Sledování směrů vývoje sklářských forem s využitím metodiky TRIZ

Transkript

1 Sledování směrů vývoje sklářských forem s využitím metodiky TRIZ Jirman P., Matoušek I., Bušov B, Skuratovich A. Úvod Základním postulátem metodiky TRIZ (teorie řešení inovačních zadání) je existence relativní nezávislosti procesů vzniku nových technických systémů na přání člověka. To, že věda zkoumá objektivní zákonitosti je známo. Na rozdíl od výzkumných pracovníků mnozí pracovníci v technice většinou nemají ani potuchy o jakýchkoli zákonitostech rozvoje techniky [1]. Techniku tvoří člověk. Technika je člověkem zadána, vytvořena, vyráběna, ale také omezena. Vývoj techniky je historický proces v rámci rozvoje společnosti. Přestože subjektivní působení lidí nejsou vždy v souladu s objektivními zákonitostmi procesu rozvoje, životaschopnými a užitečnými se nakonec vždy ukáží jen takové výsledky subjektivních lidských činů a působení v technice, která jsou v souladu s existujícími zákonitostmi. Je zřejmé, že znalost zákonitostí rozvoje technických systémů umožní úspory množství sil, energie, hmoty a času. Jako příklad pro sledování zákonitostí bylo vybráno zařízení na tvarování obalového skla. V článku [2] byl popsán důvod použití řadových strojů a technologické problémy spojené se stabilizací výrobních podmínek tvarování. Tyto podmínky jsou směrovány především na optimalizaci tvarování a chlazení skloviny ve formě s perspektivním cílem dalšího snížení tloušťky skla při zachování mechanické pevnosti výrobku a možností přechodu na jednostupňový tvarovací proces. Co k tomu mohou říci zákonitosti rozvoje technických systémů bude uvedeno v následujícím článku. Nejdříve je však nutno vymezit technický systém. Technický systém (TS) Základem uplatnění zákonitostí rozvoje jsou technické systémy, které vytvořil člověk. Člověk dlouho rozvíjel pracovní nástroje. Teprve specializace a vymezení jedné užitečné funkce vedlo k osamostatnění prvků technického systému. Technický systém (TS) je sestava jistým způsobem uspořádaných a propojených prvků, mající vlastnosti nad rámec prostého součtu vlastností jednotlivých prvků a určená k plnění užitečných funkcí. Cílem funkce TS je plnění užitečných funkcí pro uspokojení potřeb člověka. Hlavní příznaky TS: funkčnost, celistvost, organizace, systémová kvalita Vybraný příklad - TS mechanismu uzavírání a axiálního chlazení konečné formy v řadovém stroji (dále jen mechanismus SF) viz obr. 1. Mechanismus byl zjednodušen pro potřeby článku jednonásobná forma s axiálním chlazení bez horní části s nejbližšími okolními mechanismy. Obr. 1. Schéma mechanismu uzavírání konečné formy a těla formy s chlazením

2 Funkce je schopnost TS projevovat svoji vlastnost (kvalitu, užitečnost) při jistých podmínkách a přetvářet pracovní předměty (výrobky) do potřebného tvaru nebo hodnoty. Funkci TS nemají jeho části. Hlavní funkce TS je dána požadavky nejbližšího vyššího systému. Hlavní funkcí mechanismu SF je vytvoření tvaru skleněného výrobku. Údaje o přesnosti, rychlosti atd. jsou již parametry hlavní funkce. Vytvořit tvar nemůže jedna polovina formy, zesilovací člen, chlazení atd. Technickým základem pro splnění hlavní funkce je pracovní orgán, v našem případě tělo formy a tlakový vzduch (působením tlakového vzduchu je přitlačována sklovina na stěnu formy).toto jsou jediné části TS, které jsou pro člověka užitečné. Ostatní prvky, ovládání SF a chlazení, vznikly dalším zdokonalováním TS pro dosažení vyšších parametrů hlavní funkce. Struktura je sestava prvků a vazeb mezi nimi, které jsou určovány fyzikálním principem uskutečňování požadované užitečné funkce. Prvky TS mají jisté vlastnosti, které nemizí po vyjmutí ze systém. Původní prvky byly určeny k plnění jedné elementární funkce, postupným posilováním funkce vznikaly diferenciace prvků, tj rozdělování prvku na zóny s různými vlastnostmi. V případě mechanismu SF táhla určují mechanický princip zavírání formy. Diferenciací prvku formy vznikly axiální otvory posilující funkci chlazení. Vazby mezi prvky lze nejlépe znázornit na strukturním modelu viz obr.2. Obr. 2. Strukturní model poloviny mechanismu konečné formy Většina současných systémů je mnohaúrovňová vykazující hierarchickou strukturu úrovně prvků. Každá vyšší úroveň je řídící k nižší úrovni prvků. Rozvoj hierarchické struktury zvyšuje efektivnost TS. V našem případě mechanismu SF - viz orámovaná část v obr.2 - je struktura určována prvkem těla formy (hmotností, rozměrem), protože tento prvek plní přímo hlavní funkci. V procesu tvarování skleněného výrobku je určující vytvoření prvotního tvaru před následným ochlazením. Organizace je algoritmus společného fungování prvků TS v prostoru a čase. Se vznikem organizace se snižuje entropie (neuspořádanost) ve vzniklém systému ve srovnání s vnějším prostředím. Vazby mezi prvky slouží k přenosu energie, látky a informací. Organizace umožňuje řízení TS prostřednictvím vazeb. Hlavní podmínka práce vazeb je různost potenciálů. V případě mechanismu SF se pracuje s gradientem teploty (sklovina forma vzduch) a s gradientem silovým (motor převodní mechanismy tělo formy). Systémový efekt a kvalita Hlavní orientací v procesu syntézy TS je zisk budoucí systémové vlastnosti (efektu, kvality). Vzorec systému: FUNKCE + STRUKTURA + ORGANIZACE = SYSTÉMOVÝ EFEKT (KVALITA)

3 Pro jeden a tentýž TS lze vybrat několik různých struktur v závislosti na vybraném fyzikálním principu uskutečňování hlavní funkce. Výběr fyzikálního principu se musí zakládat na minimalizování hmotnosti, rozměrů a energie při zachování efektivnosti. V našem případě mechanismu SF je systémová kvalita vytvoření tvaru skleněného výrobku (vytvarování včetně ochlazení) určována mechanickým a tepelným principem. Zda jsou tyto principy použity ve směru minimální spotřeby energie lze sledovat při porovnání mechanismu SF se zákonitostmi rozvoje technických systémů. Sledování mechanismu SF z pohledu zákonitostí rozvoje technických systémů Zákonitosti rozvoje technických systémů (ZRTS) jsou podstatné, stabilní, opakující se vztahy mezi prvky uvnitř systému a s vnějším prostředím v procesu rozvoje, tj přechodu systému od jednoho stavu k druhému s cílem zvýšení jeho hlavní funkce. Tyto zákonitosti byly odhaleny rozborem velkého množství vynálezů z progresivních oblastí techniky, jsou objektivní a jsou využitelné pro vývoj systémů v různých oblastech techniky. Toto odhalování není u konce a není možné vyloučit subjektivní faktory pro úzkou oblast techniky. Proto jediným všeobecným kvalitativním kritériem pokrokovosti změn v rozvoji libovolného TS je ideálnost. Vůdčí role zákonitosti zvyšování ideálnosti TS je zřejmá ve všech mechanismech TRIZ a především tato zákonitost určuje nejobecnější tendence rozvoje techniky. Přehled ZRTS: zákonitosti úplnosti částí TS, zákonitosti energetické průchodnosti TS, zákonitosti souladu rytmu činnosti TS, zákonitosti zvyšování dynamičnosti TS, zákonitosti zvyšování stupně vepolnosti TS, zákonitosti nerovnoměrnosti rozvoje částí TS, zákonitosti přechodu TS z makro na mikroúroveň, zákonitosti přechodu TS do nadsystému, zákonitosti zvyšování stupně ideálnosti TS. V tomto příspěvku budou sledovány jen ty ZRTS, které mají vztah k mechanismu SF. Zákonitost úplnosti částí TS Nutnou podmínkou životaschopnosti TS je existence minimální práceschopnosti základních částí systému. Každý TS musí mít čtyři části: pohon, transmisi, pracovní orgán a orgán řízení. Pokud jediná část chybí, nejedná se o TS; pokud není práceschopná byť jen jediná část, TS nefunguje. Všechny TS se vyvinuly z pracovních nástrojů. Při zvětšování hlavní funkce člověk nemohl zajistit nezbytný výkon a tehdy byla síla člověka nahrazena pohonem, objevila se transmise a pracovní nástroj se změnil v pracovní orgán. Člověk plnil úlohu orgánu řízení. V příkladě mechanismu SF se stal TS přechodem od ruční výroby v dřevěných formách na strojní výrobu. Úplnost částí je vyjádřena řetězci: EL. ENERGIE - MOTOR PŘEV. A ZESIL. MECH. DRŽÁK TĚLO FORMY - SKLOVINA EL. ENERGIE - KOMPRESOR VEDENÍ TLAKOVÝ VZDUCH SKLOVINA Je zde vidět řetězec od zdroje energie po výrobek, kterým je sklovina. Vše bez účasti člověka. Řetězec EL.ENERGIE VENTILÁTOR VEDENÍ PODTLAK AXIÁLNÍ OTVORY (TĚLO FORMY) je vedlejší pro ochlazování formy, což je v daném případě výrobek. Důsledek ze zákonitosti úplnosti částí TS: aby TS byl ovladatelný je nutné, aby alespoň jedna část TS byla ovladatelná. Je zajištěna dostatečná ovladatelnost mechanismu SF? Je možné řízení motoru, nastavení mechanismů, ovládání tlakového vzduchu tak, aby byly měnitelné podmínky tvarování plynule podle potřeby? Je axiální chlazení dostatečně řiditelné? Při zodpovězení těchto otázek můžeme uvažovat o nastavení lepších podmínek stabilizace procesu tvarování. Zákonitost energetické průchodnosti TS Nezbytnou podmínkou principiální životaschopnosti TS je průchodnost energie všemi částmi systému. Důsledky plynoucí ze zákonitosti: aby část systému byla ovladatelná, je nutno zajistit energetickou průchodnost mezi touto částí a orgánem řízení. Je třeba usilovat o minimální

4 ztráty energie v TS při přenosu od zdroje energie k pracovnímu orgánu. Přenos energie může být realizován látkou, polem nebo oběma. Pravidla použití: - snažit se o použití jednoho pole na všechny procesy - pokud látky v TS nelze měnit, použít pole, které prochází těmito látkami - špatně ovladatelná pole se zaměňují lépe ovladatelnými dle řetězce: Mechanické Tepelné CHemické ElektroMagnetické (MATCHEM) V příkladě mechanismu SF je třeba sledovat: 1) Průchodnost přenosu síly od motoru k tělu formy. Proč je nutná velká síla a zesilovací mechanismus? Protože je nutné dokonalé sevření těžkých forem. Proč dokonalé sevření? Formy jsou odtlačovány tlakovým vzduchem a na styčných částech dochází ke vzniku mezer vlivem teplotních deformací. Proč jsou formy těžké? Musí zajišťovat akumulační schopnost. Jak velká síla na sevření řiditelná? Motorem? Mechanismy? 2) Průchodnost odvodu tepla do chladícího vzduchu. Nesnižuje tloušťka formy ovladatelnost? 3) Nové směry použití servomechanismů splňují podmínku použití jednoho pole (elektrického) pro všechny procesy. Elektrické pole je vysoko v řetězci ovladatelnosti polí. Na druhé straně používáme několik druhů druhotných tlakových polí vzduchu (tlakové, nízkotlaké, podtlakové). Není možnost jejich zúžení? Zákonitost slaďování rytmiky částí TS Nezbytnou podmínkou principiální životaschopnosti TS je sladění (nebo vědomé rozladění) frekvence kmitání (periodičnosti práce) všech částí systému. V našem příkladě mechanismu SF 1) v řadovém stroji dochází k procesu ochlazování v přední formě, prohřívání předního tvaru, ochlazování v konečné formě. Tento proces není zřejmě sladěn s teoretickým postupem tvarování přetvarování bez odvodu tepla, chladnutí s rychlým odvodem tepla. 2) Přeplňováním vzduchu do axiálních otvorů dochází na výstupu z otvorů ke zvýšenému kmitání, které se projevuje nadměrným hlukem. V tomto případě je třeba uvažovat o vědomém rozladění kmitání vzduchu. Zákonitost dynamizace TS Tuhé, nenastavitelné systémy se za účelem zvýšení efektivnosti musí stávat dynamickými, tzn. přecházet k pružnější, rychle se měnící struktuře a k rychle se měnícímu pracovnímu režimu přizpůsobujícímu se změnám vnějšího prostředí. A) Dynamizace látek systému probíhá postupným rozdělováním pevné látky podle linie: JEDEN KLOUB - MNOHO KLOUBŮ PRUŽNÁ LÁTKA KAPALINA PLYN POLE Příklad kloubu: tryskové letadlo s měnitelnou geometrií křídel ( vzlet nebo nadzvuková rychlost). V našem příkladě mechanismu SF je třeba uvažovat: 1) Dynamizaci povrchu těla formy pro změnu rychlosti odvodu tepla v průběhu cyklu tvarování. Měnící se plochou dotyku lze regulovat množství předaného tepla. Z pohledu zákonitostí musí být povrch formy pružný až kapalný nebo plynný. 2) Dynamizaci celého těla formy pomocí kloubů, které by mohlo usnadnit otevírání a uzavírání formy. B) Dynamizace polí se uskutečňuje přechodem od konstantních polí ke střídavým dle linie: STATICKÉ POLE IMPULSNÍ POLE STŘÍDAVÉ POLE S EFEKTY (INTERFERENCE) V případě mechanismu SF je možné uvažovat o změně statického působení tlakového vzduchu v hlavní funkci tvarování skloviny dle uvedené linie. Zachování efektivního tlaku vzduch při nižší spotřebě lze dosáhnout např. pulsací. Zákonitost zvyšování stupně vepolnosti TS Každý problém v TS lze převést na model (VEPOL), složený minimálně ze dvou látek (z ruštiny VEščestva) a jednoho pole (POLe) - nástroj, výrobek a energie vzájemného působení blíže [3]. Chybí-li jeden prvek, nepracuje TS efektivně. Rozvoj TS postupuje ve směru zvyšování stupně vepolnosti: nevepolové TS se stávají vepolovými a vepolové zvyšují počty prvků, vazeb, citlivost.

5 Např. Pevné spojení se vlivem působení tepelného pole může změnit na tekuté, které je lépe ovladatelné. V příkladě mechanismu SF můžeme znázornit zvýšení účinnosti chlazení při foukání tlakového vzduchu přidáním vodní páry vzorcem dle obr. 3. Nedostatečně působící vzduch (L1) na sklovinu (L2) je doplněn o vodní páru(l3) a tepelné pole (P T ), které je k dispozici od žhavé skloviny. Tím vzniká účinněji působící vepol. Obr. 3. Schéma vývoje vepolu tlakového vzduch s přidáním vodní páry Změnu škodlivého působení formy na sklovinu (rychlé ochlazování) lze snížit doplněním vhodné látky umístěné mezi škodlivé působení a polem ovládajícím tuto látku. Např. kapalina dodávaná póry formy a vypařovaná teplem skloviny. Zde je třeba chápat vyšší aktivnost působení proti prostému nátěru formy různými mazadly. Zákonitost nerovnoměrnosti rozvoje částí TS Rozvoje jednotlivých částí TS postupuje nerovnoměrně: čím složitější je systém, tím nerovnoměrněji se rozvíjejí jeho části. Nerovnoměrnost rozvoje částí TS je příčinou vzniku technických a fyzikálních rozporů. Zesílení jedné vlastnosti prvku systému pro dosažení potřebné funkce zhoršuje vzájemné vazby vzniká rozpor. V mechanismu SF se zvyšování výkonu dostává do rozporu s nedostatečným ochlazováním. Rozpor se řeší zaváděním nových látek, polí, čímž se dosahuje nový stupeň souladu mezi prvky. Je snaha zavádět látky, pole ve smyslu ideálnosti (s minimálními ztrátami energie, náklady). Látky a pole se hledají ve zdrojích vlastního TS. Systém si nejlépe musí pomoci sám. V případě mechanismu SF nepatrně přidané množství vody je odpařeno vlastním teplem žhavé skloviny v TS. Zákonitost přechodu z makroúrovně na mikroúroveň Rozvoj pracovních orgánů postupuje od makroúrovně k mikroúrovni ve 3 liniích: A) zvyšováním stupně segmentace látky CELISTVÉ VLÁKNITÉ ČÁSTICE MOLEKULY ATOMY B) zvyšováním stupně segmentace směsi látky s prázdnotou CELISTVÉ CELISTVÉ S DUTINOU PERFOROVANÉ KAPILARNĚ POROVITÉ KAPILARNĚ POROVITÉ S LÁTKOU PĚNY, GELY C) záměnou látkové části systému nějakým polem Příkladem v mechanismu SF může být vývoj chlazení těla formy odpovídající linii B) viz obr. 4. Obr. 4. Vývoj systémů chlazení těla formy

6 Zákonitost přechodu do nadsystému Rozvoj TS, který dosáhl svého rozvoje, může pokračovat na úrovni nadsystému. Každý TS se vyvíjí podle tzv. S- křivky viz obr. 5. Obr. 5. S-křivka vývoje TS Jestliže znázorníme vývoj hlavní funkce TS v čase, má TS svůj zrod, vývoj a konec svého rozvoje. Konec rozvoje je dán fyzikální mezí daného principu. Systém A by měl být přímo nahrazen podle zákonitosti systémem A. To se však prakticky neděje a systém A je novým systémem B nahrazován daleko později. Důvodem jsou ekonomické zájmy prodlužovat životnost systému A i na úkor životního prostředí. V našem příkladě mechanismu SF je otázkou, proč vzduchové axiální chlazení, které se blíží k fyzikální mezi svého principu (nelze více rozvrtat formy) na úkor hluku, nebylo již nahrazeno účinnějším kapalinovým chlazením Ano, jsou to vlivy zájmu, kdy zatím rozšíření axiálního chlazení nedosáhlo návratnosti vložených prostředků a tím nebylo vloženo dostatek prostředků do kapalinového chlazení na odstranění počátečních neduhů problému styku kapaliny se žhavou sklovinou, užší meze regulace, úpravy strojního zařízení atd. Zákonitost zvyšování stupně ideálnosti Rozvoj všech systémů postupuje ve směru zvyšování stupně ideálnosti. Ideální TS je systém, jehož hmotnost, rozměry a energetická spotřeba se blíží k nule, ale jeho způsobilost plnit funkce se nezmenšuje. V krajním případě: ideální systém je ten, který není, ale jeho funkce se uskutečňuje. Protože funkci může vykonávat jen materiální objekt, znamená to, že za zmizelý systém musí vykonávat funkci jiné systémy, látky a pole nacházející se v okolí. Jestliže znázorníme vývoj parametrů systému hmotnost, rozměr, energie (M,R,E) v čase, vývoj systému probíhá v tzv. vlně viz obr. 6. Obr. 6. Vývoj TS ve směru ideálnosti TS nejdříve při rozvoji zvyšují své parametry M,R,E a v další etapě snižují parametry při zachování funkcí. Dochází k vyššímu využívání zdrojů TS ve směru idealizace. To probíhá jak na úrovni TS, tak na úrovni nadsystému (NS), podsystému (PS) i látek (L). Dochází k přechodu na tzv. chytré látky. V případě mechanismu SF je tzv. chytrá látka tepelná trubice nebo tepelná komora, jejichž využití pro chlazení je zatím na počátku viz databáze [4].

7 Svinování (zjednodušování) mechanismu SF lze principiálně předvést při odstranění posilovacího a převodního mechanismu viz. Obr. 7. Obr. 7. Strukturní model zjednodušování mechanismu konečné formy Prvek lze z TS odstranit, jestliže jeho funkci převezme jiný prvek systému. V našem případě zesilovací mechanismus lze odstranit, jestliže funkci síly přidržení formy převezme jiný prvek. Tento prvek může být druhá polovina formy, nacházející se v TS. Dvě poloviny formy mohou držet samy sebe. Je důležité slovo samy, neboť to vyjadřuje ideální řešení bez dalších nákladů. Je možné předložit řadu konstrukčních návrhů k provedení zjednodušené struktury. Stejným postupem lze odstranit převodový mechanismus. Shrnutí poznatků sledování mechanismu SF z pohledu ZRTS Z pohledu ZRTS je inovace mechanismu SF teprve na počátku. ZRTS nabízí řadu směrů jak dále zlepšovat uspořádání formy, chlazení formy, zjednodušovat mechanismy ovládání pro dosažení úspor rozměrů, hmotnosti, energie, hmoty a času. Lze načrtnout vizi ideálního mechanismu SF. V ideálním případě by si sama forma měla zajišťovat uzavření tvaru a chlazení výrobku. Tato ideální forma by mohla být ve formě ideální látky (např.kapilárně pórovité), jejíž ovládání pro různé plnění funkcí by bylo řízeno použitím příslušných polí. Forma by se dynamicky přizpůsobovala při styku se sklovinou potřebě zadržovat a rychle odvádět teplo. Cílem je přechod od statické stability procesu tvarování k dynamické stabilitě v průběhu každého cyklu. Tím by byl překonán rozpor škodlivého působení formy na sklovinu ve smyslu poškozovaní povrchu skloviny při chlazení. A pak je již jen krůček k vizi budoucnosti uvedené v [1] s perspektivním cílem zvýšení pevnosti skla na takovou výši, aby bylo možné vyrábět tenkostěnné výrobky o stejné mechanické pevnosti jako dnes, což by umožnilo přechod na jednostupňový tvarovací proces. Literatura: [1] SALAMATOV, J. P.: Zákonitosti rozvoje techniky, Krasnojarsk 1996, překlad Bušov, B., FEI VUT Brno 2001, [2] HESSENKEMPER, H.: Nové směry tvarování skla, In: Sklář a keramik, ročník 52 (2002), č. 9, str [3] BUŠOV, B., JIRMAN, P., DOSTÁL, V.: Tvorba a řešení inovačních zadání (HA + ARIZ), Studijní texty pro střední a VŠ technické, Brno, Liberec, 1996 [4] TechOptimizer 3.5, Program znalostní databáze, Invention Machine Corporation, Boston, 2000