôr zužitkoval pri návrhu spomínaných nástrojov.
Ako by sme si definovali termoplast?
Ide o polymérny materiál, po ohreve do plastického, vysoko viskózneho stavu ho možno ľahko tvárniť, vstrekovať a spracovávať rôznymi technológiami. Do tuhého stavu sa dostane ochladením pod teplotu tavenia pri semikryštalických plastoch, respektíve teplotu viskózneho toku pri amorfných plastoch. Pri ohreve a chladnutí sa nemení chemické zloženie, preto sa dá proces ohrevu a chladnutia opakovať. Teplota spracovania je približne 180 až 220 stupňov, záleží od typu konkrétneho plastu. Ďalšou dôležitou vlastnosťou je tekutosť, zabiehavosť, schopnosť vyplniť dutinu nástroja; ten musí byť prispôsobený tomu, aby bol materiál schopný zatiecť do všetkých jeho kútov a tvarových zvláštností bez nebezpečia tvorby studených spojov. Materiál musí mať schopnosť pigmentácie, ktorá umožňuje zafarbenie, pretože v základnom stave ako granulát je prirodzene číry, respektíve mliečny.
Bolo vám bližšie spracovanie plastov, alebo tvárnenie?
Tvárnenie, ale zasa negeneralizujme (úsmev). Vždy som musel reagovať na vzniknutý problém a využívať, prípadne nadobudnúť teoretické poznatky, žiadnym technológiám som sa nevyhýbal. Proste sa mi istý technický problém páčil a šiel som ho riešiť. Nedelil som do sektorov, nepracoval som monotematicky. Napríklad sme riešili tvárnenie zváraných švových rúr, ktoré sú polotovarmi pre injekčné ihly; na tejto téme som pracoval veľmi intenzívne. Celkovo oblastí, kde som sa takto podieľal a pôsobil, bolo veľké množstvo. V minulosti som napríklad konštruoval formy na tvárnice - tehly z betónových zmesí. Zmes sa nasype a vibráciami spracuje v nástroji, respektíve forme, tá sa potom odoberie a jednotlivé tvárnice zostanú na podložke. Po dvoch-troch dňoch vytvrdnú, a následne sa použijú. Ide dnes o bežný stavebný materiál v stavebníctve.
Viete pomenovať konkrétny problém, ktorý vám dal najviac zabrať?
Každý dá zabrať, ak sa má vyriešiť do akceptovateľného stavu s hmatateľným výsledkom. Ak chcete finálne riešenie, nedá sa ísť povrchne, musíte rátať s množstvom investovanej energie. Na problematike plastov sme spolupracovali ja a kolega, ale celkovo by som chcel vyzdvihnúť dôležitosť kolektívu, s ktorým na danom projekte spolupracujete. Ak hovorím konkrétne o sebe, spomenul by som celý náš Ústav technológií a materiálov.
Témy alebo otázky, ktorým sa venujete, vyplývajú z vášho výskumu, alebo vás oslovuje súkromná sféra?
Dá sa to rozdeliť na aj, aj. Pred časom prišla firma s problémom havarovaného spaľovacieho motora z lokomotívy a my – traja kolegovia - sme hľadali dôvody, prečo k samotnej havárii došlo. Tie sme našli a otázkou je, aké budú následky.
A ako ste prišli na príčinu porušenia?
Základným problémom bolo použitie nevhodného materiálu, ktorý mal iné vlastnosti, ako v originálnom riešení. A v poriadku neboli ani podmienky prevádzky.
Dá sa to teda definovať tak, že ak si súkromná strana nevie rady s definovaním problému, obracia sa na vás, aby ste ho posúdili?
Áno. Pre ďalšiu firmu sme napríklad merali súčinitele trenia pri hlbokom ťahaní pre rôzne mazivá; šlo o to určiť, ktoré je vhodné pre kombináciu materiálov: tvárnený materiál - materiál funkčnej časti nástroja. Takýchto problémov, ktoré sa riešia pre prax, je veľa. Na našom ústave riešené diplomové práce súvisia aj s naším výskumom, taktiež sú orientované aj vyslovene pre prax.
Keď sme pri diplomových prácach, poďme rovno k študentom. Ako hodnotíte ich záujem o strojarinu?
Hmm (pauza). Je to trošku problém. Strojarina nie je ľahká, ide o oblasť, ktorá zahŕňa množstvo poznatkov. Náš program vyžaduje isté poznatky počas celého štúdia, pre študenta sa predmet nekončí absolvovaním skúšky. Niektoré predmety na študijnom programe majú pomerne veľkú vzájomnú nadväznosť – prerekvizity. Vedomosti a základné poznatky je potrebné mať trvalé a je potrebné si uvedomiť ich vzájomné súvislosti. Aby som však presne odpovedal na vašu otázku: na fakulte máme študijné programy, ktoré sú naozaj atraktívne, automatizáciu, informatizáciu, automobily... tam sa hlási najviac záujemcov. V minulosti, pred desiatimi-jedenástimi rokmi, sme mali na našom študijnom programe štyridsať končiacich študentov. Dnes sú tie počty výrazne nižšie. Osobne mám kontakty s viacerými firmami, kde mám aj svojich absolventov, a keď som komunikoval s vedením jednej, požiadavka znela, dodajte nám, z vášho študijného programu zoberieme aj piatich. Tu by som však spomenul aj lokalizáciu; môžete mať priemyselný park s viacerými firmami a možnosťami uplatnenia, ale problémom môže byť cestovanie. Otázkou je, či sa študentom, absolventom bude chcieť dochádzať, alebo budú ochotní zmeniť bydlisko.
Spomeňme ešte vaše štúdium. Ako ste si vyberali odbor?
Už na základnej škole som inklinoval k technike a manuálnej práci, od mala som letecký modelár, preto som sa musel naučiť poznať a použiť rôzne technológie a materiály, naučiť sa čítať výkresy. To bola prvá etapa. Ďalšou bolo štúdium na Strednej priemyselnej škole strojníckej na Fajnorovom nábreží, kde som stretol vynikajúcich učiteľov, ktorí sú pre mňa dodnes nezabudnuteľní. Doposiaľ mi je záhadou, ako, ale dostal som sa do triedy, ktorá bola zameraná na strojárske technológie. Pedagógovia boli neskutočne múdri ľudia, veľmi dobre sa s nimi komunikovalo, usmernili ma, a keďže záujem mi nechýbal, túto školu som si veľmi užíval a bez problémov som pokračoval v štúdiu na našej Strojníckej fakulte.
Ako sa vám na nej začínalo?
Prvé tri roky boli krušné, aj dnes sa dá vo všeobecnosti povedať, že bakalárske štúdium je orientované viac na teoretické predmety. K praktickým aplikáciám sa zo začiatku natoľko študent nedostane, až v šiestom semestri prichádza delenie do študijných programov. Ale aj skôr som si našiel predmety, ktoré mi boli blízke, čo si začali všímať aj skúšajúci, a už v tom čase som dostal ponuku robiť pomocnú vedeckú silu na Katedre technológií a materiálov, bolo to ešte na našom starom pôsobisku na Pionierskej. A bolo rozhodnuté. Učitelia, ktorých som mal na špecializácii, boli skvelí odborníci, veľmi dobre sa s nimi komunikovalo. Neskôr prišla ponuka zostať na katedre a stal som sa ich kolegom.
Čo by ste na záver odporučili študentom, ktorí majú v pláne zamerať sa týmto smerom?
Vo všeobecnosti by sa mali mladí ľudia viac orientovať na techniku, a teda aj na strojarinu. Štúdium je možno náročnejšie, ako pri niektorých humanitných oblastiach, veľakrát študentov na začiatku odrádzajú dielčie neúspechy, ktoré sa však pracovitosťou a vytrvalosťou dajú prekonať. Viem o mnohých kolegoch, ktorí sa v ťažších chvíľach snažia študentom pomôcť prekonať podobné problémy; prejavilo sa to hlavne v postcovidovom období, kedy prišli na fakultu s istými deficitmi zo strednej školy. Vzájomnou spoluprácou sa však každý problém dá vyriešiť, a potom nastane okamih, kedy sa vyjasní a študent pochopí rôzne súvislosti a nadväznosti vedomostí. Štúdium technického smeru a strojariny má zmysel a sú za ním obrovské možnosti uplatnenia.
Text: Katarína Macková
Foto: redakcia, fakulta, archív respondenta