TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie, Oddělení tváření kovů a plastů Hálkova 6, 461 17 Liberec 1 INTERNETOVÁ PODPORA VÝUKY TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVŮ A PLASTŮ návrh rozvojového projektu 1998/2005/F1/d Tématický okruh Specifikace Řešitel Spoluřešitelé : F1 : d : LENFELD Petr, doc. Dr. Ing. : BĚHÁLEK Luboš, Ing. DOUBEK Pavel, Ing.
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉHO PROBLÉMU Současná technická civilizace spočívá na několika sloupech, z nichž materiály, technologie, komunikace, informace, energie a také vzdělání jsou určitě ty nejdůležitější. Dohromady tvoří stavbu propojenou tak těsně, že oslabení kterékoliv podpory vede vzápětí k zakolísání všech zbývajících a posléze ke zhroucení celé stavby. Technika obklopuje současného člověka téměř ve všech oblastech jeho života a stala se nepostradatelnou při výzkumu přírody, světa a vesmíru, v průmyslové výrobě a v celé řadě dalších oblastí. Jedním z oborů technických věd, mezi jehož základní pilíře patří strojírenská technologie spolu se strojírenskými materiály a konstrukcí strojů a zařízení je strojírenství. Je zřejmé, že bez technologických znalostí a vědomostí o základních typech výrobních procesů se ve strojírenství obejít nelze. Konstrukce velmi úzce souvisí s etapou technologické přípravy výroby a je třeba při ní respektovat technologičnost konstrukce výrobku, což vyžaduje spolupráci konstruktéra s technologem. Obor strojírenských technologií zahrnuje značné množství různých výrobních procesů a postupů. Jednou z mnoha technologických oblastí je technologie tváření kovů a zpracování plastů. Kovy a plasty, resp. polymerní materiály obecně, jsou nejrozšířenější konstrukční materiály nacházející své uplatnění v širokém měřítku průmyslových odvětví. Polymerní materiály představují na počátku třetího tisíciletí dokonce nejvýznamnější segment ze všech materiálů podle objemu výroby a spotřeby. V souladu s technickým vývojem a vědeckovýzkumným zaměřením Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci zajišťuje fakulta výuku a praktická cvičení v oblasti technologie tváření kovů a plastů ve druhém ročníku v rámci akreditovaného magisterského a bakalářského studijního programu Strojní inženýrství (MSP), resp. Strojírenství (BSP) a to jak v prezenční, tak také v kombinované formě studia. Pro posluchače konstrukčního směru je výuka v této oblasti (předmět Technologie II.) jedinou informací o technologických procesech tváření kovů a plastů, kterou jim studium podle studijního plánu fakulty poskytuje. Nejvážnějším problémem pro výuku tohoto předmětu je absence uceleného učebního textu, který by umožnil syntetický pohled na problematiku tváření kovů a plastů obecně, ukázal fyzikální podstatu a mechanismy deformace kovů, stav napjatosti, základní zákony tváření, vztah mezi strukturou a vlastnostmi polymerů a jednotlivé technologické procesy tváření kovů a plastů včetně nových speciálních metod zpracování těchto materiálů. Právě vztahy struktura-vlastnosti-technologie jsou ústředními pojmy v návrhu tvorby zamýšleného učebního textu v multimediální podobě. Jediná dostupná skripta vydaná Technickou univerzitou v Liberci (dříve Vysokou školou strojní a textilní v Liberci) k dané problematice jsou v univerzitní knihovně z roku 1979 (CHALOUPECKÝ,V.: Technologie II., VŠST v Liberci, 1979). Ta svým obsahem a koncepcí nevyhovují současným sylabům (osnovám), zejména v oblasti zpracování polymerních materiálů, kterou tato skripta takřka ponechávají na hranici významnosti. Bohužel ani učební texty jiných technických vydavatelství a vysokoškolských institucí, nejsou v univerzitní, popřípadě Krajské vědecké knihovně v Liberci snadno dostupné a i tyto texty nevěnují problematice zpracování polymerních materiálů dostatečnou pozornost, přestože již v sedmdesátých letech překonala jejich výroba a spotřeba kovové materiály, měřeno v objemových jednotkách. Materiálové spektrum se v druhé polovině dvacátého století neobyčejně rozšířilo, důsledkem toho je dosti ostrá konkurence mezi jednotlivými skupinami materiálů, která tak urychluje jejich vývoj a to včetně hlediska technologického (tváření kovů vysokými rychlostmi a energiemi, práškové vstřikování na bázi kovů a keramiky pomocí termoplastů, speciální způsoby vstřikování plastů pomocí plynu, vody, multikomponentní vstřikování, apod.). Předmět Technologie II. (technologie tváření kovů a plastů, jak byl v minulosti vhodněji nazýván) je vyučován na základě stále upravovaných a doplňovaných pracovních materiálů řešitelé: Petr Lenfeld, Luboš Běhálek, Pavel Doubek strana 2/10
garanta předmětu a jednotlivých vedoucích cvičení. Tyto materiály vycházejí z poznatků a praxe v tomto oboru. Absence takovéhoto uceleného výukového textu, který by posluchačům doplňoval přednášené téma a umožňoval jim tak prohloubení znalostí z oblasti technologie tváření kovů a plastů, je zřejmá ze vzájemné interakce mezi vyučujícími a posluchači, stejně tak jako z celkových výsledků u zkoušky. Celkový počet zapsaných posluchačů pro předmět Technologie II. v akademickém roce odpovídá dlouhodobě počtu ca. 200. V akademickém roce 2003/04 jich bylo zapsáno celkem 311 (v prezenční i kombinované formě studia). CÍLE ŘEŠENÍ Cílem řešení předkládaného projektu je vytvořit učební text multimediálního charakteru, který poskytne studentům v základní etapě magisterského a bakalářského studijního programu Strojní inženýrství, resp. Strojírenství v prezenční i kombinované formě studia syntetický pohled na vztah mezi strukturou, vlastnostmi a technologickými procesy zpracování kovových a polymerních materiálů. Předpokladem pro tvorbu tohoto učebního textu jsou základní znalosti posluchačů o kovových a nekovových materiálech získané absolvováním předmětu Nauka o materiálu I.,II. v předcházejícím studiu, resp. v předcházejícím akademickém roce. Součástí projektu je vytvoření řídícího programu pro publikování učebního textu v elektronické podobě a jeho instalace na elektronické univerzitní síti LIANE Technické univerzity v Liberci, do níž je v současné době připojeno 2000 počítačů a 7000 registrovaných uživatelů TU v Liberci. Správa počítačové sítě LIANE je záležitostí Katedry aplikované informatiky Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Technické univerzity v Liberci. Vytvořený učební text bude dostupný prostřednictvím internetu široké veřejnosti (v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů) a zejména pak všem posluchačům technických fakult. Značnou předností učebního textu usnadňující komplexní pochopení dané problematiky je jeho doplnění několika praktickými video-ukázkami (sekvencemi) technologických operací ve vhodném formátu (např. avi, mpg, apod.) a výsledky praktických problémů řešených numerickými metodami, na nichž se autoři přímo podíleli. Doplnění učebního textu krátkými video ukázkami chceme posluchačům přiblížit zejména problematiku technologie tváření kovů a plastů v těch oblastech, kde není možné zajistit praktické ukázky v laboratořích, či v dílnách fakulty. Jedná se tak zejména o speciální technologie (ale nejen je), jejichž pořízení z rozpočtu fakulty je velmi ekonomicky nákladné a podle současného způsobu financování veřejných vysokých škol takřka nemožné. Při čtení takovéhoto učebního textu bude čtenářům podán i vizuální obraz, který je bezesporu nejnázornější formou výkladu. Výhodou multimediálního řešení učebního textu je z praktického hlediska jeho snadná dostupnost po elektronické síti, názorná forma výkladu doplněná videosekvencemi k daným problematikám, možnost snadného rozšíření a v neposlední řadě také rychlé aktualizace na základě technického rozvoje a vzájemné interakce mezi posluchači a vyučujícími bez nákladů na tisk. Osnova navrhovaného učebního textu pro předmět vychází z ověřeného učebního schématu, z nově aktualizovaných evidenčních listů (březen r.2004), z požadavků praxe a z vědeckovýzkumné činnosti institucí v oblasti tváření kovů a plastů. Připravenou osnovu učebního textu lze stručně popsat následujícími body: řešitelé: Petr Lenfeld, Luboš Běhálek, Pavel Doubek strana 3/10
1 Technologie tváření kovů q Kovové materiály, jejich stavba a vlastnosti, fyzikální podstata a mechanismy deformace kovů, popis stavu napjatosti a přetvoření, základní zákony tváření. q Metody hodnocení tvářitelnosti materiálů, deformační schopnost a deformační odpor. q Vliv tváření na vlastnosti materiálu, význam a rozdělení tvářecích metod. q Technologie objemového tváření (technologie válcování, kování, protlačování, tažení drátů a profilů). q Technologie plošného tváření (technologie stříhání, ohýbání, tažení). q Speciální technologie tváření kovů (tváření vysokými rychlostmi a energiemi, tváření pryží, hydromechanické tažení, ad.). 2 Technologie zpracování plastů q Základy fyziky polymerů. q Klasifikace polymerních materiálů, význam pro konstrukční aplikace. Nejdůležitější druhy plastů a jejich fyzikální a mechanické vlastnosti. q Rozdělení technologických procesů pro zpracování polymerů. q Přípravné technologické procesy zpracování polymerních materiálů (míchání a hnětení, granulace, tabletování, mletí a zpracování odpadu, ad.). q Technologické procesy zpracování plastů (kalandrování, vstřikování, speciální způsoby vstřikování, vytlačování, lisování, tvarování, vyfukování, odlévání a lití, výroba laminátů, ad.). q Doplňkové technologie (lepení a svařování polymerů, obrábění, povrchové úpravy potiskování, desénování, leštění, pokovování, sametování, ad.). q Technologičnost konstrukce základy navrhování výrobků z plastů při dodržení technologičnosti konstrukce a hospodárnosti výroby. 3 Prášková metalurgie q Úvod do práškové metalurgie, pracovní postupy výroby konstrukčních dílů práškovou metalurgií a jejich charakteristika. q Výroba práškového kovu, event. keramiky. Příprava lisované směsi. q Metody lisování, resp. zhutňování práškových materiálů. q Slinování práškových kovů a keramiky. Dokončovací operace. Problematika práškové metalurgie je řazena zcela záměrně jako poslední, neboť zhutňování práškových kovů při výrobě konstrukčního dílu práškovou metalurgií, je možné v současné době provádět mimo standardní metody (např. izostatické lisování) i pomocí termoplastů (jakožto pojiva) metodou, která je známa spíše pod anglickým názvem Powder injection moulding, popřípadě Metal nebo Ceramic injection moulding. V České republice tato metoda není rozšířena, zajímavé zkušenosti však přicházejí z okolních států např. z Francie, Spolkové republiky Německo, firmy Arburg v Lossburgu, kde je jedno z vývojových pracovišť této technologie. ZPŮSOB ŘEŠENÍ Učební text bude pojednávat o vztazích struktura-vlastnosti a technologie kovových a polymerních materiálů, tak jako o jednotlivých technologických procesech tváření kovů a plastů v kapitolách odpovídajících členění předmětu podle výše uvedeného schématu a sylabu předmětu (viz. příloha). Detailní obsah kapitol připraví řešitel po konzultaci se spoluřešiteli a ve skupině s vybranými odbornými pracovníky. Východiskem budou podkladové pracovní řešitelé: Petr Lenfeld, Luboš Běhálek, Pavel Doubek strana 4/10
materiály připravené (a stále doplňované a upravované) pro přednášky a cvičení předmětu Technologie II.. Mnohé z pracovních materiálů jsou v podobě poznámek a skic. Vlastní učební text bude vznikat v realizačním týmu složeného z řešitele projektu, spoluřešitelů, technicko-administrativních pracovníků a popřípadě studentů v zaměření tváření kovů a plastů pro zpracování grafické dokumentace tak, aby se účinnou a snadnou cestou dosáhlo cíle projektu. Před vyhotovením definitivní verze projde učební text posouzením odborníků z oblasti technologie tváření kovů a technologie zpracování plastů. Součástí projektu je vytvoření řídícího programu pro publikování učebního textu v elektronické podobě, jeho následná instalace na elektronické univerzitní síti LIANE Technické univerzity v Liberci a v prostředí internetu tak, aby byl dostupný široké veřejnosti, zejména pak posluchačům technických fakult. Pro psaní učebního textu ve stylu hypertextových stránek *.htm (HyperText Markup Language) se předpokládá použití katedrou licencovaného softwarového programu FrontPage a MS Word. Pro upravení obrázků je v rámci projektu nárokována částka k nákupu programu včetně licence Adobe Photoshop CS. Pro kvalitní přípravu videosekvencí technologických procesů je katedra strojírenské technologie vybavena zařízením složeného z videokamery a střižny. Podkladem pro jejich tvorbu je dlouholetá spolupráce katedry s mnoha vědeckými pracovišti (Universität Otto von Güricke Magdeburg, IFQ tváření vnitřním přetlakem, L Université de Franche-Comté Besancon, Francie powder injection moulding, ad.), tak jako s pracovišti technické praxe s nimiž má katedra při řešení vědecko-technických úkolů dlouholeté zkušenosti (Peguform Bohemia, k.s. Liberec; Škoda Auto a.s., Mladá Boleslav, ad.). Uvedena bude rovněž problematika technologických procesů tváření kovů a plastů (včetně možné optimalizace) řešená numerickými metodami, na nichž se přímo podíleli pracovníci katedry. V oblasti numerické simulace je katedra vybavena simulačními programy PAM-STAMP (simulace plošného tváření) a STRIMFLOW (simulace procesu vstřikování) s nimiž má dlouholeté zkušenosti, a dále programy PAM-FORM (výpočtová analýza procesu tvarování plastových dílů technologiemi tvarování, lisováním za tepla, lisováním technikou dry-fabric, drapováním, membránovým tvářením, vyfukováním, extruzním vyfukováním, apod.) a PAM-RTM (výpočtová analýza procesu zastříkávání textilií). Vytvořený učební text v rozsahu ca. 200-250 stran bude optimalizován pro zobrazení v Internet Exploreru verze 5.0 a vyšší, k prohlížení bude možné použít rovněž prohlížeče typu jako je Netscape Communicator verze 4.0 a vyšší, Opera verze 5.0 a vyšší. Předpokládá se rovněž možnost stažení celých skript či jednotlivých jejich částí na lokální disk počítače z důvodu rychlejší práce se skripty, či pro možnost jejich aplikace na počítači, který není trvale připojen v síti Internet. PREZENTACE VÝSLEDKŮ Výsledkem řešení navrhovaného projektu bude učební text umožňující syntetický pohled na problematiku tváření kovů a plastů ukazující rovněž vztah mezi strukturou a vlastnostmi tvářených materiálů na několika konkrétních případech dostupný na univerzitní síti LIANE TU v Liberci a v prostředí internetu. Předpokládá se rovněž přenesení učebního textu na CD nosiče (cca. 50 exemplářů), které budou v této formě předány Univerzitní knihovně TU v Liberci, Krajské vědecké knihovně v Liberci, popř. jiným knihovnám technického směru. Je však třeba zdůraznit, že i přes maximální srozumitelnost a názornost navrhovaného učebního textu, jsou nezbytným doplňkem tohoto textu živé přednášky, účast posluchačů na cvičeních a praktických ukázkách. řešitelé: Petr Lenfeld, Luboš Běhálek, Pavel Doubek strana 5/10