Studijní opora k výukovému modulu v oblasti přírodních věd „K4/MTV8 Technologie, znovu objevená perspektiva“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím:
1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky: a. popis vědeckých/badatelských aktivit b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka Materiál vytvořil pracovník Vysoké školy podnikání, a. s. Ostrava Michálkovická 1118/118, 710 00 Slezská Ostrava, IČ: 25861271, Tel.: +420 595 228 111, Web: http://www.vsp.cz, e-mail:
[email protected]. Vysoká škola podnikání, a.s. poskytuje vysokoškolské vzdělávání v akreditovaných studijních oborech programu Ekonomika a management pro bakalářské a magisterské studium už od roku 2000. Primární strategií při naplňování tohoto poslání je poskytovat vzdělávání, služby a výzkum k podpoře a rozvoji podnikavosti a podnikání prostřednictvím definovaných podnikatelských rolí, hodnotové orientace a klíčových kompetencí. Posláním školy je připravovat odborníky, kteří rozumí podnikání jako celku. Cílem VŠP je vychovávat podnikatele a manažery, kteří mohou být uplatnitelní a úspěšní v různých profesích a oborech. Studium je proto velmi přizpůsobeno praxi a požadavkům zaměstnavatelů.
Garant: doc. RNDr. Vladimír Krajčík Ph.D. Autor: doc. Ing. Peter Ponický, Ph.D.
© Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava, 2015
2
OBSAH ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ............................................................................. 8 1 Proč mediální interpretace různých technologií nejsou technologie v pravém významu tohoto slova ....................................................................................................................................................... 9 2
Definice technologie a rozdělení technologií ............................................................................... 13
3
Průmysl ......................................................................................................................................... 18 3.1
Dělení průmyslu .................................................................................................................... 19
3.1.1
4
3.2
Rakousko-Uhersko ................................................................................................................ 20
3.3
Průmysl po roce 1918 ............................................................................................................ 20
3.4
Vývoj průmyslové výroby České republiky po roce 1989 .................................................... 21
3.5
Odvětví průmyslové výroby .................................................................................................. 22
3.6
Aktuální trendy v průmyslové výrobě ................................................................................... 23
3.7
VÝROBA – prostor kde za pomoci technologií „vytváříme“ nové výrobky ....................... 24
3.7.1
Výrobní jednotka ........................................................................................................... 24
3.7.2
Trendy ve vývoji výrobků a technologií. ....................................................................... 25
Technologie elektrotechniky ........................................................................................................ 28 4.1
Elektrotechnický průmysl v ČR ............................................................................................ 30
4.1.1 4.2
5
Jiné dělení průmyslu ...................................................................................................... 19
Český elektrotechnický průmysl a jeho struktura .......................................................... 31
Výroba a rozvod elektrické energie ...................................................................................... 33
4.2.1
Výroba větrné energie. ................................................................................................... 34
4.2.2
Výroba sluneční energie ................................................................................................ 35
4.2.3
Výroba energie využitím vodního toku ......................................................................... 36
4.2.4
Výroba jaderné energie .................................................................................................. 40
4.2.5
Rozvod elektrické energie.............................................................................................. 41
4.3
Výroba a zpracování materiálů pro elektrotechniku ............................................................. 42
4.4
Výroba mikroelektronických součástek. ............................................................................... 47
4.5
Montáž v elektrotechnice a montáž v mikroelektronice. ...................................................... 53
4.5.1
Technologie povrchové montáže ................................................................................... 53
4.5.2
Možnosti a hranice současné technologie ...................................................................... 54
4.5.3
Osazovací zařízení ......................................................................................................... 60
4.5.4
Řízení procesu povrchové montáže ............................................................................... 64
Strojírenské technologie ............................................................................................................... 67 5.1
Termodynamické materiálové technologie ........................................................................... 68
5.1.1 5.2
Nanotechnologie ............................................................................................................ 69
Fyzikální materiálové technologie - odlévání, tváření, sváření, obrábění ............................ 75
3
5.2.1
Technologie tváření kovů .............................................................................................. 75
6
Ostatní technologie ....................................................................................................................... 88
7
V čem je příčina významu technologického pokroku .................................................................. 91
8
Proč jsou technologie tak významné? .......................................................................................... 95
9
V čem je měřítko pokroku aplikace technologií na složky života člověka. ................................. 98
10
Co umožní studium technologií a proč se zdá, že je to nutností. ............................................ 102
11
Závěr ....................................................................................................................................... 105
12
Seznam zdrojů a použitá literatura .......................................................................................... 106
ČÁST B Pracovní aktivity pro žáky a studenty ................................................................................. 108 1
Tématická výuka pro základní školy, gymnázia a sš.................................................................. 110
Pracovní aktivity pro 1. stupeň základních škol ................................................................................ 111 1.1
Pracovní list č. 1: Jak si pomoci technologie vyrobit hračku .............................................. 111
1.2
Pracovní list č. 2: Venkovní cvičení ze zemědělských technologií .................................... 113
Pracovní aktivity pro 2. stupeň základních škol ................................................................................ 115 1.3
Pracovní list č. 3: Obrábění, nejčastější technologie průmyslové výroby .......................... 115
1.4
Pracovní list č. 4: Jak fungují technologie .......................................................................... 118
Pracovní aktivity pro střední školy .................................................................................................... 120
2
3
1.5
Pracovní list č. 5: VIP mezi technologiemi, NANOTECHNOLOGIE ............................... 120
1.6
Pracovní list č. 6: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic .............................................. 122
Výukové materiály v angličtině .................................................................................................. 126 2.1
What is it "technology"? ..................................................................................................... 126
2.2
Co je to technologie............................................................................................................. 129
Doplňující anglický text ............................................................................................................. 131 3.1 A model for mechanisms in plastic encapsulated microelectronic devices during temperature-humidity tests-i. ....................................................................................................... 131
ČÁST C Metodická příručka ............................................................................................................. 135 1
Didaktika techniky a technologií ................................................................................................ 136 1.1
2
Metodické postupy ve výuce techniky a technologií .......................................................... 137
Tématická výuka pro základní školy, gymnázia a sš.................................................................. 141 2.1
Pracovní list č. 1: Jak si pomoci technologie vyrobit hračku .............................................. 141
2.2
Pracovní list č. 2: Venkovní cvičení ze zemědělských technologií .................................... 141
2.3
Pracovní list č. 3: Obrábění, nejčastější technologie průmyslové výroby .......................... 141
2.4
Pracovní list č. 4: Jak fungují technologie .......................................................................... 142
2.5
Pracovní list č. 5: VIP mezi technologiemi, NANOTECHNOLOGIE ............................... 142
2.6
Pracovní list č. 6: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic .............................................. 142
4
CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy Dnes se o technologiích mluví a píše všude a na všech úrovních. Bohužel tento výraz se za pomoci médií stal tak populární, jako před desítkami let byl nepopulární, protože studium technologií bylo náročné. Ani jedna alternativa není dobrá a samozřejmě ani správná. Tento studijní materiál je pokusem „narovnat“ deformace časem nabobtnávající do nelogických „rozměrů“. Považuji za velice důležité zdůvodnění významu technologií a popis skutečné podstaty technologií pro soudobého člověka. Není ani tak podstatné, zvládnutí všech technologických postupů a metod, ale spíše si Znalosti uvědomit, že podstatou technologií jsou fyzikální zákony a technické nástroje člověkem v jeho historické pouti objevené a používané pro ulehčení práce a v přeneseném slova smyslu prodloužení paží a znásobení svých sil. Protože žijeme ve společnosti, kde člověk přímo za pomoci svých fyzických a v mnoha činnostech i mentálních schopností neužívá a mnoho činností již běží v podvědomém režimu, je nutno připomínat podstatu jevů, technik i technologií. K tomu má a může sloužit i tato publikace.
Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními principy Dovednosti nejfrekventovanějších technologií, tak aby zájemci měli přehled o jejich metodice a aplikacích.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 33 hodin.
5
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK SMT
Surface Maunting Technology – technologie povrchové montáže
SMD
Surface Maunting Device – prvky, součástky pro povrchovou montáž
PPS
Production Planing Systém – systémy pro plánování výroby
CIM
Computer Integrated Manufacturing – počítačem integrovaná výroba
CNC
Computer Numerical Control – počítačem řízené obráběcí stroje
CAO
Computer Adied Office – počítači podporovaná administrativa
CAPP
Computer Adied Process Planning – počítačové plánování procesů
CAQ
Computer Adied Quality Assurance – komplexní péče o kvalitu s podporou počítačů.
6
Seznam symbolů a zkratek
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KLÍČOVÁ SLOVA RYCHLÝ NÁHLED V MODULU CÍL
ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA ŘEŠENÍ SHRNUTÍ KAPITOLY
7
ČÁST A SEZNÁMENÍ POPULARIZÁTORA VĚDY S TÉMATEM
TECHNOLOGIE ZNOVUOBJEVENÁ PERSPEKTIVA Technologie má svoje místo neustále tam, kde od úsvitu dějin jsou lidské civilizace.
CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak jsou jednotlivé obory lidské činnosti vzájemně spjaté a jejich rozvoj vzájemně podmíněný. Základní znalostí z této první části studijního materiálu je schopnost rozlišovat mezi technickou podstatou a pracovním postupem nějaké uvědomělé činnosti (technologií) a mediální interpretací mnohdy Znalosti neinformovaných a neznalých „amatérů“. To umožnil svobodný vstup lidí do mediálního prostoru, zejména internet.
Klást si otázky a odpovídat na ně s rozmyslem a jen po hlubším studiu Dovednosti přispívat do médií jako kvalifikovaný přispívatel.
KLÍČOVÁ SLOVA Technologie, média, masová komunikace, mediální produkty, technologická inovace.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 0,45 hodiny.
8
1 PROČ MEDIÁLNÍ INTERPRETACE RŮZNÝCH TECHNOLOGIÍ NEJSOU TECHNOLOGIE V PRAVÉM VÝZNAMU TOHOTO SLOVA Média nazývaná též masová jsou zpravidla organizace, které disponují výrobními, technickými a finančními prostředky které využívají k tomu, aby pravidelně produkovali a šířili obrazová a jazyková sdělení k velkému počtu lidí (většinou tím myslíme deníky, časopisy, rozhlasové a televizní vysílání a jejich ekvivalenty v prostředí internetu). Útržkovité dokumenty zájmu o mediální problematiku se objevují již v 17. století v řadě jazykových mutací (anglické, francouzské i německé). Systematické využívání a nutno říct i zneužívání médií se však datuje zejména až do 20. století a je spojeno se sociologií (sociálním inženýrstvím), tedy se studiem komunitního či společenského (stádového) chování. Pro hrubé zpřehlednění oboru masových médií je možné jej rozdělit podle toho, kterého prvku komunikačního schématu se týkají: 1. produkce mediálních sdělení, tedy společenské postavení médií a těch, kteří v nich pracují, regulace a autoregulace médií a další externí i interní vlivy (tlak veřejného mínění, spotřebitelů, firemní kultura/regulace zaměstnavatelem), 2. mediální produkty (jejich typologie, uspořádání a vzájemná provázanost), 3. významy mediálních produktů - sdělení pro příjemce (od zpráv po seriál), 4. publikum a jeho chování, tedy typy publika, způsoby jeho oslovování (například mazání rozdílu mezi občanem a spotřebitelem), aktivita publika při interpretaci mediálního produktu, zvyky a rutiny při příjmu a interpretaci mediálních produktů apod., 5. účinky médií, jaký dopad má samotná existence médií a „tok“ jejich produktů (vlivy záměrný i nezáměrný)1. Tyto prvky mají sumární (synchronní) i vývojový (diachronní) účinek. Máme-li pochopit nebývalý v podstatě univerzální vliv médií a medializace, musíme brát v úvahu základní skutečnost a to, že s nárůstem důležitosti zprostředkovaných a obecně dostupných informací v postindustriálním globálním světě nebývale vzrostl význam médií jako konstitučního (stavebního) prvku rozsáhlých a ekonomicky významných celků. Média se stávají výrobními organizacemi s jedinou orientací na ekonomickou úspěšnost. Tyto faktory podstatným způsobem ovlivňují mediální nabídku. Jednou z podstatných charakteristik médií je to, že si vytvářejí mechanismy, jak svou podstatu recyklace výstupů umně a systematicky zakrývat. Médium působí dojmem, že sdělení, která produkuje, jsou výsledkem individuálního tvůrčího počinu jednotlivce či malého týmu, a zakrývají podstatu pracovních činností založených na přísné strukturalizaci s vysokým podílem rutinních a řízených úkonů. I když to v mnohém připomíná sofistikované výrobní postupy založené na výrobních technologiích, NENÍ TO TECHNOLOGIE. Ekonomická úspěšnost podtrhuje význam způsobu financování médií (média - s výjimkou médií veřejné služby - "žijí" z prodeje předpokládané pozornosti příjemců inzerentům, obchodují tedy s chováním svých zákazníků, přičemž dohodnutou "jednotnou měnou" jsou výsledky zvoleného výzkumu (například peoplemetrových měření).
1
http://clanky.rvp.cz/
9
Významnou položkou efektivnosti fungování médií je aplikace technologických inovací a jejich vliv na vnitřní fungování médií a podobu mediálních výstupů (například neustálým překonáváním časových a prostorových bariér). Studiem dějin médií se stává nepřehlédnutelným skutečnost, že média se významně podílejí na ustavování veřejného života, jsou platformou pro vyjádření politických postojů, zapojují se do „emancipačních“ procesů i národních společenství, podílejí se na formování představ o naplnění volného času a dnes se postupně stávají „spolunositeli veřejného života“, dokonce možná jeho organizátory, což je zřejmě pojítkem globalizace. Média často na sebe váží celou řadu očekávání, představ a obav, které někdy nabývají povahy sociálních norem, jindy se projevují například jako morální paniky. Mediální sdělení vznikají a jsou uspořádána podle určitých pravidel a s určitým cílem, často nejsou odrazem "reálného" světa a nepředstavují ani jeho zprostředkovaný (tedy spolehlivý) obraz, nýbrž určitou reprezentaci. Zprávy jsou vybírány, zpracovávány a zařazovány podle rutinních kritérií, tzv. zpravodajských hodnot. Zpracování zpráv je podřízeno rozlišitelným potřebám, například jednoduchosti, jednoznačnosti, příběhovosti apod. Reklamní sdělení si vytvářejí svébytnou komunikační strategii, v níž často asociují nabízený produkt (komerční výrobek, stejně jako politický program) s nějakou hodnotou či pozitivně vnímaným životním stylem, přičemž argumentace kvalitou nabízeného produktu je mnohdy neurčitá. Náhled na příjemce (publikum) generuje problém konstrukce publika médii (z důvodů veskrze marketingových), publikum je vlastně konstruováno (tedy vytvářeno jako zboží). Globalizační význam médií generuje výzkum, nakolik existence médií podmiňuje (nebo dokonce naplňuje) vznik veřejnosti, jak se média podílejí na vytváření (či naopak degeneraci) veřejné sféry, jak působí na jednotlivé sociální skupiny (na děti, mládež, méně vzdělané vrstvy, mocenské elity), jak mohou ovlivnit chování mas a nakolik se podílejí na kvalitě života společnosti (její stabilitě, kultuře, mezilidských vztazích, naplňování volného času apod.). O společnosti, v níž žijeme, se někdy říká, že je "mediálně saturovaná" tj., že dostupná média (noviny, časopisy, knihy, rozhlas, televize, CD/DVD disky, internet, billboardy), jsou neodmyslitelnou součástí našeho života a podílejí se na jeho organizaci.2 Historické proměny mediálního prostředí se projevují na jedné straně v rozvoji mediálních technologií a ve vývoji organizace práce v médiích, na druhé straně v proměnách toho, co média svému publiku nabízejí (mediální produkty či mediální obsahy). Jednu poznámku, která je pro naše téma významná, tj. proč se užívá pojmu mediální technologie a ne více realitě odpovídajícího pojmu mediální technika? Podstata je v tom, že práce dnešních médií má charakter sociálního inženýrství, které využívá různé nástroje, metody a postupy kterým se souhrnně říká MEDIÁLNÍ TECHNIKY, nebo techniky sociálního inženýrství. To by ale nemělo být důvodem proč deformovat význam a smysl obsahu technologie jako „vědního oboru“. K hlavním požadavkům, které v průběhu staletí stimulovaly úsilí zdokonalovat a vymýšlet nové technologie, patří zrychlení výroby mediálních produktů a zrychlení přenosu informací, zvyšování počtu vyrobených identických produktů (kopií), zajištění možnosti přijímat sdělení v dosud nepřístupných prostorech, vyhovět očekáváním příjemců sdělení nebo vyvolat nové požadavky příjemců podněcující technologický rozvoj, uspokojit podnikatelské potřeby majitelů médií, umožnit
2
http://clanky.rvp.cz/
10
příjemcům podíl na volbě z nabídky mediálních produktů a jejich obsahů a také zapojit příjemce (alespoň do určité míry) do tvorby mediálního produktu. Například zdokonalení technologie tisku přicházelo z oblasti mechaniky, fyziky a chemie. Objevy v těchto oborech přinesly od druhé poloviny 19. století také nové možnosti záznamu a přenosu informací (teorie elektromagnetických vln) a daly základ nové přelomové éře elektrotechniky - elektronice. Do mediální komunikace pronikly důležité vynálezy: telegrafie, fotografie, telefonie, film a rozhlas. První polovina 20. století byla ve znamení velkého pokroku radiotechniky a elektroniky. Praktického využití se dostalo poprvé televizi. Pro budoucí média měly velký význam výzkumy kvantové fyziky a polovodičových materiálů. Do druhé poloviny 20. století byla připravena půda dalšími vynálezy, jako je tranzistor, laser, počítače, na nichž byla založena éra mikroelektroniky, začínající od šedesátých let 20. století. Integrované obvody, mikroprocesory, optická vlákna a satelity vedly ke zdokonalení počítačové techniky, jíž využívají tzv. nová média (elektronická pošta, internetová periodika, rozhlasové a TV vysílání po internetu, www stránky, diskusní kluby, chaty).
11
SHRNUTÍ KAPITOLY
Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technologického pokroku člověka je snížení pracnosti a manuální složitosti činností a procesů zajišťujících kvalitu života, což v konečném důsledku znamená naopak zvyšování výrobní/technologické výkonnosti úměrné růstu lidské populace, čímž se paradoxně generuje i neustále menší potřeba manuální práce a vyšší podíl práce mentální. Přeloženo do současného slovníku, POTŘEBA INOVACÍ, která je v globálním prostředí spojená i s hospodářskou KONKURENCESCHOPNOSTÍ. Takový „technický“ charakter technologií do značné míry deformují média mající globální dosah a zjednodušováním jejich vyjadřovacího slovníku dochází k deformacím jak pojmu tak smyslu technologií.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Proč ani v oboru mediální komunikace a mediálních prostředků není slůvko TECHNOLOGIE na místě? 2. Jaký je rozdíl mezi elektronickými daty (na magnetických a jiných fyzikálních nosičích) a daty na materiálních nosičích (kámen, papír, film, fólie, …)?
ŘEŠENÍ
Prostudujte i z jiných zdrojů a vytvořte znalostní „skládačku“ souvislostí různých oborů lidské pracovní činnosti a technologií jako procesu.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
Uveďte, v čem tkví podstatný rozdíl mezi významem slova technika a technologie (např. mediální techniky a mediální technologie, pokuste se uvést příklady).
12
2 DEFINICE TECHNOLOGIE A ROZDĚLENÍ TECHNOLOGIÍ CÍL Po celou dobu kdy se člověk zdokonaloval ve výrobních postupech, jasně odděloval procesy tvorby technických prostředků od postupů zpracování surovin na materiály a materiály na nástroje a stroje (například u historicky starých řemesel, posloupnost a možnost vzniku časových strojů byla od fyzikálních (mentálních) principů – tj. v tomto případě odpozorovaný princip cykličnosti mnoha přírodních jevů = ČAS, pak pokroky v metalurgii a mechanice = ozubená kola ze slitin kovů, což nás dostává k úloze vymýšlení postupu výroby hodinových ozubených kol ručními nástroji, nebo později pomoci strojů A PŘESNĚ TO JE TECHNOLOGIE). Různé technologie se od sebe liší zejména v aplikaci fyzikálního principu pro procesy přetvoření vstupních surovin a materiálů na požadované produkty (výrobky). Tyto procesy se souhrnně nazývají technologiemi. Našim cílem je obeznámit čtenáře s některými významnými technologiemi, tak aby poznal rozdíl mezi technickým prostředkem a technologií a v konečném důsledku aby se dokázal rozhodovat o svém příštím povolání, jelikož technologie jsou základem průmyslu, zemědělství a některých služeb. Získáte znalosti o souvislostech technologických principů, které jsou základem různých výrobních postupů. Zvládnutí technologií je historií Znalosti civilizace a samozřejmě ne neomylná, ale evolučně se rozvíjející.
Získané znalosti vytvoří základní obraz o významu technologií a velice těsnou vazbu na techniku, konstrukci strojů, historickou zkušeností Dovednosti modifikovanou metodikou a postupy. Technologie jsou základem životního standardu dnešní velice technicky rozvinuté společnosti.
KLÍČOVÁ SLOVA Technologie, výrobní prostředky, příprava výroby, společenská potřeba, transfer technologií, průmyslová výroba.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1,5 hodiny.
13
Technologie (řecky - τεχνολογια) je odvětví techniky, které se zabývá tvorbou, zaváděním a zdokonalováním výrobních postupů. Dnes se pojem technologie často používá ve významu technika, díky nepřesnému překladu anglického slova technology. Výraz technologie může též znamenat:
souhrn výrobních prostředků nebo prostředků oprav a výrobních služeb,
veškeré použité prostředky pro práci, týkající se výroby, oprav nebo výrobních služeb,
souhrn dokumentů, nazývaných výrobní tajemství nebo know-how, patřících podniku, mezi něž patří prospekty, technické výkresy, plány, výrobní postupy a podobně.
oddělení technické přípravy výroby ve výrobním podniku (konstruktér navrhne a nakreslí technický výkres a připraví kusovník materiálů, ze kterých se má vyrábět. Technolog (pracovník oddělení technologie) určí, na kterých strojích, jakým nářadím a s jakými náklady (za kolik peněz) se bude vyrábět.
Použijeme li slovníku, pak zjistíme, že technologie je ženského rodu a vyjadřuje:
souhrn znalostí o postupech výroby v jistém průmyslovém odvětví, nebo o způsobech obrábění materiálů (dřevo, stavební hmoty, kovy a jejich slitiny apod.)
způsob výroby, souhrn postupů ve výrobě, zavádění nových (pokrokových, vylepšených) výrobních postupů.
Když se slovo technologie poprvé v 17. století objevilo v angličtině, znamenalo diskusi pouze o užitém umění a časem se jeho význam změnil tak, že označovalo samo toto umění. Na začátku 20. století toto slovo popisovalo stále rostoucí oblast prostředků, procesů a idejí spojených s nástroji a stroji. V druhé polovině století se technologie definovala jako “prostředek nebo činnost, používaná člověkem ke změně nebo k manipulaci s okolním prostředím”. Takto široce pojatá definice je některými kritizována, protože se jim zdá, že je stále obtížnější odlišit výzkum od technologických činností. Protože stírání rozdílů je vždycky jen virtuální realita i takové sbližování a stírání rozdílu mezi vědou a technologií je jen virtuální (někomu vyhovující). Rozumové schopnosti člověk využívá k vynalézání technik a modifikaci prostředí. Tak například matematické metody (nástroj) umožňují virtuální techniky (konstrukční návrhy) využívající vlastností přírodních/syntetických surovin a materiálů a věda je tou složkou, která objevuje právě ty vlastnosti. 3
Společenským východiskem pro užití technologie je společenská potřeba, společenské zdroje a příznivá etika společnosti. Pokud kterýkoliv z těchto faktorů absentuje, technologický pokrok vázne, nebo se úplně zastaví (z historie známe i dlouhá období technologického nihilizmu – zapomenutí již objevených a známých postupů). Ať je zdroj společenské potřeby jakýkoliv, je podstatné, aby ho sdílel dostatečně velký počet lidí, schopný vytvořit trh pro produkt technologie nebo komoditu, která tuto potřebu splňuje. Mnoho vynálezů ztroskotalo na tom, že nebyly dostupné zdroje důležité pro jejich realizaci (kapitál, materiály, kvalifikovaná pracovní síla). Zdroje kapitálu závisejí na nadbytečné produktivitě a organizačním uspořádání, které je schopno nasměrovat dostupné zdroje tam, kde jich mohou vynálezci použít. Materiálové zdroje jsou limitované znalostmi vhodných metalurgických, chemických, zemědělských a jiných postupů a dostupností v krajině. Zdroje
3
http://www.kip.zcu.cz/kursy/svt/eb/hist/htech/obecne_uvahy.html
14
pracovní síly jsou limitně závislé na kvalitě vzdělávacího systému a ten je zajisté podřízen společenskému klimatu nakloněnému, či shovívavému ke znalostem – což je i otázka společenské etiky. Moderní filozofii pokroku nelze uplatňovat zpětně na historii technologií; po většinu své existence technologie stagnovali, byly plné mystérií a často i iracionality. Nesporným je, že s technologií jsou spojeny progresivní změny společnosti. Je ale dobré se vyvarovat lehkovážnému ztotožnění technologie s “moderními/progresivními” trendy současné civilizace. Jiným aspektem kumulativního vlivu na společnost je způsob přenosu/transferu technologií. V minulosti se mechanismus přenosu výrazně zdokonalil vynálezem knihtisku a dalších komunikačních prostředků. Tradičně však byl hlavním způsobem tohoto přenosu pohyb produktů a pohyb řemeslníků. Obchod zajišťoval šíření výrobků a podněcoval k napodobování. A ještě důležitější byla migrace řemeslníků - ať už kočujících kovodělníků ve starověkých civilizacích nebo německých raketových odborníků, jejichž znalostí po 2. světové válce využil jak Sovětský svaz, tak Spojené státy - která přispívala k šíření nových technologií. V našem materiálním světě je rozhodujícím faktorem rozvoje společnosti materiální výroba. Jejím výstupem jsou produkty, které většinou používáme jako své nástroje (například na hudbu a její interpretaci, na poživatiny a jejich vytváření apod.). To je důvod, proč se chceme zabývat právě průmyslovými technologiemi. Jako průmysl označujeme výrobní procesy/činnosti, při kterých se za pomoci technologií, tedy výrobních prostředků a výrobních postupů, získávají a zpracovávají suroviny a materiály na konečné výrobky/produkty4. Výrobky mají buď další využití v průmyslu a zemědělství a slouží jako výrobní prostředky (obráběcí stroje, těžební stroje, stavební stroje, zemědělské stroje, roboty apod.), nebo jsou určeny k přímé spotřebě, jako potraviny, spotřebiče pro domácnost apod. Prvotní dělení průmyslu je na TĚŽEBNÍ, ZPRACOVATELSKÝ a ENERGETICKÝ. Zpracovatelský průmysl se dále dělí na skupiny podle odvětví, které vytvářejí výrobní prostředky (hutnictví, strojírenství, elektrotechnika) a odvětví tzv. spotřební (spotřební průmysl) jehož výrobky/produkty jsou určené k přímé spotřebě (potravinářský, oděvní, polygrafický apod.). Na výrobě a spotřebě se v rámci České republiky v jejím národním hospodářství podílí jednotlivé sektory tohoto hospodářství, jako je těžba surovin, zemědělství, rybolov a lesnictví, výroba tepla a elektřiny, průmyslová výroba, stavebnictví a služby. Dle svého zaměření pak spadají do tzv. primárního, sekundárního a terciálního sektoru. Průmyslová výroba tvoří dnes asi třetinu výkonů českého hospodářství, zemědělství cca 3% atd. (dokumentují následující grafy a tabulka).
4
http://vitejtenazemi.cz/cenia/index.php?p=prumysl&site=spotreba
15
Obrázek 2.1 Podíl odvětví na „hrubé“ přidané hodnotě ČR (data z roku 2011)
Zdroj: Český statistický úřad
Obrázek 2.2 Podíl odvětví zpracovatelského průmyslu na „hrubé“ přidané hodnotě ČR (data z roku 2011 v %).
Zdroj: Český statistický úřad
16
SHRNUTÍ KAPITOLY
Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je i zvládnutí postupů výroby všech prvků tohoto pokroku, od výroby jednoduchých pomůcek až po například výrobu robotů, počítačů apod. Růst lidské populace zvyšuje tlak na výrobce, aby pracovní výkonností zvládli rostoucí potřeby lidí.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Co je charakteristickým znakem průmyslového odvětví? 2. Charakterizujte výrobní postup? 3. Co je potřeba znát pro poznání jakékoli technologie?
ŘEŠENÍ
Pokuste se sestavit pracovní postup, zapsat jej a provést popsané operace, které povedou k nějaké smysluplné změně ve vašem okolí.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
Vyjmenujte technologie, které znáte i bez použití odborné literatury a pokuste se vzpomenout si na zdroj těchto vašich znalostí.
17
3 PRŮMYSL CÍL Naše civilizační pouť je poseta různými oběťmi, velmi častými oběťmi jsme i my lidé, zejména boj a války lidí do značné míry akcelerovali technický pokrok, který podmiňoval výrobní technologie. Bohužel velice často prvními produkty nových technologií byli zbraně. V 17. a 18. století vznikl PRŮMYSL, jako reakce na masovou spotřebu lidských společenství. Dnes je průmysl nejdůležitějším nositelem hospodářské prosperity většiny zemí světa. Obeznámíme se s jeho historií v našich zemích a objasníme jeho význam pro dnešek. Poznáme i jiné charakteristiky nežli jen výsledky činnosti průmyslových odvětví, které denně používáme v životě.
Znalosti
Dokážeme rozlišit některá průmyslová odvětví a přiřadit jim typické technologie.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Těžební průmysl, zpracovatelský průmysl, mechanizmus, energetický zdroj, typy strojů, strojírenství.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 2 hodiny.
18
Průmysl je významným odvětvím každého hospodářství. Průmyslové výrobky využívá člověk k práci, v domácnosti i ve volném čase – tedy vlastně všude. Průmysl velmi rychle zavádí do výroby vědecké objevy a technické vynálezy. Nové výrobky tak stále více ulehčují lidem život.
3.1 Dělení průmyslu Obrázek 3.1 Schéma rozdělení průmyslu
těžební průmysl - těžba surovin a
paliv zpracovatelský průmysl zpracování surovin získaných těžebním průmyslem nebo zemědělstvím.
Zdroj:Vlastní zpracování
3.1.1 Jiné dělení průmyslu těžký průmysl - vyrábí převážně výrobní prostředky strojírenství a obrábění kovů elektrotechnický průmysl - výroba elektrických zařízení, přístrojů, kabelů hutnictví železa a neželezných kovů těžební průmysl - těžba paliv a rud elektro-energetika - výroba elektrické energie a technologického tepla chemický průmysl a petrochemie - rafinerie ropy, výroba plastů farmaceutický průmysl - výroba léčiv a zdravotnického materiálu průmysl stavebních hmot lehký průmysl - vyrábí převážně spotřební předměty – je také někdy nazývaný spotřební průmysl potravinářský průmysl oděvní průmysl obuvnický průmysl kožedělný průmysl nábytkářský průmysl papírenský a polygrafický průmysl sklářský a porcelánový průmysl apod. Možná bude účelné udělat si takový malý exkurz do historie, která se váže na území dnešní České republiky a plasticky „vykresluje“ vývoj průmyslu a technologií ve vztahu zde žijících lidských komunit.
19
3.2 Rakousko-Uhersko5 Ilustrační foto znázorňující v té době typický způsob dopravy.
Před průmyslovou revolucí šířící se z Anglie byl v Českých zemích feudální systém. Převládala řemeslná výroba řízená cechovním způsobem až do 12. století byla na tomto území provozována zejména těžba stříbra (Kutná Hora, Stříbro) a to kvůli výrobě šperků nebo mincovnictví, v menší míře těžba zlata (Jílové u Prahy, Kašperské Hory). Devatenácté století bylo poznamenáno průmyslovou revolucí v celé Evropě. Nové vynálezy typu parního stroje, umožňovali rychlejší výrobu i dopravu. Nejdříve nastaly změny v textilním průmyslu. Johann Leitenberg už koncem 18. století otevřel první strojní továrnu na spřádání bavlny ve Verneřicích u Děčína. Ve třicátých letech 19. Století došlo k významnému rozmachu potravinářství, zejména cukrovarnictví. V roce 1839 rozhodla plzeňská rada o založení pivovaru, kde se začalo vařit pivo plzeňského typu. V roce 1827 si nechal patentovat lodní šroub Josef Ressel. V témže roce byla do provozu uvedena první koněspřežná železnice Linec České Budějovice. V roce 1847 byla rovněž do provozu uvedena první železniční trať určená parním lokomotivám spojující Vídeň s Severní Moravou. Byly budovány i vodní kanály, které byly určeny zejména pro přepravu dřeva. V roce 1827 bratranci František a Václav Veverkové vynalezli ruchadlo. V roce 1880 zdokonalil František Křižík obloukovou lampu. Ve výrobě skla převažovaly stále tradiční postupy, ovšem Kavalierovy sklárny v Sázavě se od svého založení v roce 1837 specializovaly jako první na světě výhradně na technické sklo a dosáhly v tom světového uznání. V roce 1894 byl založen obuvnický podnik Baťa. V roce 1800 bylo na území České republiky 4 659 000 obyvatel, v roce 1850 již 6 826 465 a v roce 1900 = 9 333 853 obyvatel. V roce 1950 žilo na území dnešní České republiky 8 925 122 a v roce 2000 10 272 503 obyvatel. To je důkaz prosperity průmyslu, který akceleroval populační vývoj na území Čech a do roku 1990 i v rámci celé Československé republiky.
3.3 6Průmysl po roce 1918 Československý stát měl z ekonomicko-geografického hlediska i při značných vnitřních rozdílech průmyslově-zemědělský charakter. Zejména v českých zemích byl průmysl velmi rozvinutý a zajišťoval největší část domácího národního produktu. Převažoval lehký průmysl a celou čtvrtinu průmyslové produkce bylo třeba vyvážet, což bylo obtížné vzhledem ke konkurenci tehdejších vyspělejších zemí (Anglie, Francie, Německo apod.). Na území tehdejšího Československa, které představovalo jen pětinu území Rakouskouherska a čtvrtinu jeho obyvatel, se ocitlo cca 70% průmyslu bývalé monarchie (80 %, textilního a obuvnického průmyslu, asi 90 % výroby cukru, 98 % výroby porcelánu, 49 % výroby surového železa, 43 % výroby celulózy a 21 % zpracování ropy ale u strojírenství to bylo pouze 5 %).
5 6
http://cs.wikipedia.org/wiki/Průmysl_v_Česku s.muni.cz/do/rect/el/estud/pedf/js13/geograf/web/pages/05-prumysl-podnikani.html
20
Obrázek 3.2 První Československá republika
Zdroj: s.muni.cz/do/rect/el/estud/pedf/js13/geograf/web/pages/05-prumysl-podnikani.html
Značnou část československého kapitálu tvořil kapitál zahraniční (německý, francouzský, anglický, americký a švýcarský). Více než pětina akciového kapitálu v průmyslu náležela zahraničním vlastníkům (zpravidla monopolům). Fakt, že hlavním zahraničním partnerem bylo Německo, způsobovalo záměrné brzdění rozvoje chemického a strojírenského průmyslu. Československo z ekonomicko-politického hlediska bylo v Evropě závislé na vyspělém západu a československý kapitál pronikal do zemí jihovýchodní Evropy a do zemí jako Írán, Afghánistán apod. V roce 1936 bylo v důsledku celosvětové hospodářské krize, téměř 600 tis. nezaměstnaných. Nacistická okupace a válka přinesly i z ekonomického hlediska hrozivé následky. V národním hospodářství vznikaly velké disproporce, rozvíjely se pouze „služby válce“, došlo k rabování zdrojů a také bombardování. Na konci války klesla výroba v průmyslu na polovinu, zemědělství vykazovalo velmi nízké stavy zvířectva a půdy byly vyčerpány a rozvrácena byla i doprava. Poválečný Marshallův plán byl odmítnut a současně znárodněn klíčový průmysl, banky a doprava. Po válce byla provedená druhá pozemková reforma a v padesátých letech bylo dokončeno osídlení českoněmeckého pohraničí. Hlavním cílem poválečného hospodářství bylo rozšíření výroby ve strojírenství a v průmyslových odvětvích produkující výrobní prostředky. V roce 1953 se průmyslová výroba proti roku 1948 zdvojnásobila. Československo se tak stalo jedním z nejprůmyslovějších států světa. V roce 1955 vykazoval průmysl hodnotu o 150 % vyšší než v roce 1937. V Československu však na začátku šedesátých let, došlo k úbytku pracovních sil v zemědělství a mechanizace či chemizace půdy byla nedostatečná a nastaly obtíže při přechodu od malovýroby k zemědělské velkovýrobě. I v šedesátých letech zůstal Státní národohospodářský plán základem řízení hospodářství a jeho vývoj v období let 1966÷1970 byl značně nerovnoměrný. K největším úspěchům plánovaného hospodářství a ekonomické politiky tohoto období patřilo zprůmyslnění Slovenska a v roce 1970 již téměř 31 % zaměstnaných obyvatel Slovenska pracovalo v průmyslu.
3.4 Vývoj průmyslové výroby České republiky po roce 1989 Po roce 1989 se celé národní hospodářství včetně průmyslu muselo přizpůsobit novým tržním podmínkám. České hospodářství ztratilo rozpadem RVHP „bezedné“ východní trhy, které byly ochotny přijímat ne vždy kvalitní výrobky, navíc bylo vystaveno konkurenci vyspělých západních trhů. V průběhu transformačního procesu došlo k masivnímu odstátnění a konverzi českého průmyslu. Na základě přijaté legislativy probíhá postupný proces privatizace průmyslu a kuponová privatizace. Celý proces transformace byl provázen postupným snižováním zaměstnanosti v průmyslu. Váha průmyslu na tvorbě HDP výrazně poklesla a začala se přibližovat úrovni běžné ve vyspělých ekonomikách. Před státní správou stojí náročný úkol dokončit privatizaci, a to zejména velkých společností a zbytkových státních podniků. Postupně tak během transformačního období dochází k rozpadu 21
velkých organizací na menší, pružnější struktury; na místo velkých firem s několika tisíci zaměstnanci začínají vznikat a významně se rozšiřovat malé a střední firmy. Tyto změny byly doprovázeny silnými pohyby na trhu práce. Velký význam pro český průmysl měl v průběhu privatizace vstup zahraničního kapitálu, což přispělo k růstu konkurence, produktivity a otevření se mezinárodní dělbě práce. Částečně se tak podařilo převést český zahraniční obchod z převážně "měkkých" trhů na náročnější trhy vyspělých zemí. Pozitivním prvkem zůstala kvalita pracovní síly při její relativně nízké ceně. Zaměstnanost v průmyslu se však radikálně snížila. Více než půl milionů pracovníků (cca ¼ z původního počtu) odešla za 6 let z průmyslu, zároveň narůstala poptávka po specialistech a kvalifikovaných dělnících, která trvá dodnes. Některá odvětví se proto potýkají s nedostatkem pracovníků, což bývá řešeno zahraničními pracovníky z Ukrajiny, Slovenska i dalších zemí. Proces snižování počtu pracujících v průmyslu na úkor terciéru pokračuje dodnes, ale v daleko nižší intenzitě. Pokles počtu pracovníků v průmyslu se však promítl na území ČR diferencovaně a začaly se vytvářet a postupně prohlubovat regionální rozdíly (Mostecko, Ostravsko,…). Zatímco v roce 1989 existovalo 11 okresů, kde podíl pracujících v průmyslu na celkovém počtu pracovníků v národním hospodářství překračoval hranici 50 %, v roce 1994 existovaly takové okresy pouze tři (Jičín, Most, Sokolov). Dnes již takový okres neexistuje. Transformace sebou přinesla i prohlubování rozdílů v průměrné měsíční mzdě.
3.5 Odvětví průmyslové výroby Typickým rysem průmyslu je jeho velmi diferencovaná struktura. V průběhu vývoje se objevovaly nové druhy výrob i celá průmyslová odvětví. Některá odvětví ztrácela na významu, význam jiných rostl (např. výroba automobilů). Vývojové tendence průmyslu jako celku nelze sledovat, proto byla vytvořena klasifikace průmyslu, která vyčleňuje menší celky se společnými znaky. V České republice se do roku 1993 průmysl členil na 2 části, které zahrnovaly 18 odvětví: těžký průmysl (výroba výrobních prostředků), lehký průmysl (výroba spotřebních předmětů → spotřební průmysl). Tato klasifikace však nebyla příliš přesná, docházelo k přesahům odvětví z jedné části do druhé (např. farmaceutický průmysl patřil pod chemický apod.). Proto byla v roce 2004 zavedena nová odvětvová klasifikace ekonomických činností (OKEČ), která se používala až do roku 2007. Od 1. 1. 2008 je platná nová klasifikace ekonomických činností CZ-NACE, podle které je průmysl členěn na tři sekce: těžba nerostných surovin, zpracovatelský průmysl, výroba a rozvod elektřiny, plynu, tepla a klimatizovaného vzduchu.
22
3.6 Aktuální trendy v průmyslové výrobě V polovině 70. letech se ve vyspělých zemích světa přehoupl vývoj hospodářství z vrcholu fordismu do tzv. postfordismu. Tento inovovaný systém kapitalistické akumulace, který se zformoval jako reakce na krizi fordismu (klasického kapitalismu), byl charakteristický zejména:
strukturální transformací hospodářství, strukturálními změnami v průmyslové výrobě, prostorovými přesuny, významem nových technologií, organizačními a institucionálními změnami, změnami v zaměstnanosti, globalizací ekonomických a sociálních vazeb, změnami v ekonomickém myšlení, chování a motivací.
Tento vývoj v ČR nastal až po roce 1989. S výše uvedenými změnami souvisí zvyšující se dynamika změn informačních technologií a vznik tzv. globální informační společnosti, která buduje globální informační infrastrukturu, založenou především na využití síťových technologií. V souladu se změnou struktury výroby probíhá další typický jev pro tuto etapu –deindustrializace, což je pokles zaměstnanosti v průmyslu (hlavně u výrob s nižší přidanou hodnotou) a navazující sociální a ekonomické změny. V rámci deindustrializace probíhá také rozvoj high-tech – oborů s nadprůměrnou úrovní uplatňovaných vědeckých a technických znalostí a systematickým zaváděním inovací ve výrobních procesech (elektronika, optické a lékařské přístroje). Na základě úzké spolupráce průmyslu s vědeckou základnou vznikají specializovaná inovační a technologická centra – vědeckotechnické parky (technologické, vědecké). Rozhodující význam pro světovou i českou ekonomiku mají nadnárodní společnosti, které představují hlavní aktéry globalizace. Jejich prostorové rozmístění je jedním z řídících mechanismů globální ekonomické integrace. Nadnárodní společnosti jsou úzce spojeny s přímými zahraničními investicemi (přímý investor s trvalou účastí v subjektu, který je rezidentem v ekonomice jiné než ekonomika investora). V České republice došlo k masivnímu nárůstu PZI po roce 1998 v souvislosti s přijetím investičních pobídek. Obrázek 3.3 Regionální rozmístění projektů podpořených investičními pobídkami
Zdroj: Czechinvest
23
Výše uvedený vývoj ovlivnil i prostorové rozmístění výrobních aktivit, které se z center měst začaly přesouvat na jejich okraje, často do tzv. průmyslových (podnikatelských) zón. Současně začínají vznikat další prostory, ve kterých jsou lokalizovány podniky a jejich podpůrné instituce, jako např. vědecko-technické parky, podnikatelské inkubátory, inovační centra apod.
3.7 VÝROBA – prostor kde za pomoci technologií „vytváříme“ nové výrobky 3.7.1 Výrobní jednotka Dnes každá firma stojí před rozhodnutím jak dál, již to není jen „všední“ starost o „přežití existenci“ ve smyslu vztahu k produktu a zákazníkovi, ale zejména vize a její naplňování v horizontu účinnosti příštích zákazníků a budoucí nabídky výrobků. Takže to již není jen hektická činnost manažerů na všech úrovních, zejména těch operativních. Plánování a řízení podniku je zejména o jeho příštích potřebách, produktech a službách. Analýza a zlepšování výrobních procesů je již v dobrých firmách zaběhnutým standardem. Dostupnost strojů, zařízení a výrobních technologií je skoro okamžitá (díky konkurenčnímu tlaku výrobců a dodavatelů techniky a výrobních technologií). Tedy zajištění výroby, včetně investic skrze různých investičních a bankových skupin je již skoro rutinní záležitostí. Podle našeho názoru je hlavní těžiště příští prosperity firem zejména v taktické úrovni firmy (podle níže uvedeného schématu, obr. 4) a to v segmentu, který se týká zejména výrobku (produktu) a jeho stavu a vlastností v dalších plánovacích obdobích – tj. VÝVOJE VÝROBKŮ A TECHNOLOGIÍ. Právě tam se totiž nejvýrazněji ovlivňuje kvalita produktu, jeho cena, a čas jeho uvedení na trh. To logicky vede paralelnímu vývoji výrobků, jejich konstrukce, technologie a projektování výrobních systémů. To vytváří tlak na optimalizaci výrobního systému, což je soustava vzájemně propojených výrobních a pomocných prostředků (strojů, dopravních a manipulačních zařízení, skladů apod.), výrobních sil a předmětů výroby (surovin, materiálů, energií). Úlohou projektování výrobních systémů je navrhnout takové poměry mezi těmito prvky, aby daný výrobní systém dokázal efektivně plnit výrobní úkoly. Na takto organizovanou přípravu produkce navazuje organizace výroby, což je soubor pravidel pro uspořádání základních výrobních prvků v prostoru a čase tak, aby bylo jasné kde a kdy, mají být splněny výrobní úkoly. Dnes je zřejmě nejzávažnějším faktorem úspěšnosti výrobního podnikání faktor času a věnuje se veliké úsilí jeho zkracování. Takový postoj nevyvolala globalizace, ale prapůvodní zdroj globalizace, a to jsou moderní komunikační metody využívající komplexních informačních sítí s informace zpracujícími stroji, což jsou počítače. Komerční úspěch a rychlost inovací v této oblasti byla nevídaná. Geometrický nárůst rychlosti zpracování informací a schopnost zajištění spolehlivosti jejich přenosu spolu s miniaturizací a s tím spojeným efektem růstu objemu datových úložišť byli spouštěči globalizace (na vyřízení objednávky z druhého konce světa potřebujete čas potřebný na zapsání této informace do svého terminálu). Včlenění do globální informační sítě a extrémně zlevňující se doprava (díky globální konkurenci), nám umožní díky logistickým centrům posetým po celém světě, mít objednané zboží maximálně za několik dní. Tento závod s časem se tak logicky přenesl i do fabrik a jejich výrobních systémů a pochopitelně i do vývoje výrobků. Pojmy jako CIM (Computer Integrated Manufacturing) – počítačově integrovaný podnik, který v sobě zahrnuje technickou a technologickou bázi (NC stroje, roboty, počítačově projektované systémy včetně řízení strojů, údržby, dopravy a skladů) a provozně-organizační činnosti podniku (zpracování zakázek, kalkulace, kapacitní – materiálové – termínové plánování, řízení výroby apod.).
24
Základem CIM systémů jsou vlastně PPS (Production Planning System), PPC (Production Planning and Control) a PMS (Production Management System). Systémy CMS obsahují i tzv. CAO systémy (tj. Computer Adied Office – počítači podporovaná administrativa podniku). Vývoj výrobků a příprava výroby používá další počítačovou podporu, jako je CAD (Computer Adied Design) – počítači podporovaný vývoj a konstruování, CAPP (Computer Adied Process Planning) – počítači podporovaná tvorba výrobních postupů - NC programů – řídících programů robotů, CAM (Computer Adied Manufacturing) – počítači řízená automatizovaná výroba na operativní úrovni, FMS (Flexible Manufacturing Systém) – pružný výrobní systém s mnoha automatizovanými výrobními zařízeními s propojeným automatizovaným materiálovým tokem, CAQ (Computer Adied Quality Assurance) – komplexní péče o kvalitu s podporou počítačů. 3.7.2 Trendy ve vývoji výrobků a technologií. Morální životnost výrobků se rychle zkracuje a na druhé straně se zvyšuje jejich komplexnost a nároky na vývoj. Na obr. 5 je vidět trend posledních let, což je neustálé zkracování morální životnosti výrobků (horní křivka) a na druhé straně v mnoha případech prodlužování časů amortizace (dolní křivka). V oblasti počítačové techniky se morální životnost výrobků zkrátila o 46 %, tj. pod pět let. Současně se ale prodloužila doba návratnosti investic o 5,5 %, tj. téměř na čtyři roky. Oblast pro tvorbu zisku je tedy stále menší za posledních deset let se tato plocha zmenšila o 78 %. Tento tlak nutí mnohé k tomu, že se místo vývoje nových výrobků, zaměřují stále více na inovaci existujících produktů, protože nejsou schopni vyrovnat se s faktorem času. Zároveň často dochází k následujícím opatřením: Obrázek 3.4 Hlavní části podniku znázorněny v hierarchiích (horizontálně i vertikálně)
Zjednodušování komplexnosti výroby, tj. mnoho komponentů výrobků se přestává vyrábět ve vlastní firmě a nakupuje se od dodavatelů.
Přenesení výroby do zemí s lacinou pracovní silou.
Redukování nákladů v nevýrobní sféře podniku.
Zdroj: Košturiak, J. Gregor, M., Podnik v roce 2001 – revoluce v podnikové kultuře, Grada Publishing, Praha, 1993, ISBN 80-7169-003-1
25
Obrázek 3.5 Morální životnost výrobků a návratnost investic podle Bullingera
Zdroj: Košturiak, J. Gregor, M., Podnik v roce 2001 – revoluce v podnikové kultuře, Grada Publishing, Praha, 1993, ISBN 80-7169-003-1
Přenesení kompetencí na dodavatele může být do určité míry velmi racionálním krokem. Rozsáhlé přenesení výroby na dodavatele a země s lacinou pracovní silou však může mít pro podnik ze strategického hlediska velmi negativní následky spojené se ztrátou vlastních kompetencí, know-how, výrobků i segmentů na trhu. Tento proces můžeme sledovat například v americkém transferu výroby do zemí Dálného východu, které se nejdříve zmocnily technologie, později výrobků a dnes ohrožují americké firmy přímo na americkém trhu. Mnozí odborníci tvrdí, že USA zůstává již jen úloha vývojového centra pro "tygry z Asie", což však též nemusí platit absolutně, jestliže se podíváme na japonské přístupy k vývoji výrobků označované za štíhlé konstruování, však přestávají být uzavřeni na svém ostrově - po expanzi jejich výrobků a kapitálu, kterými už dnes ovládají velkou část světa, expandují také výrobní filiálky japonských firem, i japonské vývojové laboratoře do USA a Evropy. Snížení výdajů na výzkum a vývoj v podniku se v dlouhodobém měřítku obvykle v podniku projeví tak, že nejdříve náklady neproporcionálně vzrostou, protože podnik není schopen udržet si svou inovační schopnost a segment na trhu. Podnik by se však měl soustředit na činnosti (a to platí i pro vývoj výrobků a technologie, ve kterých dosahuje skutečně dobrých výsledků a na které má odpovídající zdroje). Přenášení výroby a výzkumu na dodavatele, které dosahuje největšího podílu v automobilovém průmyslu, patří k jedněm z principů "štíhlého" podniku, kterými Japonsko dosáhlo četných úspěchů. V takovéto organizaci spolupracují na vývoji výrobků společně výrobce, jeho dodavatelé a jeho zákazníci. V této souvislosti je poměrně smutné sledovat, jak se část našich podniků v krátkozrakém boji o přežití loučí se svými vývojovými základnami, projekčními a konstrukčními odděleními, místo toho, aby se pokusili změnit způsob jejich práce, jejich produktivitu a efektivnost7.
7
Zamarský, V., Ponický, P. Kaloč, M., Technologie a sektory tvorby hodnoty výrobků a služeb, Opora pro kombinované studium, VŠP Ostrava, 2014,
26
SHRNUTÍ KAPITOLY
Synonymem slova technologie v užším slova smyslu je VÝROBA. Různé typy výrob prezentují různé typy technologií. Nové či inovované technologie zpětnovazebně posouvají vpřed techniku a možnosti člověka v poznávání svého okolí, což se přes přírodní a technické vědy opět vrací v posouvání hranic poznání v oblasti technologií. Je to vlastně jakási spirála, což je i historicky ověřený fakt.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Jaké typy výrob znáte? 2. Víte co je výrobní jednotka? 3. Popřemýšlejte a zkuste zdůvodnit, proč se v technologiích tvoří hierarchie, podobně jako máte znázorněno ve schématu hierarchie řízení (obr. 4)?
ŘEŠENÍ
Prostudujte a snažte se pochopit mechanizmus činnosti výrobního stroje Vámi zvolené technologie. Popište způsob jeho činnosti a promyslete možnosti konstrukční či technologické inovace.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
Uveďte a schematicky nakreslete základní charakteristiky transformačních mechanizmů používaných v různých typech strojů.
27
4 TECHNOLOGIE ELEKTROTECHNIKY CÍL Elektrotechnika je nejen částí fyziky, ale i odvětví průmyslu, které akcelerovalo společnost lidí ve 20. století a elektronika jako její součást je od druhé půlky minulého století průmyslovým odvětvím vytvářejícím „nové“ sociální prostředí i nové možnosti rozvoje samotného průmyslu (automatizace, regulace, umělá inteligence). Většina lidí vnímá elektrotechniku přes energetiku a elektroniku přes dnes již samozřejmé součásti života, jako jsou počítače apod. Aby to nezůstalo jen u tohoto povrchního chápání „povíme“ si něco víc o podstatě vytváření těchto systémů – o jejich výrobě – o jejich technologických souvislostech. Studující se obeznámí s technologiemi v oblasti energetiky, které jsou spíše průřezové a informativní, ale velmi zestručněný přehled technologií Znalosti mikroelektroniky by pro mnoho žáků a studentů mohl být zajímavý, dávající možnost posouzení jejich složitosti a především přesnosti a důslednosti.
Získané povědomí komplexnosti nutného poznání, proto abychom vytvořili produkty, které nám ulehčují či zjednodušují život a dokonce mohou Dovednosti ovlivňovat naše poznání (televize, počítač apod.)
KLÍČOVÁ SLOVA Elektrotechnický průmysl, elektrický proud, magnetické pole, silnoproudá elektrotechniky, slaboproudá elektrotechnika, elektronika, výpočetní technika, integrovaná obvod, tranzistor, SMT technologie.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 20 hodin.
28
Jednoduché pojmenování oboru uplatnění elektrotechnologií – „elektrotechnický průmysl“, je vlastně rezortním označením oboru průmyslové výroby a průmyslových služeb. Má integrální charakter, jelikož v sobě zahrnuje diverzifikaci průmyslových odvětví, které dnes nesou specializovanější názvy jako průmysl elektroniky, počítačů, energetiky, investiční a spotřební elektroniky, elektrických strojů, měřící a regulační techniky apod. Podstatou tohoto odvětví je však fakt, že se jedná o výrobu a služby spojené s jedním z nejvýznamnějších fyzikálních jevů, který v obecné fyzice nese název „ELEKTŘINA a MAGNETIZMUS“, ve své podstatě však jde o využití jedné z přirozených vlastností hmoty (na Zemi přirozených), tj. ELEKTRICKÉHO NÁBOJE. Je totiž dnes již známo, že některé subatomární částice (např. proton má kladný elementární náboj +, elektron má záporný elementární náboj -) mají svůj elektrický náboj (je ale i subatomární částice, která je elektricky neutrální – NEUTRON, který nemá žádný elementární elektrický náboj) a podle toho jaké částice ve hmotě převažují, tak jakýkoli předmět z této hmoty vyrobený má odpovídající „elektrický potenciál“ (kladný nebo záporný). Elektrotechnika využívá přirozenou vlastnost těchto materiálů, že v případě nerovnovážného či nevyváženého stavu potenciálů dochází k usměrněnému pohybu od záporné elektrické polarity (s převahou elektronů) ke kladné polaritě tak aby se tento elektrický potenciál vyrovnal – tedy přirozeně směřují k elementární stabilitě. Takový transport náboje dnes nazýváme ELEKTRICKÝ PROUD. V okolí těles, ve kterých teče elektrický proud se zase přirozeně (spontánně) tvoří tzv. MAGNETICKÉ POLE a to je jeden z jevů, který člověk velice efektivně dokáže využívat a tedy je přirozeně i předmětem elektrotechnické výroby a služeb. Abych byl na úvod úplný, ale zároveň i stručný nedá mi opomenout oblast fyziky, která velice významně ovlivnila elektrotechnický průmysl, byť zjevně (na první pohled), nemá s ní nic společného, tj. KVANTOVÁ MECHNIKA. Díky skotskému badateli, James Clerk Maxwellovi známe vztahy mezi elektrickým a magnetickým polem (POLE je oblast v prostoru, kde má síla jistý vliv na hmotu) což jsou dnes tak nazývané tři Maxwellovy rovnice. Tyto rovnice obsahovaly vztah, který je dnes přijímaný se samozřejmostí – tedy kompilace těchto dvou polí ve formě elektromagnetického účinku, tzv. FOTONU což není nic jiného nežli světlo8. Z uvedených rovnic tak vyplývá dnes často díky Albertu Einsteinovi vyslovovaná teze o rychlosti světla (teoreticky ve vakuu = 299 792 km/sec.). Obecně tato pohyblivá pole označujeme jako záření či radiace (tedy je logické, že to nejsou jen fotony). Výzkum záření vedl německý teoretický fyzik Max Planck a vzešla z toho KVANTOVÁ TEORIE. Základem této teorie je, že energie se vyskytuje ve drobných „shlucích“ tzv. KVANTECH. Tuto teorii dále rozpracovali a rozšířili Albert Einstein, Niels Bohr, Paul Dirac a Werner Heisenberg. Významná je spojitost kvantové mechaniky s matematikou, protože v rámci fungování KM neexistují diskrétní (jednoznačně určité) stavy, ale subatomární částice mohou existovat v celé řadě různých stavů, využíváme proto matematické teorie pravděpodobnosti, protože elementy se mohou nacházet v pravděpodobných stavech – což je pole působnosti pro matematiky, jelikož se jedná o matematické informace popisující jejich vlastnosti! Tedy průmysl pracující se světlem a jinými typy vlnění taktéž patří do oboru elektrotechniky (bez kvantové mechaniky, by nebylo mobilních telefonů, jak je dnes známe, ale ani notebooky, tablety, tomografy apod.). Kdybych chtěl vyjádřit jednoduše a stručně bazální charakteristiku tohoto průmyslového odvětví, tak v duchu soudobých poznatků fyziky bych konstatoval, že je to PRŮMYSL zabývající se VÝROBOU A SLUŽBAMI v oblasti FYZIKÁLNÍCH POLÍ. Vše co nás na Zemi obklopuje, se skládá z atomů, které 8
Persons, P. a kol., 30 vteřin na vědu – 50 nejpodnětnějších vědeckých teorií, o nichž získáte přehled za 30 vteřin, vydavatelství Fortuna Libri, Praha, 2012, ISBN 978-80-7321-638-2
29
jsou vzájemně držené v jistých konfiguracích za pomoci interakcí jejich elektronů. Tyto interakce jsou určené elektromagnetickou sílou, která mezi nimi působí, což není nic jiného, nežli výměna fotonů, čímž se zabývá kvantová teorie pole – což je základ většiny fyziky, celé chemie a tím pádem i celé biologie. Není možno se zabývat vším a je vyloučené spojovat souvislosti, proto tato část výukového materiálu, bude reflektovat historicky zažitý způsob popisu průmyslu elektrotechniky podle TECHNOLOGICKÉHO PRINCIPU a podle komplexity produktů, tj. od výroby komponentů po jejich kompletaci do subsystémů a kompletních celků se souborem komplexních vazeb. Jiný, zúžený pohled může být orientovaný na nosné médium – energii, se kterou se pracuje, tj. elektrický tok = proud. Tedy od výroby, přes přenos až po užití v různých strojích a přístrojích. Jak je vidět i tady hraje značnou roli subjektivnost autora a obecně řečeno v jakémkoli dělení je míra subjektivnosti obrovská. To je jen důkaz opodstatněnosti rčení, že vše se jeví podle toho, z jakého úhlu pohledu to pozorovatel popisuje (je bílá kočka skutečně bílá, když ji takovou právě vidím?).
4.1 Elektrotechnický průmysl v ČR Novodobá historie českého elektrotechnického průmyslu je velmi bohatá, během posledních dvaceti let došlo k zásadní restrukturalizaci většiny výrobní základny a zlepšila se nejen produktivita práce, ale i jakost výrobků. Inovační úroveň českých výrobků dovoluje nacházet stále nové trhy. V globalizovaném prostředí světového obchodu jsou naše výrobky konkurenceschopné a při stále zvyšujícím se objemu výroby roste obchodní výměna. Obrázek 4.1 Dynamika vývoje elektrotechniky za vlastní výrobky a služby
Obrázek 4.2 Index průmyslové produkce elektrotechniky a průmyslu ČR celkem (2005-100%)
Zdroj: EIA Zdroj: ČSÚ
Elektrotechnický průmysl se vyznačuje kompletačním charakterem produkce při vytváření předpokladů pro konkurenceschopnost dalších oborů zpracovatelského průmyslu. V energetice vyznačující se vysokým podílem dovozu materiálů, komponent a dílů pro výrobu a montáž se širokým spektrem technologických procesů a výrazným podílem nadnárodního kapitálu je typické zejména u nových investic s využitím progresivních technologií a logistických sítí nadnárodních společností je vysoký podíl využití poznatků vědy a výzkumu a používání výpočetní a digitální komunikační techniky generuje potřebou vysoce kvalifikovaných pracovníků i v samotné výrobě. Elektrotechnický průmysl se podílí na tržbách za prodej vlastních výrobků a služeb zpracovatelského průmyslu České republiky jako celku cca 15,5 %. Díky tomuto podílu, přidané hodnotě i zaměstnanosti patří elektrotechnickému průmyslu pomyslné 2. až 3. místo mezi nejvýznamnějšími 30
odvětvími České republiky. Přestože elektrotechnika pocítila negativně projevy hospodářské krize a oslabila, stále zaměstnává cca 180 tis. zaměstnanců a krize nemá pouze negativní dopady, ale přispívá k další restrukturalizaci výroby, k vyšší specializaci a k orientaci na nové a inovované výrobky s vyšší přidanou hodnotou. 4.1.1 Český elektrotechnický průmysl a jeho struktura Podle standardizované klasifikace produkce je výroba v elektrotechnickém průmyslu rozdělena následovně: 30 – Kancelářské stroje a počítače (výpočetní technika); 30.01 - Kancelářské stroje a jejich díly; 30.02 - Počítače a ostatní zařízení pro zpracování informací, jejich díly, instalace a montáže 31 – Elektrické stroje a zařízení (silnoproudá elektrotechnika); 31.1 - Elektromotory, generátory a transformátory; 32.2 - Elektrická rozvodná, řídící a spínací zařízení; 31.3 - Izolované kabely a vodiče; 31.4 - Akumulátory, primární články a baterie; 31.5 - Elektrické zdroje světla a svítidla; 31.6 - Elektrická zařízení jinde neuvedená; 32 – Rádiová, televizní, spojová zařízení a přístroje (AV technika, elektronické součástky) 32.1 - Elektronky a jiné elektronické součástky; 32.2 - Rozhlasové a televizní vysílače; přístroje pro telefonii; 32.3 - Rozhlasové a televizní přijímače, přístroje na záznam a reprodukci zvuku nebo obrazu; 33 – Zdravotnické, přesné, optické a časoměrné přístroje, průmyslové služby a práce (přístrojová a automatizační technika) 33.1 - Zdravotnické přístroje a zařízení, chirurgické a ortopedické prostředky; 33.2 - Měřicí, kontrolní, zkušební, navigační a jiné přístroje a zařízení; 33.3 - Zařízení pro řízení průmyslových procesů; 33.4 - Optické a fotografické přístroje a zařízení 33.5 – Časoměrné přístroje. Silnoproudá elektrotechnika Elektrické stroje a přístroje mají ve struktuře české elektrotechniky stabilně trvalé postavení. Hlavními produkty jsou tradičně elektromotory, generátory, transformátory, elektrická rozvodná a spínací zařízení, kabely a izolované vodiče. V posledních letech se k těmto komoditám připojila i produkce elektrického vybavení pro automobilový průmysl. Technická úroveň výrobků a služeb dosahuje světového standardu. Nachází odbyt především v zemích Evropské unie. Podniky působící v silnoproudé elektrotechnice zaměstnávají 58 % pracovníků elektrotechniky v ČR. I zahraniční vlastníci velkých výrobních subjektů provedli potřebné modernizace technologií, zlepšili organizaci 31
výroby a zejména přinesli nová obchodní spojení. Silnoproudá elektrotechnika se v minulém období podílela cca 50 % na výrobě českého elektrotechnického průmyslu, ale vlivem vyššího nárůstu výroby v dalších odvětvích elektrotechniky tento podíl poklesl, ale objemem výroby a přidanou hodnotou stále patří mezi nosné obory. Výpočetní technika Většina výrobních podniků v tomto oboru byla vybudována na „zelené louce“, v omezeném rozsahu byly využity také objekty bývalých podniků. Tyto společnosti jsou značně ovlivněné globalizací či vstupem zahraničního kapitálu. Firmy převážnou většinu vyrobených počítačů exportují na světové trhy. Česká republika se prostřednictvím nadnárodních společností zařadila mezi teritoria s produkcí konkurenceschopné výpočetní techniky. V České republice jsou úspěšné i softwarové společnosti a to nejen v souvislosti s lokalizací světových programových produktů či s dodávkou těchto služeb pro české podniky či veřejnou správu. Audiovizuální technika (AV) a elektronické součástky Ve výrobní základně elektronických součástek a telekomunikací došlo k výrazným změnám. Vznikly nové výrobní jednotky, změnil se sortiment výroby, byly modernizovány kapacity na výrobu zařízení pro kompletaci složitějších telekomunikačních systémů, rozhlasových i televizních vysílačů a přenosových systémů, byla vybudována nová výrobní centra nadnárodních společností. Obrázek 4.3 Průměrný počet zaměstnaných osob - meziroční index (předchozí rok 100%)
Přístrojová a automatizační technika Na rozdíl od ostatních odvětví elektrotechniky nebyl v této skupině zaznamenán tak výrazný vstup zahraničního kapitálu. Na tuzemském trhu působí většina významných světových společností, které se produkcí a dodávkami měřící, regulační, automatizační a zdravotnické techniky zabývají. Zajišťují jak dodávky, tak i projekci a servis. Vývoj počtu zaměstnanců snad nejvěrněji odráží dynamiku růstu elektrotechniky v ČR. Po vzniku České Zdroj: ČSÚ republiky v roce 1993 pracovalo v českém elektrotechnickém průmyslu cca 65 tisíc zaměstnanců. Největší meziroční přírůstky byly v roce 1997, před vstupem České republiky do EU. V letech 2007 a 2008, před nástupem hospodářské krize byl stav pracovníků nejvyšší, dosahoval 188 tis. pracovníků. Obrázek 4.4 Produktivita práce z účetní přidané hodnoty elektrotechniky ČR
Lépe než zaměstnanost, jednotlivé obory lépe charakterizuje dosažená produktivita práce. Pokud posuzujeme výpočetní techniku pouze v oblasti technického vybavení, není zde dosahována produktivita jako u oborů, které jsou v České republice tradiční a kde je nejvyšší inovační potenciál. Jsou to zejména obory silnoproudé techniky a obory spojené s automatizační, regulační a měřící technikou.
Zdroj: MPOČR (Panorama českého zpracovatelského průmyslu) a odhad EIA
32
Ekonomické údaje o českém elektrotechnickém průmyslu, resp. o zpracovatelském průmyslu, zveřejňuje Český statistický úřad na stránkách www.czso.cz a Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR na stránkách www.mpo.cz. Nyní po více jak dvaceti letech od roku 1990 a ne zrovna zdařilé transformaci průmyslu jeho kuponovou privatizací, dochází k další restrukturalizaci ve prospěch oborů, které mají vyšší přidanou hodnotu a delší inovační obrátku (silnoproudá elektrotechnika, měřící - automatizační - regulační technika apod.). Typickým znakem těchto oborů je, že v nich „nalézají“ uplatnění vysoce kvalifikovaní pracovníci a tyto obory průmyslu byly méně zasaženy problémy krizí spojených s vlivem globalizace.
4.2 Výroba a rozvod elektrické energie Většinou se celé toto odvětví nazývá jako energetika. Ze systémového pohledu je prvotní výroba elektrické energie. Dnes je takříkajíc trendové zabývat se tzv. obnovitelnými zdroji energie. Z těch, které sem patří, je nejstarší způsob výroby elektrické energie z vody a větru. Obrázek 4.5 Struktura výroby elektrické energie na globální úrovni,
Zdroj: ČSÚ
Z hlediska výroby elektrické energie nehrají obnovitelné zdroje rozhodující roli, jejich význam však spočívá v šetrném přístupu k životnímu prostředí a případně v možnostech budoucího využití ve větším rozsahu. K obnovitelným zdrojům energie se v podmínkách ČR řadí využití energie vody, větru, slunečního záření, biomasy a bioplynu, energie prostředí využívaná tepelnými čerpadly, geotermální energie a energie kapalných biopaliv. Obnovitelným zdrojem s největším energetickým potenciálem využívaným je vodní energetika, z hlediska dalšího rozvoje se
33
největší šance dává spalování biomasy, především dřevní štěpky a dalších rostlinných produktů lesního a zemědělského původu. Většina dnešních výroben elektrické energie, zpravidla teplárensky zaměřených, umožňuje již dnes poměrně úspěšně spalovat biomasu ve směsi s uhlím. V běžném provozu už funguje i spalování čisté biomasy. Tyto obnovitelné zdroje lze však v přírodních podmínkách České republiky vnímat pouze jako doplněk konvenčních zdrojů. Důvodem je především obtížná předvídatelnost výroby z těchto zdrojů a s tím spojené riziko přetěžování kapacity přenosových a distribučních sítí. Tabulka 4.1 Výroba elektřiny z vody, větru, slunečního záření a biomasy v zařízeních skupiny ČEZ v ČR (v GWh) Rok 2010
Rok 2011
Rok 2012
Rok 2013
Obnovitelné zdroje energie
2 688
2 435
2 633
3 085
Vodní, sluneční a větrné elektrárny
2 353
2 007
2 211
2 791
335
428
422
294
Spalování biomasy
Zdroj: ČEZ
4.2.1 Výroba větrné energie. Ilustrační foto výstavby větrníků do „malého větrného parku“
Využití větru ve větrných mlýnech má na našem území tradici. Historicky je postavení prvního větrného mlýna na území Čech, Moravy a Slezska doloženo již v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Začátek výroby novodobých větrných elektráren se datuje na konec 80. let minulého století. V současné době větrné elektrárny pracují v desítkách lokalit v ČR, jejich nominální výkon se pohybuje od malých výkonů pro soukromé využití (300kW) až po 3MW. Koncem dubna 2013 bylo v ČR podle údajů Energetického regulačního úřadu instalováno celkově více než 260MW. Vítr vzniká v atmosféře na základě rozdílu atmosférických tlaků jako důsledek nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu. Teplý vzduch stoupá vzhůru, na jeho místo se tlačí vzduch studený. Zemská rotace způsobuje stáčení větrných proudů, jejich další ovlivnění způsobují morfologie krajiny, rostlinný pokryv, vodní plochy. Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. Podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a s třetí mocninou energie vyprodukovanou generátorem. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení věrné elektrárny.
34
Obrázek 4.6 Schéma podstatných částí větrníku (podstatných pro výrobu elektrické energie
Zdroj: ČEZ
4.2.2 Výroba sluneční energie Ilustrační foto fotovoltaických článků.
Přímé využití energie slunečního záření patří z hlediska ochrany životního prostředí k nejčistším a nejšetrnějším způsobům výroby elektřiny. Množství energie, které dnes získáváme z celkové energie slunečního záření, je zanedbatelné. I když současný podíl fotovoltaiky na celkové produkci elektrické energie ve světě představuje pouze asi 0,01 %, technologie využívající slunečního záření mají velký růstový potenciál a vyspělé státy s tímto obnovitelným zdrojem do budoucna počítají. U největšího českého výrobce ČEZu byla vůbec první tzv. sluneční elektrárna na Mravenečníku v roku 1997, která v současnosti funguje v rámci areálu dukovanské elektrárny. Elektřinu lze získat ze sluneční energie přímo i nepřímo. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla uvolňují elektrony, nepřímá je založena na získání tepla. Zástupcem přímého získávání elektřiny z energie Slunce jsou sluneční články. K jejich výrobě se užívá polovodičových materiálů. Díky vlastnostem polovodičů vzniká na rozhraní P-N přechodu samovolně rozdíl potenciálů, přičemž polovodič typu N je kladný, P záporný. Dopadne-li do oblasti přechodu světelné kvantum, předá svou energii látce: některý elektron díky tomu přejde na vyšší energetickou hladinu a zanechá za sebou „volné místo“, které se chová jako kladný náboj. Oba náboje z vytvořeného páru se v důsledku difuzního rozdílu potenciálů od sebe oddělí – elektron je přitahován do oblasti typu N, „volné místo“ opačným směrem. Dopadá-li na článek proud světla, je těchto nábojů mnoho, vzniká na něm napětí a při uzavřeném elektrickém obvodu protéká proud. Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou z monokrystalu křemíku. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru), z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Jeden čtvereční centimetr dává proud okolo 12mW (miliwattů). Jeden metr čtvereční slunečních článků může v letní poledne vyrobit až 150 W stejnosměrného proudu. Abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), zapojují se sluneční články 35
za sebou, větší proud získáme zapojením vedle sebe. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel. Rozměry jednoho článku jsou asi 10 × 10 cm, spojují se do panelů o výkonech od 10 do 300 W. Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá v tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých vodičů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Jednoduché zařízení ze dvou různých vodičů na koncích spojených vytváří termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou vodiče vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor. 4.2.3 Výroba energie využitím vodního toku Ilustrační foto hráze vodní elektrárny.
I když v ČR nejsou přírodní poměry pro budování velkých vodních energetických děl ideální, hrají v rámci obnovitelných zdrojů u nás nejvýznamnější úlohu. Podle metodiky EU se přečerpávací vodní elektrárny a malé vodní elektrárny s instalovaným výkonem nad 10MW mezi zařízení vyrábějící elektřinu z obnovitelných zdrojů nepočítají. Portfolio hydroenergetiky ČR je dnes téměř 2000MW. Pracovní režim vodní elektrárny spočívá v dynamickém účinku vody přitékající přívodním kanálem. Voda roztáčí turbínu, která je na společné hřídeli s generátorem elektrické energie. Dohromady tvoří tzv. turbogenerátor. Mechanická energie proudící vody se tak mění na základě elektromagnetické indukce (v otáčející se smyčce elektrického vodiče v magnetickém poli se indukuje střídavé elektrické napětí) na energii elektrickou. Ta se transformuje a odvádí do míst spotřeby. Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla (elektrárny včetně vodní nádrže, řečiště či jiného zařízení usměrňujícího proud vody). Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v bohaté paletě modifikací. V podmínkách našich řek se nejčastěji používají Kaplanovy turbíny s nastavitelnými lopatkami. Kaplanova turbína je v podstatě reakční přetlakový stroj, který dosahuje několikanásobně vyšší rychlosti než je rychlost proudění vody. Je vhodná pro velká množství vody a pro menší spády. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční Peltonova turbína. Je to rovnotlaký stroj, jehož obvodová rychlost otáčení je nižší než rychlost proudění. Voda vstupuje do turbíny pouze v některých částech jejího obvodu a nezahltí celý obvod – vodu na lopatky tvaru misek přivádějí trysky. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá reverzní Francisova turbína s přestavitelnými lopatkami, která při zpětném chodu funguje jako čerpadlo. V malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou jednoduchou turbínou Francisovou. Nejdéle využívanou surovinami, jejichž energetická bilance umožňuje hromadnou výrobu. Jsou to fosilní zplodiny biologického rozpadu „biomasy“ z prehistorického období existence naší Země. Jsou to především pevné frakce – uhlí, kapalné frakce – ropa a plynné frakce – zemní plyn. Základním znakem takové energetické výroby je spalování těchto „biopaliv“ pro vytváření tepla potřebného pro přeměnu mechanické energie na energii elektrickou.
36
4.2.4 Výroba energie z fosilních paliv Obrázek 4.7 Elektrárna Vítkovice
Obrázek 4.8 Elektrárna Prunéřov
Zdroj: ČEZ
Zdroj: ČEZ
Nejčastější případy těchto elektráren jsou uhelné elektrárny a princip jejich činnosti je znázorněn skupinou následujících obrázků. Obrázek 4.9 Princip činnosti uhelných elektráren
37
Zdroj: ČEZ
Velice podobně fungují paroplynové elektrárny (elektrárny s paroplynovým cyklem) Obrázek 4.10 Princip činnosti paroplynných elektráren
38
Zdroj: ČEZ
Výroba elektřiny v paroplynovém cyklu je snahou o maximálně účinnou výrobu elektřiny, což je zajištěno součinností dvou tepelných Obrázek 4.11 Znázornění štěpné reakce uranu (ilustrační oběhů, parního a plynového. Chemicky vázaná energie plynu se po obrázek) jeho spálení využije nejprve v plynové turbíně a následně ve spalinovém kotli k výrobě páry, kterou je poháněna parní turbína. Elektrická energie se získává jak z generátoru poháněného plynovou tak z generátoru poháněného parní turbínou. Tepelný oběh plynové turbíny se skládá z komprese vstupního vzduchu, jeho smísení s palivem, které shoří, a následné expanze spalin v plynové turbíně. Oběh je uzavřen výstupem spalin přes spalinový výměník. Tepelný oběh parní turbíny se skládá z ohřevu tlakové vody na teplotu varu, vypařování, přehřátí páry na pracovní teplotu a následné expanze páry v parní turbíně. Oběh je uzavřen kondenzací páry na vodu. Obrovské kvantum dispoziční energie je v samotné hmotě. Slunce je přirozeným reaktorem, který jako paliva užívá hélia při termojaderné fúzi na vodík. Na Zemi se v jisté míře vyskytují nestabilní prvky s měřitelným poločasem svého rozpadu, nejznámější je URAN (první použití přírodního uranu obsahujícího nuklidu v jaderném reaktoru postaveném Enrico Fermim 02. 12. 1942 na Chicagské univerzitě, jako zpomalovač/moderátor neutronů byl použit grafit/grafitové tyče a řetězová reakce byla regulována zasouváním kadmiových tyčí, protože pohlcují neutrony). Dnes existuje velké množství různých typů jaderných reaktorů, které se liší svým technickým uspořádáním, druhem paliva, moderátoru, chladiva, výkonem a určením. V převážné většině jsou to reaktory využívající zpomalených neutronů, které jsou v tepelné rovnováze s látkou. Energie těchto neutronů leží v rozmezí 0,002 ÷ 0,5eV a takové reaktory se nazývají tepelné.
39
Zjistilo se, že existují pouze čtyři nuklidy, s nimiž je možné uskutečnit řetězovou jadernou reakci a které proto mohou sloužit jako štěpné materiály k získávání jaderné energie. Jsou to: 1. uran
;
2. plutonium 3. uran
;
;
4. plutonium
.
4.2.4 Výroba jaderné energie Řetězová jaderná reakce v uranu umožnila využití jaderné energie k přeměně na elektrickou energii v jaderných reaktorech. Rozmístění nejvíce využívaných elektráren na území České republiky je na následujícím obrázku (podle symbolů poznáte rozmístění českých jaderných elektráren): Ilustrační obrázek znázorňující lokalizaci elektráren, tepelných, větrných a jaderných.
Jaderná elektrárna Schéma jaderné elektrárny je na obr. 11. Ohřátá voda primárního okruhu proudí z jaderného reaktoru poháněna čerpadly do výměníku tepla (parogenerátoru), kde dochází k výměně tepla s vodou sekundárního okruhu. Výměník tepla je možné si představit jako radiátor ústředního topení. Tím proudí voda (ta představuje primární okruh); radiátor je přitom umístěn v místnosti vyplněné vzduchem (ten představuje sekundární okruh). Teplo si voda a vzduch v místnosti vyměňují přes stěny radiátoru (tj. výměník tepla). V současných jaderných elektrárnách se používá jako palivo nuklid uranu , který je v přírodě zastoupen v nepříliš velkém množství a bude také v dohledné době vyčerpán. Další druhy jaderných paliv je však možno vyrábět z tzv. množivých materiálů, a , kterých je v přírodě dostatek. To se děje v rychlém množivém reaktoru, který vedle energie vyrábí další palivo, a to dokonce více než sám spotřebuje. Rychlý reaktor nepoužívá moderátor, pracuje na Obrázek 4.12 Schéma jaderné tepelné elektrárny rychlých neutronech a jeho aktivní zóna je kompaktnější. Palivo má podobu tablet z obohaceného oxidu uranu nebo plutonia a celá aktivní zóna je obklopena pláštěm z množivého materiálu. Rychlé neutrony štěpí palivo v řetězové reakci a zároveň mění na nové plutonium. Rychlé reaktory jsou technologicky náročnější, vyžadují chlazení tekutými kovy (např. sodík apod.). Zdroj: ČEZ
40
Voda sekundárního okruhu se ohřívá a mění se v páru. Tato pára, která již není radioaktivní, pohání klasickou parní turbínu. Ta otáčí rotorem generátoru střídavého proudu, v němž elektromagnetickou indukcí vzniká střídavé napětí, které je dále rozváděno do rozvodné sítě. Obrázek 4.13 Ilustrační obrázky z prostředí jaderných elektráren
Protože je účinnost reaktoru omezena zákony termodynamiky, využije se k přeměně na elektrickou energii přibližně jen třetina jaderné energie. Jaderný reaktor tedy nahrazuje parní kotel klasické elektrárny a využívá parního cyklu. Pára, která pohání parní turbínu, je posléze chlazena ve výměníku tepla, který je napojen na chladící věže elektrárny.
Zdroj: ČEZ
4.2.5 Rozvod elektrické energie Rozvod el. energie zabezpečují přenos, distribuci, napájení a elektroinstalaci elektrické energie. Tyto úlohy je možné zabezpečit:
vnějším vedením
kabelovým vedením
vnitřním vedením
Přen osové ved ení zabezpečuje přenosy velkých výkonů na vysokých napěťových hladinách VVN a VN (400kV, 220kV, 110kV). Je realizováno, jako vnější silové vedení pomoci AlFe lan (hliník, železo). Di s tribu čn í ved en í zabezpečuje přenos 22 KV napěťové hladiny po oblastech jako jsou - města, vesnice, až k napájecí stanici (transformovnu). Je realizováno jako vnější silové vedení (AlFe lana) nebo kabelové vedení (CYKY). Závisí to od složitosti terénu a struktury inženýrských sítí. Vn ějš í ved ení (sil ové), jsou zařízení na přenos elektrické energie postavené nad zemí (s výjimkou základů a uzemnění). Hlavní části vnějších silových vedení jsou: -
stožár
- vodiče
-
základy
- izolátory
-
zemnění
- zemnící lana
Kab elové ved en í se používá tam, kde je montáž vnějšího vedení nemožná nebo velmi náročná. Taktéž se používá ve městech zejména z bezpečnostních důvodů. Kabelové vedení je vedeno v zemi a trasa je vyznačená žlutými tabulkami s informací o napěťové hladině. Vnit řní vedení j e tvořeno: o o o
vnější přípojkou HDV - hlavním domovním vedením vnitřní elektroinstalací
41
4.3 Výroba a zpracování materiálů pro elektrotechniku V elektrotechnice a zejména elektronice naprosto převládá použití neželezných kovů před ocelemi. Důvodem je velká elektrická vodivost řady neželezných kovů, větší odolnost vůči korozi a dobrá pájitelnost. Některé neželezné kovy (nikl, měď, kovy s vysokým bodem tání) mají výborné vlastnosti pro použití ve vakuové technice. Neželezné kovy se dodávají ve formě plošných tvarů, tyčí, drátů a profilů. Z plošných tvarů se dnes výroba koncentruje zejména na pásy. Plošné tvary mají následující charakteristiky:
Plech - plochý, pravoúhlý rovinný výrobek, jehož délka je menší než sedminásobek šířky a tloušťka t ≥ 0,1 mm.
Fólie - pás o tloušťce t ≤ 0,1 mm, dodávaný ve svitcích.
Pás - výrobek, jehož t ≥ 0,1 mm, dodávaný ve svitcích.
Pruh - plochý, pravoúhlý výrobek, jehož délka je minimálně sedminásobek šířky a tloušťka t ≥ 0,1 mm.
Deska - plochý, pravoúhlý výrobek o tloušťce t > 25 mm.
Anoda - plochý, pravoúhlý výrobek o tloušťce od 5 do 25 mm válcovaný za tepla.
Profilový pás - má po délce odstupňovanou tloušťku.
Tyč - válcovaný tvar, který dodává v rovném stavu (pro kovy s vysokou teplotou tání je minimální průměr 0,8 mm).
Drát - válcový tvar, který se dodává ve svitcích nebo na cívkách (pro kovy s vysokou teplotou tání maximální průměr 0,8 mm). Pro dráty o velmi malém průměru se často používá výraz mikrodrát. Obrázek 4.14 Schéma odlévání drátů systémem Contiod
1 – dávkovač, 2 - pásový krystalizátor, 3 – roztavená měď, 4 – vzduch, 5 – zásobník taveniny, 6 – vodní chlazení, 7 – drát.
Měď a její slitiny Měď a její slitiny používá lidstvo od nepaměti. Nejdříve se využívalo její snadné tvářitelnosti za studena i tepla a relativně snadná výroba pevnějších slitin. V období rozvoje parních strojů se začalo využívat její tepelné vodivosti pro kotle a s nástupem elektrotechnického průmyslu její vynikající elektrické vodivosti. V elektronice je měď téměř výhradně používaným drátovým a fóliovým vodičem (na deskách s plošnými spoji). V mikroelektronice se jako vodičů využívá zejména zlato (uvnitř integrovaných obvodů). Slitiny mědi se používají jako kontaktní materiály (zejména kvůli pevnosti a chemické odolnosti).
42
Obrázek 4.15 Schéma výroby pásů z neželezných kovů
Obr. 1 - zásobník surovin, 2 - vakuová tavicí pec, 3 - pec na žíhání výkovků, 4 - kovací lis, 5 - frézka na výkovky, 6 - válcovací stolice za tepla, 7 - linka na odstřih hran lisování, 8 - válcovací stolice kvarto, 9 poklopová pec, 10 - brousící linka, 11 - dvanáctiválcová stolice, 12 - průběžná žíhací pec, 13 - nůžky na podélné dělení pásů, 14 - linka na balení svitků
Měděné fólie pro plošné spoje Desky s plošnými spoji jsou dnes v elektronice převažujícím spojovacím materiálem. Vodivá část je zhotovená z měděné fólie. Vyrábí se dvěma postupy, a to klasicky válcováním z ingotů nebo galvanickým vylučováním. Hlavní rozdíl mezi oběma metodami je v tom, že válcováním se snadněji vyrábějí tlustší fólie (počet průchodů válcovací stolicí je menší), zatímco galvanicky se snadněji vyrábějí tenčí fólie (fólie narůstá na katodě). V současné době je relativně vyšší spotřeba galvanických fólií. Desky plošných spojů určené pro povrchovou montáž mají měděnou fólii o tloušťce 5 m. Vyrábějí se galvanickým nanesením na vyleštěné desky z nerezové oceli. Na vyleštěnou měď se připájí izolační vrstva a celek se sejme. Ochranná fólie je plastová nebo hliníková, usnadňuje mechanické zacházení a před leptáním se odstraní. Extrémně tenká fólie urychluje leptací proces při výrobě struktur na deskách plošných spojů. Obrázek 4.16 Princip nepřetržité výroby měděné fólie galvanickým postupem
1 - galvanická vana, 2 - otáčivá katoda, 3 - měděná anoda, 4 - navíjení fólie, 5 - čerpadla elektrolytu, 6 - vyhřívací zásobník, 7 - filtrační zařízení
Výroba měděných drátů pro rozvod elektrické energie metodou Deep Forming (DF) Při tavení mědi, odlévání do kokil a žíhání polotovarů se její povrch okysličuje a obohacuje plyny. Výsledkem je pokles elektrické vodivosti a náchylnost mědi k vzniku vodíkové nemoci. Rozhodujícím polotovarem pro výrobu elektrovodných drátů, trolejových drátů, kabelových drátů a plošných vodičů jsou výchozí dráty, z kterých se tažením získává drát vhodné tloušťky. Firma 43
General Electric zavedla kontinuální metodu výroby těchto drátů krystalizací měděných katod z taveniny na nosném měděném drátě (metoda DF). Celý proces tavení mědi, krystalizace na nosném drátu a tažení probíhá pod ochrannou atmosférou směsi dusíku, oxidu uhelnatého a vodíku, takže výrobek má dokonce nižší obsah kyslíku než běžná tavená měď a lesklý povrch bez oxidů. Celý proces je automatizován a vyznačuje se vysokou produktivitou. Drát má konstantní velkou elektrickou vodivost (rezistivita je 16,90.10-9 s chemickou čistotou 99,99% Cu), na rozhraní krystalů nejsou stopy oxidů a má pravidelnou a jemnou strukturu zrn v mikrostruktuře. Princip výroby je uveden na následujícím obrázku. Obrázek 4.17 Schéma výroby měděných drátů metodou krystalizace na nosném drátě
1 - katody, 2 - tavicí pec, 3 - krystalizátor, 4 - jádrový drát, 5 - průvlak, 6 - frézka, 7 – přivaděč jádra, 8 - chladič, 9 - tahová rovnačka, 10 - tažné zařízení, 11 - chladič, 12 – tahová rovnačka, 13 - navíječka, 14 - sklopný stůl
UŠLECHTILÉ KOVY Tento název je výstižnější než starý název „drahé kovy“, zejména v elektronice, kde se často používají kovy podstatně dražší, než je třeba zlato. Skupina ušlechtilých kovů je přesně vymezena. Patří sem zlato, stříbro a platinové kovy nazývané také platinoidy a jejich slitiny. Pro elektroniku je to velmi významná skupina, svědčí o tom i to, že se dnes elektrotechnický a elektronický průmysl podílí na celkové spotřebě ušlechtilých kovů asi 40%. Díky explozívnímu rozvoji elektroniky a informačních technologií, spotřeba ušlechtilých kovů v tomto průmyslovém odvětví neklesá. Existují mikroelektronické součástky označované jako součástky prosté drahých kovů. Obsahují většinou přesto zlato ve formě spojovacího mikrodrátu, i když zlatá pájka a povlak drahého kovu na přívodech byly nahrazeny jinými látkami. Velká spotřeba ušlechtilých kovů v elektronickém průmyslu má závažné národohospodářské důsledky v tom, že na rozdíl od ostatních uživatelů neexistuje forma vracení drahých kovů od obyvatelstva. Jakmile dojde k poškození šperku, odprodá se a tím se vrací do koloběhu. Totéž platí o drahých kovech používaných v zubní protetice nebo o stříbru používaném ve fotografii. Ušlechtilé kovy jsou v elektronických přístrojích a zařízeních rozptýleny do tak tenkých povlaků, že sběr a zpracování je velice obtížné. Zlaté mikrodráty Jsou nejhojněji používaným materiálem při výrobě mikroelektronických součástek. Slouží k propojování polovodičových čipů s vnějšími přívody. Jsou oblíbeny pro své výborné antikorozní vlastnosti a pro snadné připojování k ostatním kovům. Na straně čipu jde o hliníkový povlak, na straně souboru přívodů o zlatý nebo stříbrný povlak.
44
Obrázek 4.18 Termokompresní spoj zlatého mikrodrátu s hliníkovou vodivou vrstvou integrovaného obvodu.
Zdroj: HP - Ponický
Tloušťka mikrodrátu průměru 25 m, zvětšení 500x REM Obrázek 4.19 Napájený čip na soubor přívodů pájkou AuSi a propojený zlatými mikrodráty
Zdroj: HP - Ponický
Se všemi těmito kovy se zlato snadno spojuje termokompresí. Tento spoj se obejde bez použití tavidel, provádí se pouze působením síly a zvýšené teploty. Síla je okolo 0,9 N a teplota 360°C. Zlato je nepostradatelné, použije-li se jako pouzdřící materiál plast. V případech, kdy je mikroelektronická součástka pouzdřená do kovového nebo keramického obalu, není zlato bezpodmínečně nutné. Používá se i mikrodrát ze slitiny AISi, ale zlatu se dává přednost, když je požadována větší spolehlivost výrobku. Výchozí surovinou pro výrobu zlatých mikrodrátů je zlato čistoty 5 N (tj. 99,99999% Au). Aby se zvýšila pevnost drátů za zvýšených teplot a zmenšil rozptyl v tažnosti, dopují se záměrným přídavkem mikrolegur Be, Pd, Pd a Y. Obrázek 4.20 Princip funkce válcovací stolice na výrobu pásů s velmi úzkými tolerancemi na tloušťku (0,002 mm)
a) systém Krupp (chlazené válce), 1 - válcovaný pás, 2 - chlazení, 3 - nastavování válců, 4 - kontrolní válec, b) systém Sundwig (dělené válce), .1 - válcovaný pás, 2 - stavitelné dělené válce, 3 - kontrolní válce.
45
SPECIÁLNÍ OCELI Z ohromného sortimentu ocelí využívá elektronický průmysl pouze nepatrnou část, a to převážně druhy speciálně vyvinuté pro tento průmysl. Důvodem je okolnost, že nejdůležitější vlastností oce1í, je vysoká pevnost a tvrdost, se v elektronice nevyžadují tak striktně. Tento případ nastal při výrobě barevných obrazovek, které jsou dnes rozhodujícím uživatelem výrobků černé metalurgie z celého oboru. Železo se vyznačuje výbornými magnetickými vlastnostmi, a proto se pro tento účel hojně používá. Jde opět o speciálně vyvinuté oceli, z nichž se v elektrotechnice nejvíc používají křemíkové oceli.
MONOKRYSTALY Do této skupiny zahrnujeme objemové a povlakové monokrystaly. Objemové monokrystaly se po vyrobení člení na plátky, hranoly, tyče, válečky, čočky nebo se do nich vrtají otvory podle požadavků na budoucí použití. Povlakové monokrystaly se připravují epitaxně na podložkách (substrátech), které jim udělují potřebnou tuhost. Substrát musí být také monokrystalický se stejnými nebo aspoň podobnými mřížkovými konstantami. Nepožaduje li se tak vysoká čistota, ale důležité je potlačení mřížkových poruch. Pokud má podložka a epitaxní vrstva stejné složení, mluvíme u homoepitaxi, pokud je chemické složení substrátu a vrstvy odlišné, jedná se o heteroepitaxii. Do první skupiny patří například soustava křemík-křemík, do druhé safír-křemík. Z fyzikálního hlediska je tato skupina materiálů přísně vymezena, z praktických důvodů se jednotlivé druhy monokrystalů zařazují podle zdůrazněných vlastností do příslušných skupin. Pak mononokrystaly s polovodivými vlastnostmi zahrnujeme do skupiny polovodičů, monokrystaly s extrémní tvrdostí do skupiny minerálů a technických kamenů, s magnetickými vlastnostmi do skupiny magnetických materiálů, s feroelektrickými vlastnostmi do skupiny feroelektrik. Ve skupině monokrystalů zůstávají pouze látky, které do těchto skupin nelze zařadit. Jsou to monokrystaly pro scintilační techniku, pro iontové selektivní elektrody a optické monokrystaly. Příprava monokrystalů ze stechiometrické taveniny Obrázek 4.21 Schéma zařízení na tažení monokrystalů podle Czochralskiho s odporovým ohřevem kelímku
Czochralskiho metoda (CZ) Postup je vhodný pro tažení látek, které lze roztavit v kelímku z určitého materiálu. Polykrystalická látka se umístí do kelímku, roztaví odporovým nebo vysokofrekvenčním ohřevem nad bod tání a ponoří se do ní za stálého otáčení vyříznutý monokrystalický zárodek upevněný na otáčivé a vysunovací hřídeli. Po vyrovnání teplot se nastaví konstantní teplotní gradient, který je způsoben ochlazováním zárodku umístěného na hřídeli, a za stálého otáčení se krystal táhne z taveniny. Kelímek se většinou také otáčí, čímž se dosáhne stálejších tepelných poměrů. Tímto postupem je možné připravovat monokrystaly od bodu tání 30oC (galium). Horní hranicí je tepelná odolnost materiálu kelímku. Křemenný kelímek umístěný v grafitovém loži snese teplotu 1420°C (křemík) až 1467°C (GaP), platinový 1769 °C, iridiový 2 454°C. Czochralskiho postup je nejrozšířenější metodou pro výrobu monokrystalů polovodičů.
1 - tavonina s monokrystalem, 2 - zárodek, 3 - křemenný kelímek, 4 – grafitový blok, 5 hřídel pro otáčení a vysunování krystalu, 6 - hřídel pro otáčení kelímku
46
Obrázek 4.22 Schéma zařízení na přípravu monokrystalů letmou zónou (FZ) - zakreslen postup s vysokofrekvenční cívkou vně zařízení
Příprava monokrystalů letmou zónou (FZ)
Postup je vhodný pro přípravu monokrystalů látek, které reagují s materiály kelímku. Označuje se také jako bezkelímkový postup. Polykrystalická tyč je umístěna vertikálně a uchycena do dvou hřídelů, které se mohou pohybovat různými obvodovými rychlostmi. Pomoci vysokofrekvenční cívky se roztaví úzká oblast, nataví se monokrystalický zárodek a zóna se pomalu posouvá, čímž se celá tyč převede na monokrysta1. Celý prostor je hermetizován (těsně uzavřen). Existují dvě modifikace metody. Při první je cívka umístěna uvnitř křemenné trubice a intenzívně chlazena, při druhé je cívka vně křemenné trubice. Zařízení pro přípravu monokrystalů metodou FZ je obdobné zařízení pro zonální rafinaci letmou zónou. 1- polykrystalická část ingotu, 2 - monokrystalická část ingotu, 3 - roztavená zóna, 4 - křemenná trubice, 5 - vysokofrekvenční cívka.
Obrázek 4.23 Schéma krystalizátoru pro beztlakovou přípravu monokrystalů z vodných roztoků podle Walkera a Kohmana
1 - monokrystaly, 2 - živná surovina, 3 - roztok, 4 - filtr, 5 - čerpadlo, 6, 7, 8 - topení, A - krystalizátor, B - sytič, C - vyrovnávací nádrž
4.4 Výroba mikroelektronických součástek. Součástky a díly elektrotechnických zařízení tvoří co do objemu největší část průmyslu elektrotechniky. Zejména v oblasti elektroniky (investiční, řídicí systémy, informační a komunikační technika, spotřební, signálová, akustická elektronika apod.) je portfolio součástkové základny obrovské. Není možno věnovat se všem, proto byl udělán velice stručný výběr, zaměřený zejména, na prvky se kterými se denně setkáváme, tj. výběr součástkové základny mikroelektroniky. Na obrázcích jsou ukázky některých součástek:
47
Obrázek 4.24 Hybridní integrovaný obvod WF 241 270
1 - vodivé dráhy, 2 - rezistorové vrstvy, 3 - drátový spoj, 4 - vsazovaný kondenzátor, 5 - vsazovaná dioda, 6 - dielektrická krycí vrstva, 7 - vsazovaný monolitický integrovaný obvod, 8 - stopa po trimování resistoru laserem.) Délka keramické podložky je 31 mm, Zdroj: HP - Ponický
Obrázek 4.26 DlP (dual in-line paclcage) přepínač s dvánáctimístním polem
Obrázek 4.25 Dvouosový osazovací automat (právě chapadla umisťují integrovaný obvod do kontaktní patice),
Zdroj: Katalog elektronických součástek
Technologie výroby PN přechodu polovodičů Nejvýznamnějšími technologickými postupy, které zatím byly vyvinuty k zhotovování plošných přechodů PN, jsou slévání a difúze (včetně některých modifikací difúzního procesu, jako je planární technologie a epitaxní růst). Tyto základní technologické postupy jsou na následujícím obrázku 4.27. V druhé polovině 20. století se prosazuje technologická metoda nazývaná iontová implantace, která je v mnoha případech výhodnější nebo někdy dokonce jedinou možnou technologií výroby. Výčet těchto technologií je: Slévání (obr. 4.27a). Na základní destičku monokrystalu, např. typu N, se uloží (může být nanesen napařováním) dopující materiál (např. Al) a v peci s ochrannou atmosférou se ohřívá na teplotu nepatrně vyšší, než je eutektická teplota (asi 580C pro systém Al-Si). Dopující materiál se roztaví a křemík se v něm začne rozpouštět. Při opětném ochlazování polovodiče až na okolní teplotu dochází k rekrystalizaci. Z kapalného roztoku polovodiče v dopujícím materiálu se odděluje tuhá fáze polovodiče obohacená atomy příměsí, vzniká dopovaná oblast P na substrátu N a mezi oběma oblastmi plošný přechod PN (slitinový).
48
Obrázek 4.27 Základní technologické postupy při zhotovení plošných PN přechodů
Nakonec ztuhne legující přísada a přechod se opatří ohmickými kontakty. Tvar a hloubka plochy dopované oblasti jsou kriticky závislé jak na teplotě, tak na době trvání celého metalurgického cyklu, a rovněž na množství slévaného materiálu. Jeho množství u této metody vytváří požadovaný koncentrační profil a hloubku přechodu, jeho větší množství však činí značné potíže. Lepších výsledků lze v tomto směru dosáhnout difúzní metodou. Difúze (obr.4.27b). U této technologie vzniká přechod při difúzi aktivních příměsových látek do krystalové mřížky polovodiče z plynné fáze. Vzhledem k malým hodnotám difúzních koeficientů aktivních příměsí je nutné počítat
s vysokými difuzními teplotami (mezi 900 až 1400C asi 100 až 200 stupňů pod teplotou tavení). Difuzní proces se řídí tzv. Fickovými zákony difuze. Tato technologie umožňuje lépe ovládat elektrické vlastnosti přechodu. a) slitinová technologie, b) difuzní mesa, c) difuzní planární, d) difuzní planární na epitaxní podložce
Planární technologie (obr. 4.27c) je modifikací difuzního postupu, který se používá zejména k výrobě diod a tranzistorů. Základní křemíková destička se opatří ochrannou oxidovou vrstvičkou (provádí se v ochranné kyslíkové atmosféře, nebo atmosféře vodních par) při teplotě 1200 C. Potom se vyleptá otvor, kterým se do krystalu nadifundují patřičné příměsi a na rozhraní vznikne PN přechod, který se na konec opatří kovovými kontakty. Epitaxe (obr.4.27d) je další modifikací aplikace difuze. Podstatou epitaxe je „ukládání“ křemíkových atomů na Si podložku tak, že nově epitaxně vytvořená vrstva je rovněž monokrystalická se stejnou krystalovou orientací (PN přechod má velké závěrné napětí), kde epitaxní N vrstva má velký měrný odpor a v ní jsou difuzní akceptory vytvářející přechod. Planárně epitaxní technologie je kombinací obou předcházejících technologických postupů a je dnes nejpoužívanější. Příměs typu P se modifikuje vrstvičkou oxidu křemíku SiO2. Izolační ostrůvky na monolitických obvodech Na substrátu s vodivostí typu P se nanese slabě dotovaná epitaxní vrstva s vodivostí typu N. Na epitaxní vrstvě se oxidací vytvoří vrstva Si02, v ní se fotolitograficky vytvoří otvory v místech budoucích izolačních kapes. Difúzí bóru o velké koncentraci a do velké hloubky se vytvoří oblasti s vodivostí P+ (dotované do degenerace), které projdou celou tloušťkou epitaxní vrstvy až do substrátu. Tam, kde izolační kapsa pronikne do substrátu, zmizí PN přechod. Izolační kapsa je tedy ohmicky spojena se substrátem a izolační ostrov je celý obklopen nepřerušeným PN přechodem. Pro zajištění elektrického oddělení ostrova od substrátu a od celého okolí tedy stačí, aby potenciál izolačního ostrova nikdy nebyl kladnější než potenciál substrátu.
49
Obrázek 4.28 Přehled technologických operací používaných při přípravě fotodiody Hg1-x, CdxTe planární technologií.
Obrázek 4.29 Izolační ostrov N vytvořený epitaxně planární technologií
I při nulovém potenciálním rozdílu mezi ostrovem a substrátem ještě stále existuje potenciálová bariéra, vestavěná v přechodu PN, takže pro dokonalou izolaci zpravidla stačí, aby substrát byl spojen s nejzápornějším pólem napájecího zdroje. Metoda vytváření izolačních ostrovů difundovanými izolačními kapsami v planárně-epitaxní struktuře má ovšem i nevýhody. Většina z nich je spojena s některými parazitními jevy, jichž se izolační přechod PN přímo či nepřímo účastní. Podrobnější popis je součástí výkladu funkce jednotlivých typů integrovaných obvodů. Bipolární integrovaný planárně-epitaxní vertikální tranzistor Vertikální bipolární planárně-epitaxní tranzistor integrovaného typu je nejsložitější masově vyráběnou součástkou monolitických integrovaných obvodů. Je však jednou z nejpočetnějších součástek. Na obr. 4.30 je schematicky popsán celý postup výroby, včetně epitaxe ve směru shora dolů. Tzv. utopená, někdy nazývaná též stínová vrstva, která slouží jako místo s největší vodivostí, proto je dopována až do degenerace. Po difúzi utopené vrstvy je však struktura obvodu podrobena ještě velkému počtu vysokoteplotních operací, které mají za následek, že utopená vrstva má tendenci "rozdifundovat se" zpět, směrem vzhůru do epitaxní vrstvy a proto se na dopování používají jiné atomy jako v zbylých částech přechodu.
50
Obrázek 4.30 Postup operací při výrobě bipolárního tranzistoru NPN planárně epitaxní technologií s utopenou vrstvou N+
CMOS technika (integrované obvody) Poprvé v roce 1967 byl firmou RCA předveden obvod postavený na technologii vycházející z dvojice symetrických tranzistorů MOS, pod označením COSMOS, nebo častěji CMOS. Při 3. kroku se odleptají otvory pro difúzi N +. Současně jsou vytvořeny rovněž zábrany parazitního kanálu N+. Kritickým krokem při výrobě zapojení COSMOS je vytvoření oxidu hradla (4. krok). Po difúzi N+ se odleptají otvory v oblasti hradla a v prostorech pro kontaktování. V následujícím oxidačním procesu naroste na těchto plochách oxid o síle 0,1 μm. Tato vrstva musí být znovu odleptána z ploch pro kontaktování. Potom následuje pokovení celé plochy zapojení a dále odstranění kovu v místech nepotřebných. Řez hotovým výrobkem je potom na obr. 4.31 (5. krok). Jedním ze základních stavebních kamenů CMOS je invertor, který má proti invertoru MOS v klasickém zapojení zejména nižší příkon a vyšší mezní kmitočet.
51
Obrázek 4.31 Postup výroby komplementární dvojice tranzistorů CMOS
a) tranzistory s kanálkem P, b) „channel stoper“, c) tranzistory s kanálem N
Izoplanární technologie V této technologii je kombinována dielektrická izolační metoda a metoda izolačního přechodu PN. Výsledkem je dokonalejší izolační ostrov menších rozměrů, než je klasický izolační ostrov s přechodem PN (obr. 4.31). Tato náhrada je možná pouze tehdy, jestliže se křemíkový substrát nejdříve maskuje nitridem křemíku Si3N4, který je stálý proti oxidaci. Potom se provede selektivní oxidace nepokrytých ploch krystalu křemíku. Vzniklá vrstva oxidu může být velmi silná, čímž se sníží parazitní kapacity; slouží jednak k vzájemné izolaci jednotlivých systémů a dále k izolaci báze a přívodu ke kolektoru. Další postup výroby je shodný s bipolárním planárně-epitaxním tranzistorem. Obrázek 4.32 Tranzistor v epitaxně planárním provedení
Obrázek 4.33 Izoplanární tranzistor
Izoplanární technologie přináší tyto výhody: 1. Zmenšení plochy čipu asi o 40 %. Tohoto zmenšení je v podstatě dosaženo tím, že báze izoplanárního tranzistoru je izolována proti přívodu ke kolektoru oxidu křemíku. 2. Zjednodušené maskování - samomaskovací proces. Protože je použitá maska nitridu křemíku, lze ji použít pro následující difúzi a podle potřeby ji potom leptáním odstranit. Rovněž nastavení masek není příliš kritické, protože báze i kolektor mohou dosahovat až k hranici oxidu.
52
4.5 Montáž v elektrotechnice a montáž v mikroelektronice. Výrobky, které vznikají v procesech elektrotechnické montáže, jsou velice časté a například elektromotor je základní pohonnou jednotkou většiny strojů a dnes i motorových vozidel. Vedlejší obrázek ukazuje výkonné reproduktory s efektivním využitím feromagnetického principu pro akustickou techniku. Obrázek 4.34 Vlevo elektromotor, vpravo reproduktor jako produkty montážní technologie
Ilustrační obrázky.
4.5.1 Technologie povrchové montáže Základním principem technologie povrchové montáže (Surface Mount Technology - krátce označovaná SMT) je způsob osazování a pájení součástek na kontaktní plochy vytvořené na substrátu (např. desce plošných spojů) ze strany součástek, namísto osazování do děr, kde byly pájené spoje prováděny na opačné (tedy spodní) straně desky. Součástky pro povrchovou montáž (Surface Mounted Devices - krátce zvané SMD) se vyvíjely s postupem času nejprve v sortimentu pasivních komponent pro technologii hybridních integrovaných obvodů na keramických substrátech. S postupem času se začaly objevovat také nové typy pouzder pro aktivní prvky a v současné době jsou k dispozici kompletní řady součástek jak pasivních (rezistory, kondenzátory, cívky, trimry), tak i aktivních (tranzistory, integrované obvody, diody) včetně různých typů univerzálních pouzder. Charakteristické pro tyto součástky je řešení vývodů přizpůsobené k vytvoření pájeného spoje technikou pájení přetavením, což přináší i nový pohled na tvary pájených spojů. Jsou dva základní směry aplikace tohoto způsobu montáže, podle materiálu nosného substrátu. Ten může být realizován jako: 1. Substrát z anorganických především keramických materiálů. 2. Substrát z organických materiálů, především na bázi laminátu. Zásadní obrat v montážních technologiích nastal s osvojením a zavedením do sériové výroby kvalitativně nové technologie pájení přetavením (Reflow Soldering). Pájka je nanášena v pastovém stavu na kontaktní plošky předem, buď sítotiskem nebo dávkovačem / dispenzerem. Potom jsou osazovány součástky (pájka vykonává při této operaci funkci lepidla) a nakonec je celý substrát ohřát na teplotu, která zajistí přetavení pájky, a tím vytvoření všech pájených spojů v jediném technologickém kroku. Vzhledem k tomu, že ne vždy máme k dispozici všechny součástky v provedení pro povrchovou montáž (např. transformátory nebo tlumivky, výkonové spínací prvky apod.), může být kombinováno pájení přetavením s ručním pájením, jak se děje u jednostranné a oboustranné klasické montáže. Na desku s povrchově montovanými součástkami jsou dodatečně zapájeny většinou do děr ruční pájkou tyto další součástky. 53
U složitějších obvodů se často používá smíšená montáž. Zde jsou použity oba typy součástek, je nutné použít také kombinace pájení přetavením s pájením vlnou. Zde jsou možné různé postupy, ale nejčastějším provedením je nejprve pájení přetavením jedné strany substrátu a potom pájení vlnou druhé strany substrátu jako závěrečná operace. Tyto tři příklady zdaleka nezahrnují všechny možnosti kombinace technologických postupů, jež se obvykle přizpůsobují typu výrobku, použitým součástkám a příslušným technologickým možnostem. Aplikace povrchové montáže s sebou přináší celou řadu nových aspektů jak při návrhu obvodů, tak i při jejich realizaci. Povrchová montáž byla nejprve využívána u hybridních integrovaných obvodů (na keramických substrátech) a teprve s postupem času se rozšířila na desky plošných spojů, kde zaujala zcela dominantní postavení. Obrázek 4.35 Základní možnosti aplikace povrchové montáže
a) povrchová montáž doplněná součástkami s drátovými vývody, b) smíšená oboustranná montáž s použitím ručního pájení po pájení přetavením, c) smíšená oboustranná montáž s použitím pájení přetavením a pájení vlnou
4.5.2 Možnosti a hranice současné technologie Je velmi obtížné definovat přesně hranice možností v montážních technologiích. Existuje mnoho různých faktorů, z nichž pro každou aplikaci má každý z nich rozdílný význam. Ukazuje se být nezvratnou skutečností nevyhnutelnost další miniaturizace součástek při neustálém zvyšování spolehlivosti a kvality. I když ve výrobním procesu nachází stále většího uplatnění automatizace, sehrává i nadále významnou a velmi podstatnou roli lidský faktor. Jeho způsobilost je integrována do všech souvisejících oblastí, nejen výrobně-technologických (zejména v oblasti testování a oprav), ale i marketingové a obchodní.
54
Okruhy technologických požadavků v mikroelektronice je v současné době možné rozdělit na několik skupin, z kterých nejvýznamnější jsou: a) Mechanicko-fyzikální požadavky, b) Technologie pájení, c) Požadavky na propojování a pouzdření. Mezi základní mechanicko-fyzikální požadavky patří přesnost ve vztahu k součástkám (rozměry a rozteče vývodů), ale také k jejich osazování (stále rostoucí požadavky na zařízení úměrné zmenšujícím se rozměrům součástek). Rostoucí počet vývodů a jejich stále menší rozteče vyžadují navíc zvýšenou pozornosti při manipulaci, neboť zde existuje mnohem větší riziko poškození. Výkonové zatížení vázané na nejvyšší dovolenou teplotu rovněž úzce souvisí na jedné straně s miniaturizací a hustotou montáže součástek, ale na druhé straně také s používanými typy materiálů, což se může výrazně projevit v konečné spolehlivosti a životnosti. Hranice v oblasti pájení je třeba hledat i v samotné podstatě této metody, jež je založena na vytvoření definovaného tvaru pájeného spoje v důsledku vznikajících povrchových napětí v pájce. S tím pak souvisí fyzikální omezení dané stále se zmenšujícími rozměry pájených spojů. Desky plošných spojů Nosné organické substráty tvoří jednu ze základních a nezbytných částí při konstrukci elektronických obvodů a systémů. Obvykle jsou tvořeny jednak nosnou částí (izolačním materiálem) a dále vodivou vrstvou (nejčastěji Cu). Ta slouží nejen pro vytvoření vodivé sítě propojení, ale také k realizaci pájecích ploch určených pro vznik pájených spojů. Měděná fólie se vytváří elektrolytickým nanášením na nerezových bubnech a vyznačuje se vysokou čistotou Cu (99,5 %). Dosažení dobré adheze na izolační substrát (laminát) je podmíněno úpravou povrchu anodickou oxidací. Navíc musí vykazovat dostatečnou pružnost, aby nedocházelo k praskání spojů při prohnutí substrátu. Je zřejmé, že substráty se podílí výrazným způsobem na výsledných parametrech realizovaného elektronického celku. Zvláště je třeba si uvědomit tu skutečnost, že svými vlastnostmi a chováním ovlivňují celkovou spolehlivost systémů. Hlavní požadavky spojené s jejich výběrem a také nutnost přizpůsobit jejich konstrukční možnosti neustálému snižování rozměrů součástek na jedné straně a zvyšování složitosti systémů na straně druhé můžeme vyjádřit takto: možnost realizovat velmi úzké vodiče (v devadesátých létech klesá z celosvětového pohledu procentuální podíl DPS s vodiči o šířce 200 μm a narůstá podíl DPS s vodiči o menších šířkách; začínají se stále více používat substráty s šířkou vodičů < 100 μm), všeobecné zvětšování plochy substrátu, zlepšování tepelné vodivosti (schopnost vyzářit co nejvyšší ztrátový výkon), zlepšování fyzikálních vlastností jako např. mechanických, chemických, tepelných, elektromagnetických, možnost realizace vodičů s definovanou impedancí (pro přenos stále rychlejších signálů), snížení permitivity a ztrátového činitele, cena vůči celému systému (pohybuje v průměru kolem 3%).
55
Již řadu let jsou nejrozšířenějším typem substrátu používaným v montážních technologiích desky plošných spojů (DPS), jejichž nosnou část tvoří organické materiály nejčastěji na bázi laminátů. Obvody realizované tímto způsobem jsou pak označovány ve světě krátce PCB (Printed Board Circuits). Organické substráty Za perspektivní je možné označit tři nejpoužívanější typy materiálů pro plošné spoje, všechny se samozhášivým účinkem, jež jsou označovány FR-2 (vrstvený papír tvrzený fenolickou pryskyřicí), FR-3 (vrstvený papír tvrzený epoxydovou pryskyřicí) a především FR-4 (skelná tkanina tvrzená epoxidovou pryskyřicí). Vlastní realizace desek plošných spojů je uskutečňována z hlediska postupu vytváření vodivé sítě dvěma metodami, jež jsou nazývány subtraktivní a aditivní. V praxi výrazně převažuje subtraktivní způsob, založený na odleptávání vodivé vrstvy přes masky zhotovené fotolitografickou technikou. Tato technika je všeobecně dobře zvládnutá a umožňuje řešit i poměrně složité propojovací obrazce. Podíl desek plošných spojů vyrobených aditivním způsobem (postupné chemické nanášení vodivých spojů, bezproudově nebo chemicko-galvanickým způsobem). Dnes je velký nárůst počtu desek plošných spojů vyrobených aditivním způsobem, především v souvislosti s výhodami této metody při realizaci miniaturních struktur a stále se zvyšující podíl vícevrstvých plošných spojů. Příklad takového substrátu se šesti vrstvami je na obrázku 4.35. Vnitřní vrstvy jsou propojeny prokovenými otvory. Obrázek 4.36 Řez deskou plošného spoje sestávající z šesti vrstev
Miniaturizace v elektronice si vynucuje i zmenšování tolerancí. Mezi nejdůležitější parametry, které rozhodují o kvalitě návrhu desky s plošnými spoji jsou: rozlišení VODIČ/MEZERA (začínalo se někde na 150 μm a dnes je tato vzdálenost 50 až 70 μm), průměr pájecích plošek (zajištění spolehlivého spoje na průměru 0,25 mm), průměr děr (od 0,25 mm, ale tendence je užití menších rozměrů od 0,15 mm po 0,05 mm), maximální rozměrové tolerance (od obecně platných 0,05% přecházet na hodnoty od 50 do 30 μm) Důležitým výrobním faktorem je cena, která je závislá jak od použitého materiálu a provedení desky (nejlépe kompilace velikého množství součástek a tím pádem návrh vícevrstvé DPS), ale i způsobu a podmínek výroby (zajímavé je jak rozdílná je cenová politika v Evropě a USA a Asii, kde jsou podstatně levnější složitější vícevrstvé DPS jako v Evropě).
56
Pájení rozměrově malých součástek usnadňuje použití nepájivé masky. Ta je vytvořena nanesením izolační vrstvy (fotocitlivé nebo dvousložkové materiály) do míst, kde je nežádoucí přítomnost pájecí pasty. To zabraňuje tvoření vodivých můstků (zkratů) mezi pájecími ploškami a vedenými spoji. Vzhledově se nepájivá maska pozná na desce plošných spojů podle svého barevného odstínu. Důležitou součásti montáže je měření a kontrola (viz následující dokumentační obrázky). Obrázek 4.37 Měření křivek rovnovážné sočivosti
a) testování zavěšeným vzorkem, b) testování mikrosmáčivosti pro součástky SMD, c) pohled na přístroj MUST II
57
Obrázek 4.38 Měření iontového znečistění substrátů
a) měřič iontových nečistot CM20, b) průběh naměřených hodnot na desce plošného spoje
Lepidla a jejich použití V případě pájení vlnou je nezbytné součástky SMD lepit na desky plošných spojů na rozdíl od pájení přetavením, kde pájecí pasta přidržuje součástky na substrátu až do okamžiku vytvoření spoje. Lepení součástek přichází v úvahu také v některých případech oboustranně osazených desek určených pro pájení přetavením. To není jediný případ použití lepidel v montážních technologiích. Dnes je významní použití vodivých lepidel, majících na substrátu stejnou funkci jako pájené spoje, tj. za účelem vytvoření vodivých spojů. Konečně tato lepidla jako vodivé tmely a jsou známy také z technologie hybridních integrovaných obvodů, kde se již dlouho používají pro lepení čipů. Lepidla pro mikroelektroniku rozdělujeme do různých skupin podle jejich určení, základní dělení je následovné:
Lepidla nevodivá (především pro fixaci součástek). Lepidla vodivá (pro vodivé spoje).
58
Lepidla musí splňovat řadu požadavků, které jsou obsaženy v jejich specifikaci. Patří sem především:
jednosložkový systém z důvodu snadného používání, dlouhodobá skladovatelnost, dostatečná doba pro zpracování (konstantní viskozita co nejdelší dobu), krátký čas pro zasušení na co nejnižší teplotě, dobré elektrické vlastnosti (nevodivost či vodivost), chemická odolnost, odolnost vůči teplotám při pájení, ekologická bezpečnost (netoxicita, nehořlavost).
Nejpoužívanější typy NEVODIVÝCH LEPIDEL jsou: Epoxydové pryskyřice (dvousložkové), sestávající z pryskyřice a tvrdidla; vytváří po smíchání a vytvrzení při zvýšené teplotě polymerní strukturu termosetového charakteru s vynikajícími mechanickými a elektrickými vlastnostmi; Silikonové materiály (jednosložkové i dvou složkové) označované někdy také RTV (Room Temperature Vulcanizing) se vytvrzují při pokojové teplotě; proto je nutné skladovat je při snížené teplotě, nebo použít dvousložkový systém, jenž se po smíchání rychleji vytvrdí; v povrchové montáži jsou používány velmi často. Akrylátová a epoxydová lepidla pro vytvrzování UV zářením (jednosložková), prodlužují dobu zpracování před použitím, však u složitějších obvodů může dojít ke stínění UV záření, a tím i k nedostatečnému vytvrzení; proto se u některých typů kombinuje vytvrzování UV zářením s teplotou; kapky je třeba umísťovat na hrany součástek, aby mohlo dojít k přímému ozáření lepidla. VODIVÁ LEPIDLA Tvoří samostatnou skupinu. Vodivá lepidla postupně nahrazují pájené spoje. Jsou tvořeny polymerním nosičem (epoxid, polyamid nebo polyuretan) s kovovým plnidlem zajišťujícím elektrickou a tepelnou vodivost (Ag, Au, Ni, Cu apod.). Obsah kovové části je od 0 do 30 objemových % (což je 85 váhových %). Jejich měrný odpor je o málo vyšší než u pájeného spoje a prozatím je i cena v porovnání s pájením vyšší. Na obr. 36 jsou naznačena základní kritéria pro nanášení lepidla při lepení součástek pro povrchovou montáž na desku plošného spoje. Objem a výška kapky lepidla musí splňovat dva protichůdné požadavky: výška musí být dostatečná pro přilnutí lepidla k součástce, lepidla nesmí být nadbytek, aby nedošlo ke znečištění okolních pájecích ploch. Obrázek 4.39 Stanovení kritérií pro výšku kapky při lepení součástek pro povrchovou montáž
59
Ideální případ nastane, když se součet výšek obou metalizací (A + B) blíží výšce kapky C. Osazování součástek SMD přináší oproti osazování klasických součástek s drátovými vývody následující výhody:
větší prostor pro standardizaci pouzder, jednodušší a technicky méně náročné zařízení, snadnější manipulaci se součástkami, montáž s větší hustotou součástek, snížení nákladů na realizaci desek plošných spojů, možnost použití jiných substrátů (keramika, kovové glazované apod.). Obrázek 4.40 Znázornění principu osazovacího procesu Pick and Place
Osazování součástek SMD přináší oproti osazování klasických součástek s drátovými vývody následující výhody:
větší prostor pro standardizaci pouzder, jednodušší a technicky méně náročné zařízení, snadnější manipulaci se součástkami, montáž s větší hustotou součástek, snížení nákladů na realizaci desek plošných spojů, možnost použití jiných substrátů (keramika, kovové glazované apod.).
4.5.3 Osazovací zařízení Osazovací zařízení musí zajistit následující funkce, které současně tvoří základní technologické kroky průběhu této operace: a) Transport substrátů, jejich upevnění a umístění pro vsazování součástek. b) Uchycení zásobníků se součástkami a jejich přípravu k osazování. c) Vyzvednutí, vystředění a osazení součástek na substrát. Transportní část osazovacího zařízení tvoří modul, jehož funkcí je zajištění nezbytné manipulace se substrátem. Sestává z pracovních úkonů: a) b) c) d)
průběžný přísun neosazených substrátů, dopravení substrátů do definovaného pracovního prostoru, uchycení substrátů v požadované pracovní poloze, odsun osazených desek.
60
Obrázek 4.41 Možné varianty řešení transportu substrátů u osazovacích zařízení: Koncepce dopravníku v pracovní poloze
Koncepce osazovací hlavy
Bez pohybu
Pohyb ve směru os x a y
Pohyb ve směru osy x
Pohyb ve směru osy y
Pohyb ve směru osy y
Pohyb ve směru osy x
Pohyb ve směru os x a y
Pevná poloha
Zásobníky se součástkami jsou uchyceny v modulu osazovacího stroje. Funkcí modulu obsahujícího zásobníky s požadovanými součástkami je zajistit ve správném okamžiku připravenost odpovídající součástky k odebrání hlavou. Konstrukce zásobníků je závislá od způsobu balení SMD součástek. Existují následující typy zásobníků: I. II. III. IV. V.
páskové (kotoučové) zásobníky, vibrační nebo vířivé zásobníky, tyčové zásobníky, ploché zásobníky, zásobníky pro polovodičové čipy.
Obrázek 4.42 Princip mechanického podávání SMD součástek z páskového zásobníku k osazovací hlavě
a) kompletní zásobník s rámem, b) hnací ozubené kolo Obrázek 4.43 Princip Turretovy koncepce osazovacího zařízení
61
Obrázek 4.44 Osazovací zařízení "pick and place" The Point 333
Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
Jedním z podstatných rysů při pájení SMD součástek vlnou je nutnost lepení těchto součástek na substrát s pomocí lepidel. Navíc je třeba vzít v úvahu i tu skutečnost, že součástky jsou vystaveny značnému tepelnému namáhání, neboť musí projít dvojím teplotním zatížením (turbulentní a laminární vlnou)9 Obrázek 4.45 Pájení vlnou, a) testovací deska plošných spojů, b) ideální teplotní profil, pohled na pájecí vlnu ERSA EWS 330
Ponický, P.: Analýza poruch prvků elektroniky metodami a prostředky materiálového výzkumu, Habilitační práce, 1999, ČVUT Praha – TU v Trenčíne. 9
62
Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
Obrázek 4.46 Pec pro pájení přetavením s konvekčním ohřevem ERSA Hottlow 5
Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
Obrázek 4.47 Základní technologický tok montážní linky "in line" vyšší střední kategorie
1, 2 - zásobníky, 3, 4 - sítotiskové zařízení, 5,14 - dopravník, 6 - řízení dopravníku, 7 - čtení čárových kódů, 8,9,10 osazovací zařízení, 11 - řídící obsluha, 12 - pec reflow, 13 - obraceč desek, 15 - vykladač desek Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
63
Výrobní poruchy po nanášení pájecí pasty nebo lepidla První výrobní operací v procesu povrchové montáže je nanášení pájecí pasty. To je realizováno buď tiskem přes šablony nebo dispenzérem. Po nanesení pájecí pasty se provádí většinou namátková kontrola (pokud nejsou zvláštní důvody ke kontrole 100%). Sledují se poruchy na úrovni 1, jež lze rozdělit do následujících skupin (vztažnou hodnotou je celkový počet pájecích ploch, na něž byla nanesena pájecí pasta): 1) 2) 3) 4) 5)
Špatně umístěná pájecí pasta, Nadbytek pájecí pasty, Nedostatek pájecí pasty, Roztečení pájecí pasty, Rozmazání pájecí pasty.
V případě rozšíření na úroveň 2 se u jednotlivých položek sleduje původ poruchy, tj. například zda se jedná o všeobecný, náhodný nebo lokální výskyt apod. Obrázek 4.48 Pohled na opravárenské pracoviště pro montážní technologie elektroniky
Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
4.5.4 Řízení procesu povrchové montáže Výtěžnost výrobního procesu, jež se posuzuje na základě výsledků závěrečného testu, závisí na celé řadě technologických parametrů souvisejících přímo s procesem. Výrobní problémy, i když vznikají v průběhu výroby, mají někdy svůj původ v činnostech, jež vlastnímu výrobnímu procesu předcházejí. Často souvisí např. s návrhem desky plošného spoje nebo výběrem a nákupem materiálů a součástek použitých v procesu. Řízení procesu (Process Control) předpokládá, že veškeré vstupní parametry, vývojem počínaje až po výrobu, výběrem materiálů nebo součástek, jsou kontrolovány v jednom integrovaném systému. Proto, aby bylo možné proces řídit, je nutné mít k dispozici příslušná data z jeho průběhu, která lze získat měřením. Dokonce i v případě, že kvalita to nevyžaduje, je pro řízení procesu nezbytné určitá data sledovat. Při dobře probíhající výrobě to mohou být např. výsledky závěrečného testování. Na obr. 4.48 je vývojový diagram sledování procesu v závislosti na použití statistického technického řízení.
64
Obrázek 4.49 Vývojový diagram definující vývoj řízení technologického procesu
Proces je zpravidla pod statistickou kontrolou (je statisticky stabilní proces což znamená, že sledovaný/měřený parametr výrobního procesu se pohybuje v časové ose v mezích odpovídajících hranici 6 Gaussova normálního rozdělení, jak je znázorněno na obr. 46), může být rozsah odchylek sledovaných výrobních parametrů větší, než požaduje zadání. V tom případě není proces pod technickou kontrolou a je třeba provést korekce. To se může týkat výměny vstupních materiálů, předefinování požadavků, výměny dílů zařízení (např. šablony pro sítotisk) apod. Je-li proces statisticky stabilní a všechny vlastnosti výrobku odpovídají stanoveným parametrům, je další snaha směřována k neustálému snižování tolerancí. To samozřejmě vede k vyšší kvalitě, lepší výtěžnosti ve výrobě, a tím také k vyšší produktivitě. Je-li taková činnost vyvíjena systematicky s určitou pravidelností, pak se jedná o nekončící proces přinášející neustálé zlepšování kvality. Úspěšná aplikace takového postupu má dominantní vliv na růst spolehlivosti výrobků. Obrázek 4.50 Znázornění průběhu statisticky stabilního a statisticky nestabilního výrobního procesu
Zdroj: Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
65
SHRNUTÍ KAPITOLY
Energetika a elektronika jsou dvě technologické oblasti, které mají nesmírně významný vliv na život člověka dneška a limitují či akcelerují mnohá průmyslová odvětví a obory. Život bez energií si snad ani nedovedeme představit a jak je vidět ani ekologizace energetiky není všespásná, protože mimo ekologizaci výroby energií to ovlivňuje i cenu energií, což je pak záležitostí dostupnosti. Nedostupnost (neschopnost zakoupit si potřebné množství energie) se pak v konečném důsledku obrací i proti výrobcům, snížením odběrů – tj. snížením obratu i zisku, což může vyvolat stagnaci, nebo i úpadek. Pro průmysl elektroniky jsou jak energie, tak suroviny a materiály klíčovými vstupními položkami, byť žijeme ve fázi miniaturizace a nárůstu výkonnosti prvků elektroniky. Základem mikroelektroniky jsou polovodičové součástky a při jejich výrobě se užívá relativně velkých objemů ušlechtilých kovů, jejich sloučenin a slitin. Mikroelektronika je již technologicky „za horizontem“ standardních lidských schopností, pohybujeme se v mikrosvětě a k výrobě používáme „mikroskopických“ nástrojů a prostředků za vysokých i nízkých teplot. Proto jsou tyto technologie náročné i složité. Jejich fyzikální principy jsou často z oboru kvantové fyziky. Montáž miniaturních elektronických systémů je náročná na přesnost, a proto do jejich technologického řetězce patří i roboty a manipulátory.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. 2. 3. 4.
Víte co je dioda? Znáte hodně aplikací povrchové montáže ve výrobcích ve vašem okolí? V čem jsou rozdílné technologické postupy u jaderných a tepelných elektráren? Který prvek periodické tabulky je nejvíce zastoupen v elektronických součástkách?
66
5 STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE CÍL Stroje jsou prostředníkem vyšší výkonnosti uvědomělé lidské činnosti a základním prvkem výrobních (technologických) systémů. To už víme několik století, novinkou posledních desetiletí jsou však NANOTECHNOLOGIE. Tam je klasická představa výroby: VÝROBNÍ SYSTÉM – VÝROBNÍ POSTUP (technologie) - VÝROBNÍ STROJ – ČLOVĚK (operátor stroje) hůře představitelná protože výrobní postup je realizován ve světě subatomárních částic a atomových vazeb (tady se pohybujeme již na půdě praktické fyziky). Našim cílem je přesto, co nejjednodušší obeznámení čtenáře s podstatou nanotechnologie. Klasické strojírenské technologie kopírují výše uvedené schéma (výrobní systém/továrna – výrobní postup/výrobní technologie – výrobní zařízení/technologický nástroj – člověk/operátor/regulátor/spotřebitel). Pro technologie a jejich organizování jsou rozhodující vlastnosti materiálů, na kterých se aplikuje výrobní/technologický postup. Typy technologií jsou určované fyzikálními procesy umožňujícími proměnu materiálů na výrobky.
Získáte přehled o velice frekventovaných strojírenských technologiích.
Znalosti
Získané poznání může přivést některé žáky a studenty k tomu aby odbornou znalost a dovednosti například v oboru nanověd, získali v dalším vyšším Dovednosti studiu a praxí.
KLÍČOVÁ SLOVA Nanotechnologie, strojírenská technologie, obrábění, obráběcí stroj, soustružení, frézováni.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 7 hodin.
67
Nejčastějším místem aplikace strojírenských technologií je průmysl, zejména ten, ve kterém se vyrábějí součásti, montážní skupiny a investiční celky, jejichž podstatu tvoří stroje, samozřejmě i stroje pro aplikaci různých technologií, zejména těch na bázi kovových materiálů, jejich slitin a kompozitů. Obrázek 5.1 Hustota průmyslu dopravy
Základním článkem strojírenského průmyslu je výroba materiálů pro další strojní zpracování, zejména kovových slitin, kompozitů a technické keramiky. Nejčastěji se můžeme setkat s odvětvím průmyslu, které se u nás nazývá hutnictví železa (výroby surových želez – Fe, výroba ocelí – slitin Fe + C +) a výroba neželezných kovů a jejich slitin (jedná se zejména o hliník – Al a Měď – Cu, kterých užití je v čisté podobě Zdroj: ČSÚ zejména v energetice, elektrotechnice a elektronice). V menší míře je zastoupen průmysl výroby drahých a vzácných kovů a jejich slitin. Navazujícím oborem průmyslové výroby je zpracování kovů a slitin metalurgickými postupy (ohřev + modifikace + odlévání), postupy tepelného a chemicko-tepelného zpracování (zejména vytváření povrchových vrstev s významně jinými materiálovými vlastnostmi). V logickém sledu následují výrobní odvětví zabývající se opracováním vyrobených materiálů (zejména kovových), což jsou zejména aplikace technologií obrábění. Mimo obrábění je možno požadovaného tvaru výrobků dosáhnout použitím technologie tváření (lisování a kování). Vyrobené součásti se vzájemně skládají do podoby montážních skupin, celků a systémů ve výrobě charakteristické převážně montážními technologiemi, pak je možné takové odvětví pojmenovat jako průmysl dopravních prostředků, výrobních strojů, zbraňových systémů, kosmický průmysl, výroba zemědělské techniky, výroba elektrických točivých a energetických strojů apod.
5.1 Termodynamické materiálové technologie Jedná se vesměs o technologie výroby kovových materiálů vytavením z rud, přetavování čistých kovů a výroba slitin kovů s jinými kovy a nekovy. Patří sem i technologie sváření a pájení (provádění nerozebratelných spojů). Název těchto technologií vychází z jejich fyzikální podstaty a změn v průběhu procesů. Termodynamickými veličinami ovlivňujícími výsledný stav a vlastnosti produktů těchto technologií jsou (měnících se v průběhu procesů): TEPLOTA, TLAK, CHEMICKÁ KONCENTRACE (objemový, nebo hmotnostní jednotlivých složek tvořících výsledné chemické složení materiálu).
poměr
Kvůli rozsahu této publikace, nebudu uvádět další detaily, právě v ostravské aglomeraci by měli být tyto technologie velice dobře známé (kdysi se Ostravě říkalo „ocelové srdce republiky“).
68
5.1.1 Nanotechnologie V 8. století z Asie do Evropy pronikla výroba kovových třmenů, společnost se hodně změnila. Bylo možno přenést energii běžícího koně přímo do zbraně jezdce v sedle, což způsobovalo ničivé bojové důsledky (v roce 1066 početně slabší Normané s kovovými třmeny vybavenou jízdou, během jediného dne porazili krále Herolda). Objev stroje na čištění bavlny koncem 18. století umožnil značné rozšíření pěstování bavlny na jihu dnešních Spojených států a stal se jedním z rozhodujících podnětů dovozu otroků z Afriky. O 150 let později mechanický stroj na sklízení bavlny učinil práci většiny otroků zbytečnou, což způsobilo téměř 30 let trvající masovou migraci cca 5 miliónů lidí ze zemědělského jihu do velkých měst na severu Spojených států. Obrázek 5.2 Mikrofotografie ve zvětšení 3500x řez trojrozměrné struktury fotorezistu (část technologického cyklu výroby integrovaných obvodů
Zdroj: University of Kaiserslautern, http://optimas.uni-kl.de/en/news/news/article/internationale-ausze/
Tyto historické příhody dokazují schopnost nových technologií změnit lidskou společnost, ale také nutnou provázanost technologických změn se sociální strukturou společnosti (rodiny, zaměstnávání lidí, vzdělávání a služeb). Připomeňme také z relativně nedávné minulosti, že jaderné zbraně určovaly geopolitický vývoj světa lidí po 2. světové válce. Rozšíření rozhlasu, automobilů, televize nebo vakcinace vedly k velkým změnám v lidské společnosti 20. století. Obrázek 5.3 Defekt uhlíkové nanotrubice
Zdroj: BAM-Spolkový institut pro výzkum materiálů a testování, Berlín, http://www.nano.bam.de/de/home/index.htm
Již dávno přidávali skláři pro dosažení zajímavých barevných efektů do skel prášky z kovů a jiných látek, zejména ze zlata, stříbra, zinku, kadmia, síry a selenu. Jak se v nedávné době ukázalo, byly mezi nimi i částice v rozměru nanometrů, které způsobovaly unikátní barevnost skel. Známé jsou tzv. Lykurgovy poháry pocházející asi ze 4. století našeho letopočtu, jejichž část se
69
nachází v Britském muzeu v Londýně. Obsahují nanočástice slitiny na bázi Au-Ag (v poměru 3:7). Není známo, jakou technologii výroby těchto pohárů a podobných artefaktů římští skláři používali. Dalším příkladem je výsledek analýzy lesklé glazované keramiky z 13. - 16. století. Zjistilo se, že lesk vyvolává dekorativní kovový film o tloušťce 200 - 500 nm, obsahující kovové (stříbrné) sférické nanokrystaly rozptýlené v matrici bohaté na křemík, přičemž ve vnější vrstvě filmu o tloušťce 10 - 20 nm se kov nenachází. Kompozitní struktura má optické vlastnosti závislé jak na rozměru částic, tak na matrici. Lesklá vrstva byla zřejmě prvním nanostrukturním filmem reprodukovatelně vyráběným člověkem. Obrázek 5.4 Karbidy titanu v kovových slitinách, SEM-rastrovací elektronová mikroskopie
Zdroj: http://www.institut-wv.de/index.php/7016/
Keramika z italské Umbrie byla v 15. a 16. století pro své nádherné barvy vysoce ceněna po celé Evropě. Tým vědců z university v Perugii vedený Brunem Brunettim zjistil, že glazury renesanční keramiky obsahují částice mědi a stříbra o průměru 5 ÷ 100 nm a splňují kritérium pro zařazení mezi nanomateriály. Kovové nanočástice odrážejí světlo ze svého povrchu bez toho, že by jej rozptylovaly. Výsledkem je jedinečný „metalízový“ efekt. Postup při výrobě takových glazur se zachoval v knize italského autora Cipriana Piccolpassa z roku 1557. Soli mědi a stříbra míchali hrnčíři s octem, okrem a jílem. Touto směsí pak natírali nádoby, které už měly na svém povrchu jednu vypálenou glazuru. Dalším vypalováním při konstantní teplotě dosáhli jedinečné „metalízy“. V roce 1861 jako první popsal suspenzi obsahující částice o rozměrech 1 - 100 nm Thomas Graham, britský chemik a nazval ji koloidním systémem. Koloidní systémy byly intenzivně studovány významnými vědci (Rayleigh, Maxwell, Einstein) zejména na přelomu 19. - 20. století a později vznikl i nový obor koloidní chemie. Velmi známým příkladem nanomateriálů jsou saze, které se vyrábějí nedokonalým spalováním organických látek bohatých na uhlík. Průmyslová výroba sazí je stará více než 100 let. Jsou to částice amorfního uhlíku o velikosti 10 - 500 nm. Celosvětově se jich vyrábí asi 6 mil.tun a patří k jednomu z dosud nejpoužívanějších nanomateriálů. Přibližně 90% vyrobených sazí se používá v gumárenském průmyslu a pro výrobu technické pryže (hadice, řemeny, pryžové kabely, barvy aj.). V současné době chemická katalýza urychluje denně tisíce chemických přeměn, jako např. jsou rafinace ropy na benzín, přeměna levného grafitu na syntetický diamant pro nástroje, uplatňuje se při výrobě léků a polymerů atd. Při zkoumání katalyzátorů moderními prostředky bylo zjištěno, že řada z nich má vysoce uspořádané kovové a keramické nanostruktury, obsahující nanopóry. Tyto materiály jsou jak přírodní, tak syntetické a používají se nejen ke katalýze, ale i při adsorpci a separačních technologiích. Nejznámější jsou zeolity obsahující rovnoměrné póry o velikosti 2 - 100 nm, jejichž průmyslová aplikace započala v roce 1959. Používají se např. při katalytickém krakování, hydrokrakování, hydroizomeraci, alkylaci benzenu atd.
70
Příklady využití nanočástic (nanoprecipitátů) lze nalézt i v metalurgii. V roce 1906 byly poprvé sledovány precipitační změny doprovázející vytvrzování hliníkových slitin stárnutím. Podstatu procesu objasnili a zaznamenali Guinier a Preston v roce 1938 pomocí rtg. záznamu, kdy zjistili přítomnost mikrostrukturních objektů v materiálu. Dnes víme, že jemné precipitáty zodpovědné za zpevnění, např. ve slitině Al - 4%Cu, jsou klastry atomů Cu vytvářející tzv. Guinier-Prestonovy zóny. Vysoká žárupevnost nízkolegovaných ocelí a jejich dlouhodobá životnost v energetických zařízeních při vysokých teplotách a tlacích je dosahována precipitačním zpevněním železné matrice částicemi (např. karbidu vanadu V 4 C 3 ) o průměru 20 - 100 nm a interakcí dislokací s těmito částicemi Orowanovým mechanismem. Optimální vzájemná vzdálenost a velikost částic je ovlivňována chemickým složením a tepelným zpracováním materiálu. Obrázek 5.5 R.P.Feynman na půdě své AlmaMater
„Tam dole je spousta místa“ - 29.12.1959 Na možnosti z oblasti „nanosvěta“ jako první poukázal Richard P. Feynman, který svou vizi o nanotechnologii nastínil v prosinci roku 1959 při příležitosti zasedání Americké fyzikální společnosti na Kalifornské technologické univerzitě (CALTECH). Jeho přednáška měla název “There‘s Plenty of Room at the Bottom” (tam dole je spousta místa) a pojednávala o možnostech praktického využití světa atomů v budoucnosti. „ ...ani v nejmenším nepochybuji,“ předpovídá Feynman význam nanotechnologie při přípravě nových materiálů, „že jakmile budeme schopni kontrolovat uspořádání atomů, rejstřík vlastností, které materiály mohou mít, se úžasně zvětší a úměrně tomu se objeví i nové možnosti jejich uplatnění.“ V závěru přednášky Feynman vyzval vědecký svět, aby začal „dobývat nanosvět“. nabídl tisíc dolarů tomu, kdo jako první dokáže zapsat jednu stránku textu běžné knihy na plochu, která bude zmenšena na 1/25000 původní plochy, přičemž text bude čitelný elektronovým mikroskopem. dalších tisíc dolarů slíbil vyplatit tomu, kdo zhotoví funkční elektromotorek, jenž se vejde do krychličky o hraně 0,4 mm. Obrázek 5.7 Obrázek mravenčí hlavy (Lasius emarginatus), ©Volker Storch
Obrázek 5.6 Velikostní měřítko
Zdroj: https://idw-online.de/de/news391816.
71
Vybrané mezníky v dějinách nanotechnologií: 400 př.n.l. - Démokritos použil slovo “atomos", což starořecky znamená “nedělitelný" 1905 - Albert Einsten publikoval práci, v níž stanovil průměr molekuly cukru na cca jeden nanometr 1931 - Max Knoll a Ernst Ruska vyvinuli elektronový mikroskop, umožňující zobrazit objekty menší než 1 nanometr 1959 - Richard Feynman předkládá první vizi nanotechnologie 1960 - ve sborníku Caltech vychází Feynmanova hypotéza o možnosti budování nanosystémů 1968 - Alfred Y. Cho a John Arthur z Bell Laboratories vynalezli pomocí molekulových svazků epitaxi 1974 - Norio Tamaguči navrhl používání termínu nanotechnologie pro obrábění s tolerancí menší než 1 nm 1981 - první článek o nanotechnologii ve vědeckém časopise 1981 - Gerd Binning a Heinrich Rohrer vytvořili skenující tunelový mikroskop, který může zobrazit i jednotlivé atomy 1983 - řetězová reakce v polymeru - vytvořen první umělý chromozóm 1985 – R. Smalley, H. Kroto a R. Curl - objev fullerenů 1986 - poprvé zaznamenány jednotlivé kvantové skoky v atomech - založen Foresight Institute 1986 - Eric Drexler vydal knihu Stroje stvoření 1988 - vypracována metoda identifikace osob podle DNA z jediného vlasu 1990 - pomocí tunelového skenovacího mikroskopu napsal tým vědců na niklovou destičku 35 xenonovými atomy písmena IBM 1990 - metoda sériové výroby buckminsterfullerenu 1991 - pomocí ohybu rentgenových paprsků vznikl první snímek molekul fullerenu, Arthur Hebard demonstroval, že molekuly fullerenu spolu s draslíkem nebo rubidiem jsou supravodivé 1991 - založen Institute for Molecular Manufacturing 1991 - S. Iijima objevil nanotrubice 1992 - Drexlerova kniha Nanosystémy 1992 - první úplné mapy struktury dvou lidských chromozomů, prototyp kvantového hradla 1993 - výpočty na superpočítači potvrdily Feynmanovu a Gell-Manovu teorii kvantové chromodynamiky 1993 - první nanodráty - řetízky silné pouze několik nanometrů 1993 - W. Robinett a R. Stanley Williams sestavili program či spíše virtuální realitu, která ve spojení se STM umožňuje prohlížet si jednotlivé atomy hmoty, dotýkat se jich a manipulovat s nimi 1995 - demonstrováno vedení elektrického proudu jednou molekulou - založena společnost Nanocor, zabývající se vývojem nanokompozitních materiálů 1997 - založena společnost Zyvex - první firma zabývající se konstrukcí nanomechanismů 1998 - Skupina kolem C. Dekkera z univerzity v Delftu v Nizozemsku sestrojila z uhlíkových nanotrubic tranzistor 1999 - James M. Tour a Mark A. Reed předvedli, že jednotlivá molekula může fungovat jako molekulový přepínač 2000 - rozluštění lidského genomu - první nanomotorek na bázi DNA (Bell Labs) 72
2000 - americký prezident Clinton vyhlašuje program National Nanotechnology Initiative 2001 - tranzistor z nanotrubiček (IBM) - první nanolaser, základ pro optický přenos dat v inteligentních nanosystémech - logický obvod v jedné molekule, tvořený dvěma tranzistory 2002 - začínají se prosazovat inteligentní kompozitní materiály 2002 - první mezinárodní konference o nanotechnologii (R. Smalley přednesl návrh, že ideálním prostředkem pro molekulové nanotechnologie jsou fullerenové struktury) 2002 - Výzkumný tým Hewlett-Packard představil první molekulární paměť na světě, ve které jsou informace zapisovány do jednotlivých molekul čipu 2003 - překročena hranice 50 nm 2003 - Společnost IBM vyrobila první uhlíkový světelný zdroj, miniaturní baterku v podobě trubičky 50000x tenčí než lidský vlas. 2004 – Andrei Rode, John Giapintzakis objevili nanopěnu, která má feromagnetické vlastnosti Jednou z hlavních tezí nanotechnologie je vytvořit věci způsobem, který dokáže pouze příroda, „skládání“ atomu za atomem, molekuly za molekulou. Postup známe již od objevení molekulárních struktur. Například uhlíkové nanotrubice, které jsou asi stokrát silnější než ocel a zároveň šestkrát lehčí. Díky různému uspořádání atomů můžeme vytvořit látku, která bude vodivější než měď nebo lepší izolant než diamant. Toto by mohlo být základem pevnějších a lehčích karosérií, vesmírných lodí, sít pro filtrování bakterií z pitné vody nebo k výrobě nejmenších tranzistorů. Některé chemické reakce se odehrávají na rozhraní povrchů, takže materiály vyrobené z nanočástic budou daleko více reaktivní než stejné množství materiálu vyrobeného Obrázek 5.8 Molekulové nanočerpadlo (obdoba z větších částic. Výsledkem by mohli být výkonnější zubového čerpadla mnoha klasických makrostrojů) a simulace vytvoření molekulové katalyzátory a citlivější senzory. Hodně pokroků přední a zadní nápravy
v nanotechnologii je svázáno s výpočetní technikou. Počítačové čipy a tranzistory byly zmenšovány po desetiletí a dnes existují tranzistory vyrobené z jediné uhlíkové nanotrubice, které jsou pouhým okem neviditelné (teoreticky nejsou žádné zábrany vytvořit monitor, který bychom mohli srolovat a strčit do tašky). Další alternativou jsou nanostroje naprogramované k vývoji léků pouze proti některým např. rakovinným buňkám. Během několika desítek let chtějí laboratoře nahradit drahé, energeticky náročné masivní stroje, stroji založených na nanotechnologiích, které způsobí převrat všeho počínaje způsobem zabraňování přírodním katastrofám až k řešení cukrovky.
Když se začalo bádat na poli nanotechnologií, vědci slibovali, že stráví hodně času přemýšlením nad sociálními, ekonomickými a mravními důsledky své činnosti. Slibů se ale moc nedrží. To je jeden z problémů, protože je velice těžké předvídat nechtěné efekty, které mohou při reakcích nanostruktur vzniknout (kdybychom začali vyvíjet nanozbraně, byli by jejich účinky natolik katastrofální, že jaderné zbraně by se vedle nich zdály jako prak na holuby). Národní vědecký ústav 73
USA předpovídá, že v roce 2015 bude pro vývoj nanotechnologie uvolněn 1 bilion USD. V Asii, Evropě a Severní Americe státní rozpočty ročně uvolní téměř 5 miliard USD pro jejich výzkum a vývoj. Společností zabývajících se nanotechnologií je v současnosti kolem 1 500. V lednu 2015 bylo představené vědci z Riceovy univerzity, nanoauto sestavené z jednotlivých atomů, připomínající dragster, tedy závodní vůz s mohutnými zadními koly určený pro závody na krátkou vzdálenost. Informovali o něm v časopise Organic Letters. Těchto nanodragstrů by na „parkovišti" o šířce lidského vlasu zaparkovalo 50 tisíc. Technologie se využitá ke konstrukci nanozařízení, které je schopno kontrolovaného pohybu vůči svému atomovému či molekulárnímu okolí, může najít využití například v nanoelektronice. Podobné „autíčko" sestavené z jednotlivých atomů představil stejný tým jíž v roce 2006. Novinka má však lepší „jízdní vlastnosti". Původní vozítko mělo všechna čtyři kola sestavena z fullerenů - dutých koulí tvořených šedesáti atomy uhlíku. Bylo schopno pohybovat se pouze po podkladu z atomů zlata při teplotách kolem 200 °C, ovládalo se působením teplotního gradientu nebo elektromagnetického pole. Nové nanoauto používá fullereny pouze jako zadní kola. Ta přední, sestavená z atomů uhlíku a boru, jsou menší a otáčejí se lehčeji. Vozítko funguje za nižších teplot než předchozí verze a lépe se ovládá. Částicová/elektronová mikroskopie, nástroj výroby nanostruktur10 Obrázek 5.9 Litografie elektronovým svazkem ve Fyzikálním ústavu AVČR.
Litografie elektronovým svazkem (Electron Beam Lithography - EBL) využívá svazek elektronů s tvarovanou stopou, který je využit pro přímou expozici rezistu na povrch vzorku. V současnosti závisí dosažitelné rozlišení především na energii elektronů ve svazku, jejichž zdrojem je wolframová nebo autoemisní katoda. Používá se urychlovací napětí 5 až 30 kV, a lze dosáhnout rozlišení pod 10 nm. Vyšší rozlišení bude při použití napětí 30 až 100 kV.
Konfigurace elektronového litografu, vychází z konstrukce typického rastrovacího mikroskopu (SEM – Scaning Electron Microscop) s generátorem obrazců, což je vlastně řídící systém a stolek pro přesné expoziční zařízení pro expozici krycích masek jednotlivých vrstev vyráběných elektronických obvodů na nosných podložkách čipů elektronických obvodů vyrobených z monokrystalického čistého křemíku. V litografii iontovým svazkem (Focused Ion Beam, FIB) je vysoce zaostřený iontový svazek zaměřen na cílový prostor na vzorku. Svazek skenuje povrch vzorku, čímž je vytvořen zvětšený obraz vzorku.
10
Kadavý T., Nanotechnologie v polovodičové elektronice, Ročníková práce z fyziky, Gymnázium Turnov, 2009.
74
Obrázek 5.10 Aparatura pro iontovou litografii
Obrázek 5.11 Schéma metody AFM – mikroskopie meziatomárních sil [Atomic Force Microscopy] (vlevo) a STM – bezkontaktní měřící režim (vpravo)
Zdroj: Andrlík, K., Základy chemických výrob, SPN, Praha 1965.
Zdroj: Andrlík, K., Základy chemických výrob, SPN, Praha 1965.
Obrázek 5.12 FinFET tranzistor - nanostuktura dnešních integrovaných obvodů,
Zdroj: firemní propagační materiály
5.2 Fyzikální materiálové technologie - odlévání, tváření, sváření, obrábění Kvůli rozsahu tematiky si uvedeme jenom výběr některých technologií (např. tváření a obrábění). 5.2.1 Technologie tváření kovů Tvářením kovů rozumíme technologický (výrobní) proces, při kterém dochází k požadované změně tvaru výrobku nebo polotovaru, příp. vlastností, v důsledku působení vnějších sil bez odběru třísek. Podstatou tváření je vznik plastických deformací, ke kterým dojde v okamžiku dosažení napětí na mezi kluzu pro daný materiál (vysvětlení je ve fyzice a její části MECHANIKA o silovém působení na hmotná tělesa). Tento děj je provázen fyzikálními změnami a změnami struktury materiálu, což ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálů. Výhodou tváření jsou vysoká produktivita práce, vysoké využití materiálu a velmi dobrá rozměrová přesnost tvářených výrobků. Nevýhodou je vysoká cena strojů a nástrojů a omezené rozměry konečného výrobku. Technologické tvářecí procesy je možné rozdělit podle:
teploty, tepelného efektu, stupně dosažené deformace, podle působení vnějších sil.
Při změně teploty se mění deformační odpor materiálu proti tváření (obyčejně ocelí). Se zvyšující se teplotou se zlepšují plastické vlastnosti kovů a jejich slitin.
75
Rozdělení tvářecích procesů podle teploty na tváření za studena - (kdy teplota tváření je 30% pod teplotou tání tvářeného materiálu, tj. pod její rekrystalizační teplotou), dochází ke zpevňování materiálu, které se zachovává a dochází k nárůstu odporu proti dalšímu tváření (nakonec dojde k vyčerpání plastičnosti materiálu), Obrázek 5.13 Schéma postupového tváření za studena mikrostrukturní zrna se deformují ve směru tváření, vytváří se textura a dochází k anizotropii (směrovosti) mechanických vlastností. Zpevněním se zvyšují mechanické hodnoty (mez pevnosti a mez kluzu) a klesá tažnost. Opakovaným zahřátím kovu je možné obnovit jeho deformační schopnost, kov získává opět schopnost být plasticky tvářen. Výhodou je vysoká přesnost rozměrů, kvalitní povrch (nedochází k tvorbě okují) a zlepšování vlastností zpevněním. Nevýhodou je nutnost používat velké tvářecí síly, nerovnoměrné zpevňování a omezená tvárnost materiálu. Druhou variantou je tváření za tepla, probíhá nad rekrystalizační teplotou, kdy rychlost rekrystalizace je tak vysoká, že zpevnění způsobené tvářením mizí již v průběhu tváření a bezprostředně po něm. Teplota tváření je nad 70% teploty tání daného materiálu. Materiál se nezpevňuje a k tváření stačí až desetkrát menší síly, než u tváření za studena. Textura může vznikat, ale povrch je vlivem okujení méně kvalitní, navíc hrubnoucí zrno mikrostruktury působí další problémy u jiných technologických operací. Obrázek 5.14 Změna zrn mikrostruktury po tváření (vznik usměrnění, kterému se říká textura)
Zdroj: autor
Tváření za poloohřevu představuje kompromis mezi tvářením za studena a za tepla. Důvodem je zlepšení přetvárných vlastností oproti tváření za studena, snížení přetvárných odporů, dosažení zlepšení mechanických a fyzikálních vlastností, přesnosti a jakosti povrchu. Horní teploty jsou omezeny povrchovou oxidací. Rozdělení tvářecích procesů podle stupně deformace Kritériem je stupeň deformace při určité teplotě a rychlosti deformace, bez rizika vzniku trhlin na povrchu materiálu. Část energie, vynaložené na tváření, se mění na teplo a množství tepla závisí na rychlosti deformace a odporu materiálu proti deformaci.
76
Podle toho se tvářecí procesy dělí na: 1. ke vzniku deformace jsou potřeba malé síly a povrch volného materiálu je výrazně větší, než povrch, který je ve styku s nástrojem (např. volné kování), v těchto procesech je tlak mezi nástrojem a tvářeným materiálem malý, 2. ke vzniku deformace jsou potřeba velké síly a povrch volného materiálu je přibližně stejný jako povrch, který je ve styku s nástrojem (např. zápustkové kování), v těchto procesech je tlak mezi nástrojem a materiálem velký, 3. ke vzniku deformace jsou potřeba značně velké síly a povrch volného materiálu je menší, než povrch, který je ve styku s nástrojem (např. protlačování), v těchto procesech je tlak mezi nástrojem a materiálem velmi vysoký. Rozdělení tvářecích procesů podle působení vnějších sil Z tohoto hlediska se tváření kovů dělí na: tváření objemové, při kterém deformace nastává ve směru všech tří os souřadného systému (válcování, kování, protlačování, tažení drátů), tváření plošné, při kterém převládají deformace ve dvou směrech (tažení, ohýbání, stříhání, apod.) Dělení materiálu V technologii tváření se používají různé polotovary, např. tyčový materiál, svitky, tabule, apod., které je nutno dělit na požadovaný rozměr, nebo na přesnou hmotnost. Dělení materiálu má vliv i na kvalitu výrobku, a to kvalitou plochy v místě dělení. Z hlediska dělení materiálu můžeme používat následující způsoby:
řezání, upichování, lámání, sekání, stříhání. Obrázek 5.15 Schéma linky pro podélné dělení
Obrázek 5.16 Schéma linky pro příčné dělení
77
Válcování Obrázek 5.17 Schéma válcování ložiskových kuliček
Válcováním rozumíme kontinuální proces, při kterém se tvářený materiál deformuje mezi otáčejícími se válci za podmínek převažujícího všestranného tlaku. Válcovaný materiál se mezi válci deformuje, jeho výška se zmenšuje, materiál se prodlužuje a současně rozšiřuje a mění se i rychlost, kterou válcovaný materiál z válcovací stolice vystupuje. Mezera mezi pracovními válci je menší, než vstupní rozměr materiálu. Válcování se provádí hlavně za tepla, ale i za studena. Výsledkem procesu je vývalek. Podle směru, kterým válcovaný materiál prochází pracovními válci, podle uložení os válců vzhledem k válcovanému materiálu a podle průběhu deformace válcování dělíme na podélné, příčné a kosé. Válcováním lze vyrábět velké množství polotovarů rozmanitých tvarů. Mezi základní patří profily, plechy, dráty, trubky.
78
Obrázek 5.18 Schéma válcování závitů
Kování Kování je beztřískové tváření zahřátých kovů pomocí úderů a rázů. Před kováním se materiál ohřeje v peci nebo v kovářské výhni na kovací teplotu. U oceli je to asi 800 až 1000 °C. Tváření probíhá buď tzv. volným kováním na kovadlině (ruční kování), nebo strojově na velkých kovacích lisech. Obrázek 5.19 Postupné přetvoření polotovaru na zápustkový výkovek
Obrázek 5.20 Příklady volného kování
79
5.2.2. Technologie obrábění Obrábění je technologický proces, při kterém je přebytečná část materiálu oddělována z obrobku ve formě třísky břitem řezného nástroje. Polotovar je předmět, který se bude obrábět a obrobek je obráběný nebo již obrobený předmět. Obrábění se uskutečňuje v soustavě: stroj – nástroj – obrobek. Obrábění se podle hlavního řezného pohybu dělí na obrábění s: • • • •
rotačním pohybem obrobku (soustružení), rotačním pohybem nástroje (vrtání, vyhrubování, vystružování, zahlubování, frézování, broušení a řezání kotoučovou pilou), přímočarým vratným pohybem obrobku (hoblování), přímočarým vratným pohybem nástroje (obrážení, protlačování, protahování, řezání rámovou pilou, řezání pásovou pilou, pilování), Obrázek 5.21 Ukážky hlavních charakteristik obráběcích technologií
NÁSTROJ je aktivním prvkem při obrábění a skládá se z (uvedeno na ilustračních obrázcích): •
hlavy nože (zub) – obsahuje břit
80
•
tělo nástroje – část, za kterou je nástroj upínán (má ustavovací a upínací plochu)
Břit nástroje je činná část hlavy nože (zubu) ohraničená plochou čela a plochou hřbetu, plocha čela je plocha, po které odchází tříska, hřbet nože je boční plocha (hlavní, vedlejší), ostří je průsečnice plochy čela a plochy hřbetu (hlavní, vedlejší) a špička je průsečík hlavního a vedlejšího ostří. TŘÍSKA je vnikáním břitu do obrobku oddělovaná vrstva materiálu. Oddělovaný materiál je značně namáhán a deformován a tvoří se různé druhy třísek: tvářená plynulá, nebo článkovitá – celistvá (houževnatý materiál) - ocel, slitiny hliníku, měď plynulá tříska – hladká na straně čela, drsná na vnější straně • přímé pásy – stuhová • stočená – šroubovitá, spirálovitá článkovitá tříska – hladká na straně čela, drsná a členitá na vnější straně, snadno se láme na menší části tvářená elementární (křehký materiál) - litina, bronz vytrhávaná elementární – bez předchozího tváření - dřevo, sklo, plasty - drsná na straně čela, na vnější straně beze změny (tvary oddělovaných třísek jsou znázorněné na obrázcích dole)
81
K tvoření třísky a jejímu odvádění z místa řezu se spotřebuje určité množství práce, která je potřebná k překonání odporu materiálu proti vnikání břitu nástroje do povrchu obrobku. Tento odpor materiálu se nazývá řezný odpor „R“ a síla, která je potřebná k překonání tohoto odporu, se nazývá řezná a značí se „F“. Znalost silových poměrů řezání je potřebná zejména:
ke stanovení pevnosti a tuhosti konstrukce obráběcího stroje a jeho jednotlivých součástí, ke stanovení pevnosti a tuhosti upínačů nástroje i obrobku, k návrhu a pevnostnímu výpočtu nástrojů, ke stanovení vhodných řezných podmínek k dosažení požadované přesnosti obrábění apod.
Je třeba říct, že řezné síly a řezné odpory nejsou konstantní, ale naopak v průběhu obrábění jsou proměnné v závislosti na změně jak původních vlastností obráběného materiálu (např. teplem), tak i nástroje (např. opotřebením), zejména však na tvaru polotovaru, jeho upnutí, tuhosti obráběcího stroje apod. Řezný odpor při obrábění je složen: 1. z odporu obráběného materiálu proti plastické deformaci při vytváření třísky, 2. z odporu proti tření mezi čelem nástroje a třískou a hřbetem nástroje a obrobenou plochou. Řezné síly, které překonávají řezné odpory při obrábění, působí na nástroj, obrobek, stroj i upínací pomůcky a ovlivňují tuhost celé této soustavy, a tím i přesnost obrábění. Soustružení Soustružení je nejrozšířenější způsob třískového obrábění na obráběcích strojích soustruzích, pomocí nástrojů, kterými jsou nejčastěji soustružnické nože, ale také se využívají vrtáky, záhlubníky, výhrubníky, výstružníky a další. Hrotové soustruhy jsou určeny k obrábění válcových ploch obrobků upnutých mezi hroty, ve sklíčidle, na trnech apod. Mohou být stolní, universální a produkční. Velikost hrotových soustruhů je dána největším oběžným průměrem nad ložem soustruhu (D) a největší vzdáleností hrotů (L). Těmito rozměry jsou omezeny i rozměry obráběné součásti. Obrázek 5.22 Univerzální soustruh SV 18
Zdroj: katalog strojů
82
Čelní soustruhy se používají v kusové výrobě k soustružení rozměrných součástí přírubového typu. Obrobek se upíná na lícní desku, lože se suportem tvoří samostatnou část. Nevýhodou čelních soustruhů je namáhavé upínání a ustavování obrobků. Svislé soustruhy jsou určeny, podobně jako čelní soustruhy, k obrábění rozměrných, hmotnějších obrobků. Na rozdíl od čelních soustruhů je na karuselech ustavení a upínání obrobků podstatně snažší. To je zajištěno vodorovnou upínací Obrázek 5.23 Soustružnické nože na vnitřní soustružení deskou se svislou osou rotace. Revolverové soustruhy se uplatňují v sériové výrobě. Na jedno upnutí se provádí několik operací - soustružení, vrtání, vyvrtávání, vystružování, řezání závitů. Charakteristickou částí revolverového soustruhu je revolverová hlava, do které se upínají potřebné nástroje. Velikost revolverových soustruhů se určuje podle průměru tyčového materiálu, který projde otvorem vřetena. Automatické soustruhy se uplatňují ve velkosériové a hromadné výrobě, průběh obrábění je zabezpečen vačkovými a narážkovými mechanismy. Seřízení těchto strojů je velmi pracné a časově náročné (nepružná - tvrdá automatizace). U NC a CNC obráběcích strojů obrábění probíhá na základě předem sestaveného programu, který lze přímo u stroje v případě potřeby pružně měnit, opravovat (pružná automatizace). Využívají se proto především v kusové a malosériové výrobě. Vyrábějí se v různých provedeních jako hrotové, revolverové i svislé. Frézování Obrázek 5.24 Svislá konzolová frézka
1 – stojan, 2 – konzola, 3 – příčné saně, 4 – podélný stůl,
Frézování je způsob obrábění, při němž se rotační vícebřitý nástroj - fréza otáčí a obrobek (někdy i nástroj) rovnoměrně posouvá tak, aby jednotlivé zuby frézy (nástroje) postupně přicházely do záběru a odřezávaly třísku. Frézovací stroje - frézky patří k nejuniverzálnějším obráběcím strojům, protože se na nich mohou obrábět nejen rovinné, ale i tvarové plochy, závity, ozubení i rotační plochy. Nejrozšířenější jsou konzolové frézky a jsou určeny k frézování rovinných a tvarových ploch na malých a středně velkých součástech v kusové a malosériové výrobě. Charakteristickým znakem je svisle přestavitelná konzola, s níž lze obrobek nastavit do potřebné polohy se zřetelem k nástroji. Konzolové frézky se vyrábějí ve třech základních řadách označených FA (nejstarší), FB a FD (číslicově řízené) a třech provedeních - svislé (vertikální) frézky mají vřeteno ve svislé poloze - vodorovné (horizontální) frézky mají vřeteno ve vodorovné poloze - univerzální frézky umožňují natočit pracovní stůl ve vodorovné rovině o 45° na obě strany.
5 – vřeteník, 6 – vřeteno
83
Obrázek 5.25 Frézování válcovou frézou
Obrázek 5.26 Čelní frézování
F-čelní válcová fréza, O-obrobek, D-průměr frézy, B-šířka frézování, n-směr otáčení frézy, s-posuv obrobku, h-hloubka frézování
I další technologické alternativy se řídí fyzikálním principem výrobní transformace a patří tam například BROUŠENÍ, HOBLOVÁNÍ, OBRÁŽENÍ, VRTÁNÍ, VYVRTÁVÁNÍ apod. Automatizace technologických operací a procesů11 Výrobky jsou hmotné objekty, vznikající účinkem deterministických (přesně určených) úkonů, které se označují jako pracovní, nebo technologické operace. V rámci technologických operací se mění vstupní geometrické, fyzikální, chemické parametry výchozího materiálu (polotovaru) na výstupní parametry výrobku. Celková změna parametrů v rozmezí vstupního a výstupního stavu může být uskutečněna současně nebo v rámci navazujících oddělených operací. Soubor operací, které se podílejí na celkovém přetvoření polotovaru na výrobek - tvoří technologický proces. Technologické operace se uskutečňují prostřednictvím výrobních strojů a zařízení. Každé technologické operaci je přiřazena technologická pozice. Soubor technologických pozic a jejich vztahy tvoří strukturu výrobního stroje nebo zařízení. Rozsáhlejší soubory technologických pozic se označují jako technologický (výrobní) systém. Realizace technologických operací je vázána na ovládání (řízení) 11
Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství.
84
toku energie a hmoty prostřednictvím jistých informací. Základním principem řízení určité operace je vyhodnocování souboru informací o požadovaném vlivu a skutečném stavu působení dané operace. Pro realizaci technologické operace, nebo souboru operací lze uvést blokové schéma dle obr. 5.27. Obrázek 5.27 Blokové schéma technologické operace a procesu T
(H = hmota [materiál, polotovar, pracovní pomůcka, nástroj], E = energie, I = informace) Obrázek 5.28 Horizontální obráběcí centrum
Technologie výroby jistého objektu je realizována prostřednictvím příslušného pracovního cyklu. Pracovní cyklus je tvořen organizovanými vazbami mezi elementárními operacemi v prostoru tzv. technologických a skladovacích pozic a organizovanými vazbami mezi jednotlivými technologickými a skladovacími pozicemi. Organizované vazby mezi elementárními operacemi v rámci uvedených pozic i mezi pozicemi jsou zajišťovány manipulačními a transportními funkcemi. Úroveň automatizace pracovních cyklů lze sledovat z řady hledisek. Jedním z nich je určování rozsahu automatizace v prostoru jedné technologické nebo skladovací pozice v těchto stupních: Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvantová_fyzika
A1 - Automatizace jednotlivých elementárních operací; A2 - Automatizace souboru operací a jejich vazeb; A3 - Automatizace všech operací a jejich vazeb. Technická realizace uvedených stupňů závisí na charakteru technologie, které se týká a její úroveň je v současné době na druhu technologie silně závislá. V oboru obráběcích strojů lze například za stupeň A1 pokládat základní verzi CNC stroje, u kterého je automaticky zajišťováno řízení polohy pohybových os na základě číslicového zadávání a odměřování rozměrů. V tomto případě je výměna a upínání objektů, stejně jako nástrojů, prováděna ručně a obsluha spouští technologický cyklus stroje. Jako stupeň A2 lze uvést koncepci horizontálního obráběcího centra s kruhovým otočným stolem a s automatickou výměnou nástrojů „zásobník - podavač - vřeteno“ na obrázku 59. Tento stroj vedle automatického řízení technologických pohybů je opatřen automatickou výměnou nástrojů. Kombinace číslicově řízeného stroje s průmyslovým manipulátorem nebo robotem se označuje jako výrobní buňka. Zpravidla se používá pro obrábění specifických součástí nebo několika součástí s podobnou geometrií. Základem na obr. 60 je frézka se šesti CNC řízenými osami, která je obsluhována portálovým manipulátorem, který zajišťuje výměnu polotovarů a hotových výrobků, výměnu nástrojů, upínacích elementů a schopných hlavic určených pro vlastní činnost. 85
Obrázek 5.29 Automatizovaná výrobní buňka
Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvantová_fyzika
Jednotlivé objekty jsou uloženy v paletových zásobnících. Výrobní linka umožňuje výrobu ozubení v malých dávkách pro různá zařízení. Charakteristickým ukazatelem koncepce automatizované struktury výrobního systému je tzv. pružnost, čímž se rozumí schopnost přechodu na jiný výrobní program automatické činnosti reprezentovaný zpravidla typem zpracovávaného objektu. Z tohoto hlediska se rozlišují dvě mezní koncepce: o Pevné automatizované systémy; o Pružné automatizované systémy. Pevné (tvrdé) automatizované systémy jsou určeny pro zpracování zpravidla jednoho typu výrobku ve velkých sériích. Jde o zařízení používané v hromadné výrobě. Jednotlivé pozice jsou osazeny jednoúčelovými nebo stavebnicovými obráběcími jednotkami. Jednoúčelové stroje a linky se vyznačují vysokou produktivitou práce, ale neumožňují vyrábět více „typorozměrů“ součástí. Charakteristickou vlastností pružných automatizovaných systémů je možnost zpracovávat určitý soubor typů objektu na základě rychlé – pružné změny programu. Moderními prostředky pro vytváření pružných výrobních struktur jsou automatické manipulátory a průmyslové roboty. Pružná automatizace se rozšířila v oblasti kusové a malosériové výroby. Častou realizací jsou svařovací pracoviště, sestavené z automatického svařovacího stroje, robotu a polohovacího manipulátoru. Pro pružnou automatizaci je charakteristický vyšší stupeň pružnosti při nižší produktivitě práce. Pro pružný výrobní systém se používá označení FMS (Flexible Manufacturing systém). Je složen ze dvou či více pružných výrobních buněk, které jsou spojené automatickým transportním zařízením (automaticky vedený vůz, regálový zakladač, počítačem řízený jeřáb apod.), které dopravuje palety, obrobky a nástroje ze skladu obrobků a nástrojů ke strojům. Je to tedy počítačem řízený integrovaný komplex technologických pracovišť CNC, automatického řízení pro manipulaci s materiálem a nástroji, automatického měřícího a zkušebního zařízení s minimem ručních zásahů, s minimálním časem na seřízení, schopný vyrábět libovolné výrobky z určité skupiny výrobků podle daných možností a podle předem určeného plánu. 86
SHRNUTÍ KAPITOLY
Odvěkou ambicí člověka je objevování a zkoumání nového nepoznaného. Jeho motivem je zvědavost, ale i nepoznané dobrodružství spojené s „cestou světem nepoznaného“. To je zajisté spojené i se strachem a spojení zvědavosti a strachu je zdrojem adrenalinu, po kterém mnozí lidé doslova touží – což je ono dobrodružství. Překonané dobrodružství posiluje odvahu a nutí k akceleraci činnosti spojené s adrenalinem a pocitem uspokojení, resp. u mnohých i pocity štěstí.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Pokuste se popsat, jak funguje soustruh a v čem spočívá jeho technologie? 2. Pokuste se popsat, jak funguje frézovací stroj a v čem spočívá jeho technologie? 3. Pokuste se charakterizovat automatizovaný výrobní systém.
ŘEŠENÍ
Zdůvodněte, jak funguje a v čem je princip - technologie obrábění.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. Uveďte důvody, proč lidstvo dospělo k přesvědčení o účelnosti zavedení automatizace a robotizace? 2. Uveďte, co rozhoduje o účinnosti procesů obrábění?
87
6
OSTATNÍ TECHNOLOGIE
CÍL Stroje, anebo nějaký mechanizmus, člověk zná a používá již tisíciletí. 20. a 21. století je však mezníkem v tom, že došlo k faktickému oddělení člověka a jeho výrobního nástroje. Tuto roli přebírají kybernetické systémy, což jsou komplexy elektronických zařízení, programového vybavení a učících se algoritmů. Rozsah publikace neumožňuje podrobnější popis všech technologií, proto tato část je velice stručná a uvádí heslovitý výčet dalších technologií.
Znalosti
Tato část negeneruje dovednosti.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Stavební technologie, bio technologie,
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 2 minuty
88
12
STAVEBNÍ - technologie stavebních materiálů a jejich povrchových úprav, technologie spojování, technologie postupů výstavby a konstrukce staveb,
CHEMICKÉ - anorganická technologie (plyny, stavební pojiva, keramika, barvy, sklářství, hnojiva, žíraviny), organická technologie (výroba z fosilních zdrojů, papír), petrochemické technologie, technologie polymerů (výroba makromolekulových látek – termoplastů a termosetů apod.).
POTRAVINÁŘSKÉ a BIO (technologie potravinářských surovin např. voda, cukry, škrob, mléko, tuky apod.), technologie enzymatické, mikrobiologické, farmaceutické výroby12.
Andrlík, K., Základy chemických výrob, SPN, Praha 1965.
89
SHRNUTÍ KAPITOLY
Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace.
90
7 V ČEM JE PŘÍČINA VÝZNAMU TECHNOLOGICKÉHO POKROKU CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak jsou jednotlivé obory lidské činnosti vzájemně spjaté a jejich rozvoj vzájemně podmíněný.
Získáte znalosti o historickém pokroku spojeném s pokrokem technickým, Znalosti ekonomickým a sociálním.
Získané vytvoří základní obraz o významu techniky a přístrojů i v oblastech, které jsou zdánlivě technice nezávislé a tvoří spíš páteř tzv. humanitních Dovednosti oborů.
KLÍČOVÁ SLOVA Archeologie, anglická revoluce, průmyslová revoluce, technika, osvícenství.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1 hodinu.
91
Při velkém zjednodušení by bylo možno napsat a konstatovat, že vše se vším souvisí, a proto každý prvek lidského poznání je zdrojem pokroku – tedy i technologického. Ale to by bylo pro většinu čtenářů nepochopitelné a laciné konstatování. Chtě nechtě musíme k podstatě technologií, což je výchozí část dnešní fyziky, tj. fyzika elementárních částic a s ní související kvantová fyzika. Kvantová fyzika 13 je soubor oborů postavených na teoriích, jejichž ústředním pojmem je kvantum. Na rozdíl od klasické fyziky kde se popisuje stav systému pouze přiřazením určitých přesně daných hodnot fyzikálních veličin, v kvantové fyzice se předpokládá existence stavů, u kterých je výsledek měření předpověditelný pouze v rámci pravděpodobnosti. Obvykle v rámci kvantové teorie rozlišujeme kvantovou mechaniku a kvantovou teorii pole, které ač postavené na stejných postulátech, užívají rozdílné metody při praktických výpočtech. Klasická fyzika popisuje stav systému (systém je nějaký materiál, nebo předmět z toho materiálu) v daném čase - pomocí skupiny vybraných měřitelných veličin (ty jsou v kvantové fyzice obvykle nazývány pozorovatelné). Například stav bodové částice (hmotného bodu) je úplně určen, zadáme-li jeho polohový vektor a vektor hybnosti; pak říkáme, že poloha a hybnost jsou úplným systémem pozorovatelných vlastností (ostatní pozorovatelné hodnoty, jsou pak funkcí energie, což je u volného hmotného bodu kvadrátem hybnosti atd.) Řešením tzv. pohybové rovnice pak principiálně můžeme spočíst, jaký bude stav systému v jiných časech. Pojem stavu systému v kvantové teorii je složitější. Klíčovým rozdílem oproti klasické částicové fyzice je možnost, že vybraná pozorovatelná vlastnost v daném stavu nemá nějakou konkrétní hodnotu, ale při měření této veličiny můžeme dostat různé výsledky s různou pravděpodobností. Pravděpodobnost naměření hodnoty „x“ nějaké veličiny „X“ můžeme označit „P(x)“, kde místo jedné hodnoty např. polohy x0 určující například pozici částice, musíme k popisu systému udat pravděpodobnosti nalezení částice v každém bodě prostoru (prostor je spojitý a místo pravděpodobnosti je třeba udávat hustotu pravděpodobnosti). Mohou ovšem existovat i speciální stavy, kde měřením vybrané pozorovatelné hodnoty (např. polohy) můžeme získat jen jedinou exaktní hodnotu, takovým stavům se říká stavy vlastní. S těmito hodnotami pracuje klasická částicová fyzika i většina technologií, mimo elektrotechnologií (mikroelektronika, optika apod.), které pracují právě v oboru kvantové fyziky. Kvantová teorie hraje nezastupitelnou roli ve fyzice elementárních částic a fyzice pevných látek, atomové a molekulové fyzice a jejich prostřednictvím i v astrofyzice, fyzikální chemii a dalších oborech včetně medicíny. Bez kvantové teorie by nebyly zkonstruovány polovodiče, neexistovala by jaderná energetika, některé moderní materiály jako uhlíková vlákna, lasery, apod. Pravděpodobně by byly na mnohem nižší úrovni medicínské diagnostické a léčebné metody. Kvantová teorie zásadním způsobem ovlivnila smýšlení lidí o světě. Pravděpodobnou příčinou současné akcelerace technického a technologického pokroku je „odbourání odvěkého determinizmu“ právě pravděpodobností kvantových jevů, což vlastně otevírá „nekonečnou“ tvořivost lidského ducha prostřednictvím mizejících bariér determinovaných dějů – jako by bylo možné cokoli, vycházejíce z alternativy obrovské diverzity pravděpodobných možností ve „světě“ neznáma (porovnal bych to k dnešní znalosti z oblasti astrofyziky kosmu, nám známá část tvoří jen asi 5% a zbytek je tzv. temná hmota a energie – což znamená, že většina universa je nám neznámá!).
13
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvantová_fyzika
92
Kdo se chce o fyzice v rámci tohoto projektu dovědět víc, pak ta možnost je použít materiálů z modulu „MTV-09: FYZIKA základ pokroku, světlo budoucnosti“. Tedy v čem je význam technologického pokroku, vzpomeňme si na elektronické pomůcky z našeho okolí (počítače, tablety, smartfóny apod.) – co je jejich typickým znakem:
nízká spotřeba energie,
vysoká rychlost jejich pracovních procesů a činností – VYSOKÁ VÝKONNOST,
nízká hmotnost a malé rozměry,
kybernetizace funkcí – PRVKY UMĚLÉ INTELIGENCE (propojení podobná neuronovým sítím).
Vše co vzešlo z elektronizace a kybernetizace se logicky dostalo do technických prostředků výroby a tedy do technologií (CNC výrobní stroje, adaptivní roboty apod.), čímž se zvýšila přesnost a rychlost výroby a tím logicky kvalita výrobků. Masovost výroby ovlivnila ceny výrobků, čímž ovlivnila masovost jejich spotřeby, to generuje více zdrojů pro rozvoj a inovace a tak se tvoří ona spirála opakovaně vracející se k technologiím. Mnoho technických prostředků jak výrobních (stroje a přístroje) tak spotřebních (hry, televize, tablety atd.) je limitována schopnostmi použivatelů, tedy lidí. Nejdůležitějším lidským „receptorem“ – snímačem, je zrak a vizuální kontakt s okolním světem (výstupy výpočtů počítačů v podobě čísel i grafů ověřujeme vizuálně na zobrazovačích – monitorech, technické výkresy jsou grafickým znázorněním tvaru a velikosti konstrukčních prvků a strojů…). Proto je logické, že vizualizace je správným člověčím rozhraním při jakémkoli výkonu činnosti, tedy i při výrobě složené z různých technologií. Proto považuji za důležité, zejména pro tu nejmladší generaci zdůraznit, že: VIZUALIZACE je nástrojem (podobně jako lupa u filatelisty aby lépe viděl na svou sbírku známek) a ne jak se často uvádí, že pracujeme s počítači a nazýváme to práce s informačními technologiemi. Což je absolutně nesprávné, protože i v technologiích je počítač nástrojem vizualizace, technických výpočtů, technického kreslení či řízení. Informačními technologiemi, proto můžeme nazývat komplex činností v rámci informačního systému pracujícího podle člověkem zpracovaných postupů (programů - software) na jejichž konci je požadovaná transformace vstupních dat, nebo zařazení informační a komunikační techniky jako součásti řídících systémů průmyslových technologií.
93
SHRNUTÍ KAPITOLY
Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technického pokroku člověka je zvídavost, a potřeba zvyšování své pracovní výkonnosti úměrná růstu lidské populace.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Která revoluce rozběhla nejvýznamněji technický pokrok? 2. Čím přispělo osvícenství k rozvoji oborů techniky? 3. Co je potřeba k tomu, aby vznikali objevy a vynálezy?
94
8 PROČ JSOU TECHNOLOGIE TAK VÝZNAMNÉ? CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak kuriózní, někdy zdlouhavá a někdy i náročná je cesta poznání. Je možná cesta od experimentu k teorii, ale i opačný postup od sestavení principů teorie a často zdlouhavému a náročnému postupu její ověřování a potvrzování. Získáte znalosti o významu technologií a technologického výzkumu pro Znalosti pokrok člověka a lidstva.
Tato část negeneruje dovednosti.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Civilizace, metalurgie, výroba, energetická transformace.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1 hodinu.
95
Když je jednoduchý stroj, či skupina vědomě uspořádaných strojů (ve výrobě) pracovním pomocníkem lidí, zvyšujícím produktivitu a výkonnost člověka, pak technologie jsou fyzikálně ověřené postupy umožňující neustálé zdokonalování techniky – strojů. Podstatou všech technologií je materiálová fyzika a chemie vycházející s podstaty uspořádání elementárních částic hmoty. Jako historický příklad uveďme nejstarší technologii znamenající významné společenské posunutí člověka, k tomu co dnes nazýváme CIVILIZACE. Po objevení základních mechanických principů (páka, kolo, převod apod.) největší civilizační pokrok zajistili právě technologie. Nahrazení kamenných nástrojů kovovými je důsledkem jedné z nejstarších technologií – METALURGIE (což je vytavení kovové hmoty z rud, vytváření slitin přetavováním vytavených kovů, vytváření metalických a keramických povlaků na povrchu slitin, kompozitní materiály, slinuté kovové a nekovové materiály). Podstatou metalurgií je organizace (vytváření) atomů (resp. iontů) do mřížek (podobných minerálům) a uspořádání atomových mřížek do větších celků (zrn a subzrn strukturních složek kovů a slitin). Podstatou chemických technologií je uspořádání molekul do řetězců či prostorové sítě. Využití přírodních (přirozených) reakcí látek s molekulovou strukturou je podstatou biotechnologií a potravinářských technologií. Podstatou celé technologie energetiky, je přeměna materiálové podstaty tj. uspořádání elementárních částic obsažených v materiálech, kterých se přeměna týká. Při této transformaci se uvolňuje energie, kterou pak měníme na jiné formy energií, transportujeme a uskladňujeme. Zdokonalování technologií tak významné zejména pro druhou polovinu dvacátého století umožnilo významné snížení energetické náročnosti jak průmyslu, tak i domácností, zvýšení výrobní produktivity, což znamenalo větší objem výroby a snížení koncových cen výrobků. Extrémní zvýšení produkce podniků znamenalo i extrémní zvýšení zisků a tím pádem i více zdrojů do výzkumu a vývoje a jeho výsledky se vrátili investorům v podobě snížení výrobních nákladů a vývojem nových produktů a jim příslušných služeb. Samozřejmě do těchto procesů zasáhla i globalizace, která přispěla dalším zvýšením rychlosti těchto procesů. Období posledních dvou století je doprovázeno obrovskou populační explozí, zejména v civilizačně méně rozvinutých oblastech Světa. Globalizace a přenos zejména výrobních technologií na dálný východ (Čína, Indie, Indonésie, atd.) znamenaly další akceleraci rozvoje technologických procesů a služeb s výrobou souvisejících, např. logistických, výzkumných, bezpečnostních apod.
96
SHRNUTÍ KAPITOLY
Odvěkou ambicí člověka je objevování a zkoumání nového nepoznaného. Jeho motivem je zvědavost, ale i nepoznané dobrodružství spojené s „cestou světem nepoznaného“. To je zajisté spojené i se strachem a spojení zvědavosti a strachu je zdrojem adrenalinu, po kterém mnozí lidé doslova touží – což je ono dobrodružství. Překonané dobrodružství posiluje odvahu a nutí k akceleraci činnosti spojené s adrenalinem a pocitem uspokojení, resp. u mnohých i pocity štěstí. Toto právě popsané v plné míře platí i pro oblast věd technologických.
97
9 V ČEM JE MĚŘÍTKO POKROKU APLIKACE TECHNOLOGIÍ NA SLOŽKY ŽIVOTA ČLOVĚKA. CÍL Po úspěšném prostudování a aktivním absolvování kapitoly studující získá přehled o tom, jak kuriózní, někdy zdlouhavá a někdy i náročná je cesta poznání. Je možná cesta od experimentu k teorii, ale i opačný postup od sestavení principů teorie a často zdlouhavému a náročnému postupu její ověřování a potvrzování. Získáte znalosti o vlivu technologií na lidský život.
Znalosti
Tato část negeneruje dovednosti.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Inženýr, technologie, pokrok, člověk.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 2 hodiny.
98
Technologie samotné nejsou a nesmějí být samoúčelné, objevení nových fyzikálních principů může být důsledkem zvědavosti, ješitnosti, zištnosti apod. člověka / vědce (vědců), což často v minulosti tak fungovalo. Dnes je ve velké míře rozvoj technologií sice stále spjat s fyzikou, ale již není na „náhodě“, ale týmy vědců, konstruktérů, výzkumníků a zlepšovatelů pracují na objednávku firem a často se jedná o firemní výzkum. To souvisí s obchodní strategií firem ale ne jen firem, protože tlak na změnu kvality života (práce, bydlení, příroda – životní prostředí), je i zvnějšku od obyvatel kde firmy sídlí, ale i zvnitřku firem od samotných pracovníků. Samozřejmě zdokonalující se moderní výrobky a postupně se zvyšující jejich počet mění kulturu společnosti a tak samotní výrobci a jejich výrobky vytvářejí tlak na změnu společenskou tak pracovní (bohužel to platí jen pro tu rozvinutější část světa, protože v chudých zemích se nadále chováme imperiálně a spíš z tlaku zájmových nevládních institucí se i tam něco málo změní, tj. dětská práce, nízké příjmy, bydlení apod.). Tento trend je i důsledkem výrazné elektronizace a informatizace života a práce. Průmysl energetiky, elektroniky a informatiky je prostorově menší a extrémně čistější, než hornictví a například hutnictví. To se s rostoucím počtem lidí pracujících v těchto „čistých“ provozech logicky přenáší do kultury a pracovní a sociální potřeby člověka (jako příklad vzpomenu na některé domorodé kmeny kdysi v Africe, nebo nedávněji v Jihoamerických pralesech, kde conquistadoři /minulý i ti dnešní/ návštěvníci přišli oblečení a dnes skoro nenajdete lokalitu světa, kde by lidé chodili nazí či skoronazí, byť to nepotřebují víc jak kdykoli v minulosti – pokud nezměnili svou dělbu práce a způsob života). Nové technické prostředky jsou ekologičtější (mají menší spotřebu energií, jsou menší, neobsahují zdraví škodlivé komponenty ani nebezpečné povrchové úpravy) a zejména v Evropě je velká snaha po recyklaci produktů a menší zátěži přírody z titulu menší potřeby zdrojů (energetických, surovinových i materiálových). Je to asi logické, protože Evropa je na jednotku plochy nejzalidněnější a minulá století extenzivního hospodaření ji nejvíce poškodily a dnes se musí snažit ne jen o současnou udržitelnost, ale o jakousi „rekonstrukci“ své fauny a flóry (do jisté míry se jí to daří, ale bohužel globální změny ji zasahují do té míry negativně, že se to daří velmi pomalu a většinou ne plošně). Dnes tedy MĚŘÍTKEM POKROKU TECHNOLOGIÍ není důslednost a dokonalost využití fyzikálních principů, důmyslnost technických řešení – což je většinou samozřejmostí (tu je jistá podobnost s automobilismem, protože konstruktéři automobilových firem používají komputerů a simulačních softwarových nástrojů i jejich návrhy jsou optimalizované pomoci matematických modelů, které logicky musí vést k podobným nebo stejným výsledkům, to se týká odporu vzduchu, výkonnosti motorů, spotřeby pohonných hmot apod. – PROTO JSOU AUTOMOBILY RŮZNÝCH ZNAČEK TAK PODOBNÉ), ale OHLEDUPLNOST K PRACOVNÍMU A ŽIVOTNÍMU PROSTŘEDÍ + MÍRA SPOŘEBY ENERGIÍ + MÍRA SPOTŘEBY SUROVIN a MATRIÁLŮ „tekoucích“ technologickými procesy. Zásadní společenskou otázkou dneška není ani technická či technologická udržitelnost spojená s nároky výzkumu a vývoje či výtěžností zdrojů, ale spíš SOCIÁLNÍ UDRŽITELNOST SOUČASNÉ AKCELERACE TECHNIKY A TECHNOLOGIÍ, schopnost lidí adaptovat se v takovém prostředí a neztratit své evolučně dosažené schopnosti a danosti. Bohužel vidíme to i u nás doma, byť nová technická řešení a prostředky IKT (IKT - informační a komunikační technika) mohou být prostředkem zvyšování znalostní úrovně a specifických schopností, tak spíše opak je pravdou – vzdělávací systém generuje spíše méně zdatné jedince, potlačuje výjimečnost a talent a posiluje průměrnost a podprůměrnost – technika totiž nenahradí nikdy lidskou tvořivost ani schopnost improvizace. 99
Už si to zjevně uvědomujeme, čehož produktem je i tento projekt „Poznej tajemství vědy“ jehož účelem je podle mého názoru, osvěta zdůrazňující nenahraditelnou roli člověka, jeho místa v pokroku a nutnosti znalostí principů, bez kterých ani žádný výtvor moderní doby neumožní jejich další zdokonalování, neboť vše co víme a známe, máme z přírody, ve které platí veškeré zákony, zákonitosti a pravidla která vedla k současné podobě technického pokroku. Podstatu těchto jevů a zákonů však nemůžeme poznávat z aplikací, kde jsou „zastřené“ v nějakém technickém řešení (pozorováním integrovaného obvodu nepoznáme fyzikální princip elektrické vodivosti a nepomůže nám ani při identifikaci pravidel Booleovy algebry). Například právě matematika je vědní disciplina, jejíž znalosti v populaci mladých lidí ubývá (počítače mnoho spočítají, znají diferenciální počet, řeší soustavy mnoha rovnic a integrály nejsou žádný problém, ale! - většina řešení vyžaduje zadání nějakých okrajových podmínek a správnost výpočtů je určována právě správností jejich zadání, což vyžaduje znalost matematických principů a metodik výpočtů). Vzdělávání se dnes není ani lehčí ani rychlejší jako kdysi, byť máme různé pomůcky jako tablety či počítače, ale na druhé straně přibývá znalostí, které se díky technickému pokroku nutně dostávají do učebních osnov – proto je toho více a právě v tom nám mohou pomoci různé pomůcky a nástroje typu oněch zmiňovaných tabletů či internetu. Pokud to zjednoduším, tak studium není ani náročnější ani lehčí ani rychlejší než před 50 lety.
100
SHRNUTÍ KAPITOLY
Co je POKROK? Dovolte mi příklad, dnes je dosti velkým problémem tzv. vyspělých zemí – obezita, která je podle většiny lékařů výsledkem přejídání lidí (jak je uvedeno v Bibli – OBŽERSTVÍ). Pokud je to tak, pak je to i výsledkem technického a technologického pokroku umožňujícího produkovat víc jídla a protože společenský systém podporuje dravost, soutěživost a chamtivost lidí (což jsou odvěké vlastnosti lidí) a reklama ještě tyto vlastnosti „bičuje“ do extrémností a protože máme dost peněz, které reklama vytahuje z kapes lidí = výsledkem je akcelerace objemu výrobních kapacit zajišťujících vyšší spotřebu. I to je pokrok i tam jsou technologie a technika. Tohle je však pokrok spíše negativní. POZITIVNÍ POKROK JE VE PROSPĚCH LEPŠÍCH VLASTNOSTÍ ČLOVĚKA, KTERÉ SE PROJEVUJÍ V UMĚNÍ, POZNÁVÁNÍ „NOVÝCH SVĚTŮ“, POZNÁVÁNÍ SAMA SEBE, V POZITIVNÍM OVLYVŇOVÁNÍ LEPŠÍCH VLASTNOSTÍ ČLOVĚKA, JAKO JE SOUNÁLEŽITOST, SOUCIT, SOCIÁLNÍ PROSPĚCH apod. To je možné když budeme mít na to více času, když naše okolí, naše příroda nám budou vzácnější než všechny labužnické a zážitkové prožitky a všechny peníze světa. Důkazem toho je historie vědy, JEN MÁLO VĚDCŮ ŽILO A CHTĚLO ŽÍT V BLAHOBYTU!
101
10 CO UMOŽNÍ STUDIUM TECHNOLOGIÍ A PROČ SE ZDÁ, ŽE JE TO NUTNOSTÍ. CÍL Slůvko TECHNOLOGIE je dnes asi nejčastěji používaný technický výraz, paradoxní však je, že většina lidí si pod tím představuje úplně něco jiného. Dobré je, že se toto slůvko dostalo do povědomí lidí, ale musí následovat další krok, což je „zaplnění děr“ ve struktuře a počtech odborníků technologů. Každý výrobek je produktem nějaké technologie, tím výrobkem může být stavba (silnice, most, dům apod.), stroj (výrobní i spotřební), přístroj (měřič, počítač apod.) nebo pomůcka (mlýnek ne nudle, osvětlovací baterka apod.). Technologie jsou tedy neobklopující lidskou společnost. Ale podívejte se zejména do kategorie spotřebních výrobků kolik z nich má na štítku MADE IN CZECH? Abychom zabránili „ztrátě dechu s pokrokem“ a snižování životní úrovně naší společnosti, musíme vychovávat a vzdělávat dostatek konstruktérů navrhujících nové lepší stroje a minimálně několikanásobně větší počet technologů, abychom zvládli výrobu nových lepších konstrukcí. A nejen to, musíme, zvládnou i výrobu těch starých. Vytvoření povědomí potřeby technologií a potřeby vzdělávání v oborech Znalosti technologií.
KLÍČOVÁ SLOVA Vlastnosti, měření, nevědomost, znalosti.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 0,5 hodiny.
102
Podívejme se kolem sebe, kolik technických prostředků používáme (auto, vysavač, pračka, myčka, kuchyňský robot, jízdné kolo apod.), průmysl je pln technologií, zemědělství bez strojů a mechanizovaných technologií je již nepředstavitelné, bez znalosti stavebních technologií a materiálů nepostavíte moderní průmyslovou ani užitkovou stavbu. POKUD SI CHCEME ZACHOVAT ALESPOŇ SOUČASNÝ ŽIVOTNÍ STANDARD, POTŘEBUJEME MÍT VLASTNÍ ODBORNÍKY, KTEŘÍ BUDOU SCHOPNI NAVRHOVAT, OBSLUHOVAT A UDRŽOVAT MODERNÍ TECHNIKU A TECHNOLOGIE. Proto je nevyhnutné abychom měli jak studijní programy tak studující na našich středních a vysokých školách technického, technologického a přírodovědného zaměření. Již dlouho se traduje, že toto studium je nepřiměřeně náročné a uplatnění těchto odborníků je omezené a málo finančně ohodnocené. Ukazuje se, že dnešek je do jisté míry jiný než řekněme devadesátá léta minulého století, kdy se mnoho firem potácelo na pokraji krachu. V České republice je průmysl nosným odvětvím hospodářství, proto potřebuje i odborníky a právě jejich nedostatek generuje i jiné (lepší) podmínky jak pracovní tak finanční. Pracovní trh je nasycen absolventy humanitních, právnických a ekonomických oborů, kteří logicky těžko hledají svoje uplatnění v hospodářském systému naši země (kolik právníků a ekonomů potřebuje výrobní podnik v porovnání s řemeslníky - dělníky, konstruktéry, technology a manažery provozů, závodů a podniků kteří mohou o těchto firmách kvalifikovaně rozhodovat, protože mají technické vzdělání a praxi v procesech vytvářejících onu přidanou hodnotu, což je vlastně obchodním artiklem všech výrobních firem a velké části firem působících v oblasti služeb). Samozřejmě na těchto lidech je i obrovská odpovědnost, neboť produkty jejich firem mohou být i velice nebezpečné, například říká se, že automobil může být na cestě velice nebezpečnou zbraní, když opomeneme pochybení řidiče, pak nepředvídatelná nefunkčnost některé z důležitých funkcí a jednotek automobilu, dělá z auta onu nebezpečnou zbraň. Tyto prvky konstrukce automobilů navrhují konstruktéři a výrobu provozně zajišťují technologové – PROTO SI NEMOHOU DOVOLIT HAZARD NEZNALOSTI. Jak poznáte, že nějaká konstrukce je funkční – spolehlivá – bezpečná? Odzkoušíte ji v provozních podmínkách a změříte parametry vlastností, které pak porovnáte s předpovědí (vypočítané a navržené hodnoty). Hodnoty měřených vlastností, pokud jsou měřitelné, mají vždy číselnou hodnotu, a proto při jejich vyhodnocování musíme použít matematických metod, které ale tím pádem musíme znát (jelikož se vždycky pohybujeme v nějakém intervalu). Konstruktér musí všechny návrhy svojí konstrukce propočítat (dneska mu v tom pomáhají různé počítačové programy využívající komplexních matematických metod), aby mohl nést odpovědnost za bezpečnost a spolehlivost toho co navrhl. To je důvod potřeby znalostí z oboru matematiky, která je však uživatelská, tedy MATEMATICKÉ METODY a postupy JSOU SPROSTŘEDKOVACÍM NÁSTROJEM PRO VYTVÁŘENÍ TECHNICKÝCH PROSTŘEDKŮ SOUČASNÉ CIVILIZAČNÍ EPOCHY LIDSTVA. Pokud budeme dostatečně bohatí, možná se spokojíme se službami zajišťujícími provozuschopnost všeho, co ve svém životě používáme. Když nebudeme tak bohatí, abychom všechno zaplatili jiným, a budeme chtít zachovat si alespoň dnešní životní standard, pak budeme muset zajistit alespoň provozuschopnost a bezpečnost těch zařízení, která již máme. To bude vyžadovat technickou a technologickou zdatnost podpořenou znalostmi, které nejlépe získáme vzděláváním. Součástí takového bazálního vzdělávání pro technicistní společnost jakou tu již máme, jsou zejména připravenost znalosti principů, což nám dává studium FYZIKY a zajištění jakéhokoli mechanizmu musí odpovídat jistým poměrům funkčnosti, které nelze zajistit jinak, nežli výpočtem – proto MATEMATIKA a její nástroje a metody jsou druhým nevyhnutným předpokladem zajištění dnešního životního standardu člověka. 103
SHRNUTÍ KAPITOLY
Odpovědí na otázku, proč si dnes tak pohodlně žijeme, jsou technologie, jejichž vývoj byl, je a bude podmíněn technickým i společenským rozvojem lidstva. Znalosti z oboru techniky limitují naše znalosti a experimentální zručnost fyziků a fyziky, která se ale neobejde bez nástrojů rozvoje teorie, tj. hlavně matematiky a její nástrojů a postupů.
104
11 ZÁVĚR Na závěr se vrátíme k úvodní otázce modulu: „Umíme žít bez strojů?“ Z uvedeného historického výčtu a uvedené velmi stručné retrospektivy o strojích a jejích součástech, můžeme konstatovat, že člověk bez strojů nežije a ve svojí psané historii ani nikdy nežil. To je však jediný prvek charakteristiky člověka a lidstva, který nás vyčleňuje z okolní přírody a její přirozenosti. Lidská technika je však bytostně závislá na přírodě a jejich zdrojích, jak motivačních (většina našich strojů, mechanizmů a nástrojů má svou alternativu v živé přírodě biologických druhů a jejich druhové organizace), tak materiálních a energetických. Tento jediný rozdíl od zbytku pozemské přírody nám podle mého názoru nedává právo se chovat, co by vládcové přírody (už i proto, že vše co považujeme za své poznatkové dědictví, vzniklo pozorováním a porozuměním přírody v širším slova smyslu – přírody Země a přirozenosti viditelného Univerza kolem nás). Vymýšlejme k přírodě a lidem ohleduplné stroje, jež umožní udržitelnost lidské společnosti a minimálně stejnou měrou i udržitelnost alespoň dnešního stavu přírody!
Peter Ponický autor
105
12 SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÁ LITERATURA 1 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
25 26
Andrlík, K., Základy chemických výrob, SPN, Praha 1965 ASZTALOS, O. (2009). Modely struktury didaktiky odborných předmětů. Dostupné z WWW: < http://www.nuov.cz/uploads/TTnet/Konference_10_2009/Asztalos_prezentace_konf_TTnet_14_ 10_2009.pdf > AUGUSTA, F. (2006). Inženýrská pedagogika - jak učit učitele "nově". Dostupné z WWW: < http://blisty.cz/art/31743.html > Automatizace a robotizace I, učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství Burger, I., Hudec, L., Elektronické prvky, alfa Bratislava, 1989, ISBN 80-05-00120-7 DUBOVSKÁ, R., LAJČIN, D. Didaktika odborných predmetov. Dostupné z WWW: < www.siov.sk/ext_dok-dop/16351c > FRIEDMANN, Z. Oborová didaktika. Dostupné z WWW: < http://www.ped.muni.cz/wtech/old2012/elearning/oborova_didaktika.pdf > http://clanky.rvp.cz/ http://cs.wikipedia.org/wiki/Kvantová_fyzika http://fyzika.jreichl.com/ http://vitejtenazemi.cz/cenia/index.php=prumyslesite=spotreba http://www.cez.cz/ http://www.institut-wv.de/index.php/7016/. http://www.kip.zcu.cz/kursy/svt/eb/hist/htech/obecne_uvahy.html, http://www.nano.bam.de/de/home/index.htm, https://idw-online.de/de/news391816 Kadavý T., Nanotechnologie v polovodičové elektronice, Ročníková práce z fyziky, Gymnázium Turnov, 2009 KOPÁČ, J. Dovednost – základní pojem didaktiky technických předmětů. Dostupné z WWW: < epedagog.upol.cz/eped2.2002/clanek02.htm > Košturiak, J., Gregor, M., Podnik v roce 2001 – revoluce v podnikové kultuře, Grada Publishing Praha, 1993, ISBN 80-7169-003-1 KRUŠPÁN, I., MODRANSKÝ, L. (2010). Didaktika odborného výcviku. Dostupné z WWW: < www.siov.sk/…dok-didaktika_odborneho_vycviku/16353c > Mason, R.J., Switch Engineering Handbook, McGrew-Hill, Inc., New York, 1993, ISBN 0-07040769-X Middeleman, S., Hochberg, K. A., Process Engineering Analysis in Semiconductor Device Fabrication, McGraw-Hill, Inc. New York, 1993, ISBN 0-07-041853-5 MILLER, I. Didaktika odborných předmětů. Dostupné z WWW: < www.miller.wz.cz/diops/1a.doc > PECINA, P., SVOBODA, I. (2014). Vybrané otázky didaktik odborných technických předmětů: přístupy k vymezení a strukturaci didaktiky technických předmětů jako vědecké a studijní disciplíny. Lifelong Learning – celoživotní vzdělávání, roč. 4, č. 1, s. 23–44. ISSN 1804-526X. Dostupné z WWW: < www.vychova-vzdelavani.cz/ll1401/studie_pecina > Persons, P. a kol., 30 vteřin na vědu – 50 nejpodnětnějších vědeckých teorií, o nichž získáte přehled za 30 vteřin, vydavatelství Fortuna Libri, Praha, 2012, ISBN 978-80-7321-638-2 Ponický, P., Analýza poruch prvků elektroniky metodami a prostředky materiálového výzkumu, Habilitační práce, 1999, ČVUT Praha – TU v Trenčíne. 106
27 SCHUBERT, M. Od didaktiky normatívnej k didaktike poradenskej. Dostupné z WWW: < https://www.pulib.sk/.../Lukac1/subor/Schubert.pdf > 28 Szendiuch, I., Mikroelektronické montážní technologie, VUTIUM Brno, 1997, ISBN 80-2140901-0 29 Šesták, J., Strnad, Z. a kol., Speciální technologie a materiály, Academia Praha 1993, ISBN 80200-0148-4 30 Wang, F.F.Y, Intoduction to Solid State Electronics, North-Holland, Amsterdam, 1988, ISBN 0444-87317-1 31 Zamarský, V., Ponický, P. Kaloč, M., Technologie a sektory tvorby hodnoty výrobků a služeb, Opora pro kombinované studium, VŠP Ostrava, 2014.
Internetové zdroje 1. 2.
Domovská stránka projektu UNIEDU. Dostupné z WWW: < www.uniedu.vutbr.cz/ > Skripta Didaktika technických odborných predmetov. Dostupné z WWW: www.stuba.sk/…acoviska/icv/skriptum_didaktika_1.doc >
<
Všeobecně známé obrázky nejsou citovány. Jedná se o takové informace, které jsou obecně známé, nezpochybnitelné, popřípadě snadno ověřitelné ve všeobecných publikacích (encyklopedie nebo základní učebnice).
107
ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO ŽÁKY A STUDENTY Společenský vývoj, společenské změny jsou znakem „vlády rozumu“, tj. osvobození od různých omezení vytvářených jak lidmi samotnými tak praktickým pozorováním a zvládnutím přírodních procesů kolem nás. Tato svoboda otevírá prostor pro osvobození práce v materiální sféře lidského bytí. Tak je vytvářen prostor pro tvůrčí sebeuplatnění/sebeuspokojení, čím se snad potlačuje vliv pouhé „vnější“ nutnosti přežití a stává se vnitřní potřebou člověka (jakýmsi požitkem života) v němž mizí protiklad mezi prací a volným časem14. Tímto způsobem je možno charakterizovat tvůrčího člověka, což bezesporu patří být charakteristikou vědce, konstruktéra i technologa. Tedy jedním ze zásadních rysů takovýchto lidí je TVOŘIVOST (kreativita). Jednou ze stěžejních úloh společnosti a jejich vůdců je vytváření podmínek pro rozvíjení tvořivosti, ale protože výsledky tvůrčí práce mohou být i zneužity v její neprospěch, musí být i „strážcem“ a ochráncem proti nebezpečnému zneužití poznatků vědy, techniky a technologií. Tvůrčí činnost nepůsobí jen extrovertně, směrem od tvůrce, ale i introvertně, směrem k tvůrci a poskytuje mu uspokojení ze seberealizace a naplnění smyslu života. Aby se v osobnosti člověka vypěstovala touha a schopnost pracovat tvůrčím způsobem, aby měl takový člověk k tvůrčí práci podmínky je potřeba (zejména v systému vzdělávání, tj. v předškolní, školní i postgraduální etapě):
vytvářet a „pěstovat“ sytém vnitřních a vnějších stimulů podněcujících tvůrčí myšlení, tvořivou práci a bránit rozvoji opačných stimulů; působit na osobnost tak, aby získávala takovou metodickou erudici a znalosti, které by ji umožňovali tvůrčí práci na úrovni známého poznání; vytvářet takové vnější podmínky, které kreativitu podbízejí či příznivě ovlivňují.
V předškolní etapě je to zejména zajištění zdravého fyzického a duševního vývoje dítěte, uspokojování a podněcování jeho přirozené zvídavosti, pěstování mravnosti a estetického cítění a výchovné usměrňování v činnostech rozvíjejících fantazii, vynalézavost a manuální zručnosti. V základní škole a při všeobecně-vzdělávacím působení je to především úkol (pro žáky i studenty), originálně myslet (tj. tvůrčím způsobem) a samostatně rozvíjet své znalosti. Tato obecná formulace nemusí postačovat, proto uvedu jistou míru možné konkretizace pro úroveň všeobecně vzdělávací školy, kam zařazujeme i gymnázia:
14
vštípit žákům a studentům znalosti charakterizující člověka a jeho rasu a odlišující jej od jiného tvorstva pozemského, tj. společenské, přírodní a technické vědy tak aby je uměli aplikovat a samostatně dále rozvíjet a prohlubovat; základním znakem úspěšnosti vzdělávání je všeobecné zvládnutí poznatků společenských procesů a pochopení polytechnických principů hmotné stránky života člověka a z tohoto základu pak žáky a studenty diferencovat podle zájmu a schopností; všech způsobů výuky využívat (teoretické, praktické, laboratorní, vizuální, …) k podněcování tvůrčího myšlení a tvůrčí práce;
Votruba, L., Výchova studentů k tvůrčí práci, Studie ČSAV 13 - 84, Academia Praha, 1984, 21 – 061 - 84
108
vyhledávat talenty a pečovat o nadané žáky a studenty individuálním vedením i mimoškolní zájmovou činností, získávat je pro účast na různých projektech, olympiádách, soutěžích apod. tak, aby se nepřetržitě prolínalo učení se ve škole s objevnou a tvořivou prací; nepochybné je i to co se dnes vůbec neděje, což je usměrňování žáků a studentů k potřebám společnosti, což ale vyžaduje tyto celospolečenské potřeby znát a to dnes bohužel vláda ani MŠMT nedělají a nezjišťují (z toho plyne neustále narůstající deficit dětí znalých fyzikálních a technických oborů tak nevyhnutných pro vyspělý průmysl a civilizační pokrok); podporovat tvůrčí přístup spojení teorie a praxe v dílnách a laboratořích; zařazovat do procesů výuky i odborné exkurze s profesionálním doprovodem tak aby se dokázalo vzbudit zvědavost a touhu po novátorství; vysílat studenty na provozní praxe do moderních a progresivních podniků, provozů a firem a požadovat po nich zpracování zpráv z praxe, které budou obsahovat kritické hodnocení pokrokovosti provozů; vyžadovat samostatní ročníkové či závěrečné práce obsahující nový pohled, novou konstrukci, progresivní nápad, což je znakem tvořivosti žáka a studenta.
109
1 TÉMATICKÁ VÝUKA PRO ZÁKLADNÍ ŠKOLY, GYMNÁZIA A SŠ V rámci týmů budou studenti interaktivně řešit případové situace ve Vámi vybrané oblasti. Níže jsou popsány jednotlivé kroky, které budou společné pro všechna řešená témata: Výběr tématu – vyberte si technologický profil úkolu Sestavení problému – nadefinujte co je cílem řešení úkolu a postup řešení Definice kritérií - nadefinujte kritéria, podle kterých budete hodnotit Vámi vybrané téma a indikátory, které budou kritéria naplňovat. Navržení postupu činnosti a jeho realizace – provedení popisu potřeb (materiálů, nástrojů, pomůcek), navržení posloupnosti činností a způsob jejich realizace (technologický postup) a fyzická činnost – provedení práce. Ohodnocení expertním posouzením - ohodnoťte naplnění kritérií na základě stanovených indikátorů dle navržené metodiky. Jednotlivá kritéria budou ohodnocena na 7 bodové škále <3;3>, kde -3 značí nejhorší stav a 3 nejlepší stav. Výsledky vizualizujte prostřednictvím jednoduchých pochopitelných nástrojů, schémat, výkresů, grafů apod. Interpretace výsledků a tvorba prezentace - výsledky budou vizualizovány ve formě jednoduchých obrázků a následně prezentovány ostatním účastníkům kurzu s využitím prezentace. Pracovní listy Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava
110
PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 1.1 Pracovní list č. 1: Jak si pomoci technologie vyrobit hračku Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava
Jméno: Třída:
Datum:
Výukový blok před venkovním cvičením 1/ Píšťalka Jak si vyrobit píšťalku, kterou můžete přivítat jaro a) Větev vrby b) Větev bezu černého c) Nůž jako obráběcí nástroj d) Šikovné ruce
Úkol
1. krok postupu 2. krok postupu 3. krok postupu 4. krok postupu 5. krok postupu 2/ Lodička Jak si vyrobit lodičku pro jarní „splavení“ potůčku a) Kousek kůry z akátu b) Špejle c) Nůžky d) Papír 1. krok postupu 2. krok postupu
111
Úkol
3. krok postupu 4. krok postupu 5. krok postupu 6. krok postupu ...
3/ ZÁVĚR Důsledkem procvičení těchto jednoduchých úkolů je poznání dlouhověkosti technologií a technologických postupů. Konkrétně v tomto případě OBRÁBĚNÍ.
112
Znalost
1.2 Pracovní list č. 2: Venkovní cvičení ze zemědělských technologií Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava
Jméno: Třída:
Datum:
Výukový blok před a v průběhu venkovního cvičení 1/ Seznámení se základními poznatky zahrádkáře/farmáře Půda a její vlastnosti e) typy f) vlastnosti g) způsoby vylepšování výtěžnosti / hnojení h) úprava půdy před sázením/setím apod. a po sklizni
Úkol
2/ Nástroje a přípravky určené k obrábění půdy Seznámení a ukázky Úkol
rýč
Vysvětlení fyzikálního principu ulehčujícího práci.
Ověření účinnosti pracovního (technologického) nástroje
krumpáč
Vysvětlení fyzikálního principu ulehčujícího práci.
Ověření účinnosti pracovního (technologického) nástroje
LOPATA
Vysvětlení fyzikálního Ověření účinnosti principu ulehčujícího práci. pracovního (technologického) nástroje
ALTERNATIVOU V Vysvětlení fyzikálního PRŮMYSLOVÉ PRAXI JE principu ulehčujícího práci. BAGR atd.
113
3/ Setí a sadba Váš odhad na začátku cvičení:
Váš závěr po průchodu porosty:
Zasejte travní semeno Zasejte mrkev, petržel, ředkvičku apod. Zasaďte vybraný keříkový typ ovocní dřeviny. Zasaďte ovocní stromek, nebo nějaký zahradní jehličnan 4/Podobné typy úloh je možné jako příklad technologického provozu realizovat v oboru gastronomie (vaření).
114
PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 1.3 Pracovní list č. 3: Obrábění, nejčastější technologie průmyslové výroby
Jméno: Třída:
Datum:
Kdysi se říkalo, že práce šlechtí člověka. Zručnost a dovednosti byli nejvzácnějším artiklem po drahých kovech a drahých kamenech! Dnes Motivace tomu není jinak, naopak je to jěště významnější a důležitější s růstem složitosi produktů které vyrábíme. A/ Papír školák používá každý den Za pomoci kreslících potřeb si narýsujte geometrický obrazce a pak je za pomoci nůžek nastříhejte podle nakreslených předloh:
Úkol
Pomůcky: tvrdší papír (např. karton), Nakreslete na papír čtverec nebo pravítko, psací potřeby (např. fixy), nůžky obdélník. lepidlo. Jejich počet má odpovídat počtu stěn Napište si celý postup práce. kostky, nebo kvádru. Naznačte si lemy na narýsovaných dílech, které se ohnou a budou sloužit Realizujte (udělejte) za pomoci nástrojů jako plocha pro slepení částí podle navrženého postupu. navržených objemových útvarů. Použité TECHNOLOGIE:
Vystřihnete díly z papíru a pomoci lepidla jej slepte. Po vytvrzení lepidla a zaschnutí lepených spojů proveďte nátěr Vámi vybranou barvou.
115
a) návrh produktu (konstrukční řešení, technologický postup), b) technologie řezání (stříhání nůžkami), c) technologie spojování (lepení) d) technologie montáže (vytváření konečné podoby výrobku spojováním jednotlivých jeho částí) e) technologie povrchové úpravy (barvení)
B/ Pomozme zvířátkům naší manuální zručností Navrhněte, zpracujte konstrukční a výrobní dokumentaci, a z měkkého/tvrdého dřeva vyrobte zahradní budku pro zimní přikrmování ptáčků
Úkol
Nakreslete si axonometrický (prostorový) model Nástroje: budoucí ptačí budky. Papír, kreslící pravítko
potřeby,
Učitel musí vysvětlit základy technického kreslení a promítání do nárysní a půdorysné roviny. Pak žáci s odborným vedením učitele vytvoří tzv. technickou dokumentaci (technické výkresy) jednotlivých konstrukčních částí ptačí budky (základová deska, přední panel s otvorem pro vlétnutí malých opeřenců a bydlem/dřevěnou tyčkou, zadní a boční stěny ptačího obydlí a dva díly sedlové střechy) 1. Připravte si veškerý potřebný materiál, rozměřte jej na jednotlivé části konstrukce (ptačí budka) 2. Podle výkresů na dřevěné polotovary nakreslíme části ptačí budky.
Pilkou na dřevo vyřežeme jednotlivé části výrobku (základovou desku a stříšku z tvrdého dřeva), další díly z dřeva měkkého.
a. Deska potřebné velikosti z měkkého dřeva (například smrku) b. Deska určené velikosti z tvrdého dřeva (javor, buk, dub, …) c. Menší větev, kterou upravíme nožem jako bydlo (tyčka průměru cca 12 mm) a. Pilka na měkké dřevo s menšími pilovými zuby, b. Pilka na tvrdé dřevo s většími pilovými zuby, c. Hoblík na skosení hran a úpravu řezů
V čelní desce ptačí budky vyřežte kruhový otvor Lupínková pila, rašpl a pilník (poraďte se s učitelem přírodovědy, jak velký otvor pro úpravu povrchu řezu má být pro opeřence pro kterého je budka určená) Zvolte si alternativu spojování: a) lepením (lepidlo na dřevo) b) tavným spojováním (vosk, plast, …) 116
MONTÁŽ:
Pomůcky:
Postupně pomoci zvolené metody spojujte dle Štětec, tavní pistole, hřebíky, technologického postupu konečnou podobu ptačí vruty do třeba, kladivo, budky šroubovák. POVRCHOVÁ ÚPRAVA:
Štětce, barvy
Zvoleným způsobem proveďte povrchovou úpravu vašeho výrobku. Vyřešte způsob zavěšení, uložení či upevnění Drátek, řetízek, oko pro hřebík výrobku do exteriéru zahrady. apod. C/ Proveďte technologickou zkoušku V technologické praxi se vlastnosti nástrojů volí podle vlastností Vysvětlení obráběných materiálů. D/ Závěr V technologické praxi se vlastnosti nástrojů volí podle vlastností obráběných materiálů. Právě tříska vzniklá obráběním je jednou z důležitých charakteristik určujících vhodnost použitých nástrojů.
Úkol s učitelem
Porovnejte a popište třísky vzniklé obráběním 1. Dlouhá tříska s malým počtem prasklin/lomů na povrchu: hoblování měkkého dřeva 2. Dlouhá tříska s množstvím prasklin a lomů na povrchu: hoblování tvrdého dřeva 3. Krátké odřezky/tříska po řezání pilou – rozdíly mezi měkkým a Vysvětlení tvrdým dřevem – pokuste se vysvětlit důvod rozdílů Podobně porovnejte podmínky řezání u měkkých kovů (hliník) a tvrdých kovů (ocel), posuďte zejména množství energie potřebné k řezání (pomoci řezné síly a pomoci tepla generovaného v místě řezu).
117
1.4 Pracovní list č. 4: Jak fungují technologie Jméno: Třída:
Datum:
Člověk je uzpůsoben k vnímání dějů kolem sebe přes obrazy, tj. nejdůležitějším receptorem člověka je zrak, tuto informaci upřesňují Motivace další lidská čidla sluchu, hmatu a čichu. Efektivní je použití obrazů doplněných dalšími vněmy (čím je jich víc tím lépe). A/ Nástroje pro obrábění V první hodině vedené učitelem se žáci dovědí dostatek informací o technologii obrábění. Ve druhé hodině pod vedením učitele následuje interaktivní analýza na dokumentačních obrázcích řezných nástrojů v určité pracovní fázi.
Charakterizujte vidíte:
typ
nástroje,
který
Popište podle barevného schématu, co se děje v pracovním režimu:
Charakterizujte vidíte:
typ
nástroje,
který
118
Úkol
Popište podle barevného schématu, co se děje v pracovním režimu:
B/ Poznejte typ obráběcího stroje Učitel promítá různé obrázky obráběcích či jiných strojů mechanických technologií a studenti: 1. Popíšou to, co na obrázku vidí (jaký typ stroje), 2. Vysvětlí za metodické pomoci učitele způsob fungování technologie, pro kterou je stroj zkonstruován.
Úkol Úkol s
u 3. Popíšou to, co na obrázku vidí (jaký typ stroje), 4. Vysvětlí za metodické pomoci učitele způsob fungování technologie, pro kterou je stroj zkonstruován.
Ú G/ Závěr Hlubší poznání v oboru průmyslových technologií je prvkem významným při rozhodování výběru povolání žáků, kteří se rozhodují pro nějakou střední školu. 119
Úkol s učitelem
PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STŘEDNÍ ŠKOLY 1.5 Pracovní list č. 5: VIP mezi technologiemi, NANOTECHNOLOGIE Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava A/
Výukový
blok:
PÁTRÁNÍ
PO
FYZIKÁLNÍ
PODSTATĚ
NANOTECHNOLOGIÍ 1/ Technologie - NANOTECHNOLOGIE Základy fyziky elementárních částic
1.
Atom a jeho struktura.
2.
Uspořádání atomů a vazby mezi nimi.
3.
Subatomární struktury a částice.
4.
Stroje a nástroje pro práci s atomy.
5.
Úkol
proton složený ze dvou „u“ a jednoho „d“ kvarku
Perspektiva nanotechnologie.
2/ Ukázky NANOSTROJŮ Jak fungují nanostroje a jak se vyrábí. Úkol
1.
Ukázka
120
DISKUZE
2.
Ukázka,
3.
Ukázka z molekuly DNA
6/ ZÁVĚR Důsledkem procvičení těchto moderních postupů jsou znalosti o jejich aplikačních možnostech a fyzikální podstatě.
121
Znalost
1.6 Pracovní list č. 6: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava
Jméno: Třída:
Datum:
A/ Výukový blok aplikovaných technologií 1/ STAVEBNICTVÍ - Lego Architecture 21018 Hlavní sídlo Organizace spojených národů, které stojí na břehu East River v New Yorku, se stalo jednou z nejikoničtějších budov světa. A ty teď můžeš tento úchvatný hold modernizmu postavit znovu vlastníma rukama, za pomoci 597 kosterk LEGO – počínaje hladkou fasádou věžové části a konče navazující horizontální budovou v jejím podnoží.
Vhodné pro děti od 12 let. V balení naleznete 597 dílků.
Úkol
2/ STAVEBNICTVÍ - Lego Architecture 21019 Představuje se LEGO Architektura a jedna z nejvěhlasnějších světových památek – Eiffelova věž! Originální věž, kterou navrhl a postavil francouzský podnikatel Gustav Eiffel, měří 324 metrů a má železnou konstrukci. Sloužila jako majestátní vstup na Světovou výstavu, která se konala v roce 1889 v Paříži u příležitosti 100. výročí Velké francouzské revoluce.
Vhodné pro děti od 12 let. V balení naleznete 321 dílků.
122
Úkol
3/ STROJÍRENSTVÍ – MERKUR funkční model parního stroje Funkční model parní stroj je polytechnická hračka, která představuje model skutečného parního stroje a pracuje na stejném principu. Lze ho použít i pro pohon modelků strojů. Otáčení stroje je v obou směrech. Na základně je upevněno topeniště s parním kotlem, armaturami a frém s parním válcem a rozvodovým a klikovým mechanismem.
Pára se přivádí od kotle přívodovou trubkou. K topení se používá pevného lihu. V krabici o rozměrech: 28,5×20×11,5 cm. Úkol
4/ ELEKTROTECHNIKA – BOFFIN 100 elektronická stavebnice Elektronická stavebnice Boffin 100 je určena pro ty, kteří si podle jednoduchého návodu mohou sestavit nejméně 100 různých elektronických hraček a zařízení, která spolehlivě fungují. Například lampičku, rádio, policejní houkačku nebo hlasem řízenou žárovku. Sada Boffin 100 obsahuje 30 dílů, k napájení slouží baterie. Stavebnice Boffin se vyznačuje snadným a rychlým sestavováním dílů podle srozumitelných obrázkových návodů.
123
Úkol
Řada Boffin obsahuje tři stavebnice, které na sebe složitostí navazují. Nejjednodušší umožňuje podle návodu postavit minimálně 100 jednoduchých elektronických přístrojů, další 300 a nejsložitější 500 přístrojů. Je ale možné vymýšlet i vlastní přístroje a hračky. Stavebnice lze i postupně dokupovat, od nejjednodušší ke složitější. 3/ TĚŽEBNÍ PRŮMYSL – důlní rypadlo
B/ Výukový blok EXKURZE 1/ Velký průmyslový komplex Pozorujte, ptejte se na: a) Výrobní místo (základní technologická jednotka), b) Výrobní linka (uspořádání výrobních jednotek), c) Uspořádání výroby (technologický profil), d) Obslužní systémy (údržba, hospodaření s nářadím apod.)
124
Úkol
2/ Napište esej o tom, co jste viděli a co vás zaujalo? Úkol Zaujalo mě:
Technologie: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Příklady komerčně vyráběných technických hraček a možnosti technicky zaměřených stavebnic:
Šlapací vysokozdvižný vozík je unikát mezi hračkami. Děti se mohou zabavit nejen jízdou a manévrováním mezi regály, ale také zdviháním palet. Šlapání funguje na nožní řetězový pohon umožňující pohyb vpřed i vzad, zdvih je na pohon ruční. Nechybí ani páka náklonu nákladové plošiny. Výkonné superpočítače jsou doménou hlavně velkých výzkumných institucí, které si mohou dovolit investovat astronomické sumy. Přitom to nemusí být pravda, Mike Schropp si postavil svůj "superpočítač" a vešel se do 2000 dolarů. Samotná skříň počítače je něco úžasného, celou ji totiž vytvořil z dostupných LEGO kostek. Uvnitř počítače se nacházejí tři procesory Sandy Bridge 2600k na třech základních deskách Asus P8P67 Micro atx a několik SSD disků. Celý tento stroj pohání pouze jeden 1200W zdroj Antec. Výsledný počítač slouží pro náročné výpočty nejen v medicíně. Počítač je hezký a navíc i velice užitečný.
125
2 VÝUKOVÉ MATERIÁLY V ANGLIČTINĚ 2.1 What is it "technology"? The word TECHNOLOGY is today probably the most used technical term, but most people imagine something different considering this term. It is discussed or written about technologies in all human and social fields. The media made this term very popular, although it wasn´t so popular before, because technologies studies were difficult. Neither of these alternatives is good. There probably isn´t a human field, where we can´t find a result of human ability, technical knowledge and an observing skill. The power for a technological human progress is mainly reducing efforts needed for a certain life quality, which consequently means increasing manufacturing efficiency - there is a paradox situation, because then there is less need of m manual work and increase in mental work. It means that today innovations are needed because they can provide better economical competitiveness. All the time, when a man improved in technological procedures, he clearly divided processes of creating technical means from procedures for processing raw materials and materials into tools and machines. There are various technologies which differ mainly in application of physical principles used for transformation processes of input raw materials - these processes are called technologies. Technology deals with creation, implementation and improving manufacturing processes. Today the term technology is sometimes used with the meaning of "technics", which happened because of not exact translation of English word "technology". The term technology can also mean: •
a set of manufacturing means and manufacturing services,
• all means used within the manufacturing process, concerning production, repairing processes or manufacturing services, • a set of documents, called a trade secret or know-how, which a particular company owns - prospects, technical drawings, plans, producing procedures etc. • a department of technical preparation of production in a manufacturing company (a constructor designs and draws a technical drawing and prepares a bill of materials, which is used then for a particular production). A technologist determines on which machines, with which tools and with what expenses the product will be produced. When the word technology appeared in the 17. century for the first time in English, it meant a discussion about used art and in time the meaning changed so much that it started to express the art itself. At the beginning of the 20. century the word started to express increasing need of means, processes and ideas connected with tools and machines. At the second half of the 20. century technology was defined as "a mean or an activity used by human for change or manipulation with a world around him". Such a wide definition is sometimes criticised, because it is more and more difficult to distinguish research from technology-like activities. Wiping differences happens only in virtual reality - it is the same with wiping the difference between science and technology. A man uses his intellectual ability for inventing new 126
technologies and environment modification. For example a mathematical methods (a tool) enable a virtual technics (constructional drawings) to use raw materials characters and science is the part, which can find out these materials features. A social basis for technology usage is a social need, social resources and a good social ethics. If one of these factors fails, a technological progress stagnates or it come to a halt (there are even long periods of technological nihilism known from our history - forgetting and then rediscovering once known procedures). Whatever the source of social need is, it is important that lots of people support one idea to create a market for a technology product or a commodity, which fulfils this social need. There were numbers of inventions that failed, because there weren´t sources available for its realisation (funding, materials, qualified staff). Sources of funds depend on redundant productivity and an organisational structure, which is able to direct existing funds to the right places - where inventors can effectively use funding. Material sources are limited by knowledge of suitable metallurgic, chemical and agricultural procedures in the landscape. Sources of working power depend on quality of educational system and this system is naturally subordinated to a social climate which is friendly to knowledge - this is again a question of social ethics. In our today materialistic world a major factor of society development is consuming production. It brings products, which are mostly used as tools (for music and its interpretation, for food and food production etc.) This is a main reason why it is important to focus on industrial technologies. Industry - it is a production activity, which uses various technologies (production means and production procedures) and processes raw materials and materials into final products. These products have either another usage in industry and agriculture and they serve as production means (tooling machines, mining machines, construction machines, agriculture machines expenses - výdaje, robots etc.) or they are set for a direct consumption and usage as food, electrical appliances for households etc. The basic industries division is: mining industry, manufacturing industry, energetic industry.
127
Výkladový slovník odborných pojmů Anglicky
Česky
Slovník
agriculture
zemědělství
bill of materials
kusovník
drawing
nákres, výkres
energetic industry
energetický průmysl
environment
prostředí
human
člověk
industry
průmysl
intellectual ability
rozumové schopnosti
major
hlavní, důležitý
manufacturing
výrobní
manufacturing industry
zpracovatelský průmysl
matallurgic
metalurgický
mining
těžební
procedure
postup, procedura
product
výrobek
product
výrobek
research
výzkum
resource
zdroje
suitable
vhodný
trade secret
výrobní tajemství
considered effects
uvažované efekty
properties of polymers
vlastnosti polymerů
equation holds
platnost rovnice 128
pojmů
2.2 Co je to technologie Slůvko TECHNOLOGIE je dnes asi nejčastěji používaný technický výraz, paradoxní však je, že většina lidí si pod tím představuje úplně něco jiného. Dnes se o technologiích mluví a píše všude a na všech úrovních. Bohužel tento výraz se za pomoci médií stal tak populární, jako před desítkami let byl nepopulární, protože studium technologií bylo náročné. Ani jedna alternativa není dobrá a samozřejmě ani správná. Není snad oboru lidské činnosti, kde bychom nenašli v nějaké podobě výsledek zručnosti, technického umu a pozorovacího talentu člověka. Hybnou sílou technologického pokroku člověka je snížení pracnosti a manuální složitosti činností a procesů zajišťujících kvalitu života, což v konečném důsledku znamená naopak zvyšování výrobní/technologické výkonnosti úměrné růstu lidské populace, čímž se paradoxně generuje i neustále menší potřeba manuální práce a vyšší podíl práce mentální. Přeloženo do současného slovníku, potřeba inovací, která je v globálním prostředí spojená i s hospodářskou konkurenceschopností. Po celou dobu kdy se člověk zdokonaloval ve výrobních postupech, jasně odděloval procesy tvorby technických prostředků od postupů zpracování surovin na materiály a materiály na nástroje a stroje. Různé technologie se od sebe liší zejména v aplikaci fyzikálního principu pro procesy přetvoření vstupních surovin a materiálů na požadované produkty (výrobky). Tyto procesy se souhrnně nazývají technologiemi. Technologie je odvětví techniky, které se zabývá tvorbou, zaváděním a zdokonalováním výrobních postupů. Dnes se pojem technologie často používá ve významu technika, díky nepřesnému překladu anglického slova technology. Výraz technologie může též znamenat: •
souhrn výrobních prostředků nebo prostředků oprav a výrobních služeb,
•
veškeré použité prostředky pro práci, týkající se výroby, oprav nebo výrobních služeb,
• souhrn dokumentů, nazývaných výrobní tajemství nebo know-how, patřících podniku, mezi něž patří prospekty, technické výkresy, plány, výrobní postupy a podobně. • oddělení technické přípravy výroby ve výrobním podniku (konstruktér navrhne a nakreslí technický výkres a připraví kusovník materiálů, ze kterých se má vyrábět. Technolog (pracovník oddělení technologie) určí, na kterých strojích, jakým nářadím a s jakými náklady (za kolik peněz) se bude vyrábět. Když se slovo technologie poprvé v 17. století objevilo v angličtině, znamenalo diskusi pouze o užitém umění a časem se jeho význam změnil tak, že označovalo samo toto umění. Na začátku 20. století toto slovo popisovalo stále rostoucí oblast prostředků, procesů a idejí spojených s nástroji a stroji. V druhé polovině století se technologie definovala jako “prostředek nebo činnost, používaná člověkem ke změně nebo k manipulaci s okolním prostředím”. Takto široce pojatá definice je některými kritizována, protože se jim zdá, že je stále obtížnější odlišit výzkum od technologických činností. Protože stírání rozdílů je vždycky jen virtuální realita i takové sbližování a stírání rozdílu mezi vědou a technologií je jen virtuální (někomu vyhovující). Rozumové schopnosti člověk využívá k vynalézání technik a modifikaci prostředí. Tak například matematické metody (nástroj) umožňují virtuální techniky (konstrukční návrhy) využívající 129
vlastností přírodních/syntetických surovin a materiálů a věda je tou složkou, která objevuje právě ty vlastnosti. Společenským východiskem pro užití technologie je společenská potřeba, společenské zdroje a příznivá etika společnosti. Pokud kterýkoliv z těchto faktorů absentuje, technologický pokrok vázne, nebo se úplně zastaví (z historie známe i dlouhá období technologického nihilizmu – zapomenutí již objevených a známých postupů). Ať je zdroj společenské potřeby jakýkoliv, je podstatné, aby ho sdílel dostatečně velký počet lidí, schopný vytvořit trh pro produkt technologie nebo komoditu, která tuto potřebu splňuje. Mnoho vynálezů ztroskotalo na tom, že nebyly dostupné zdroje důležité pro jejich realizaci (kapitál, materiály, kvalifikovaná pracovní síla). Zdroje kapitálu závisejí na nadbytečné produktivitě a organizačním uspořádání, které je schopno nasměrovat dostupné zdroje tam, kde jich mohou vynálezci použít. Materiálové zdroje jsou limitované znalostmi vhodných metalurgických, chemických, zemědělských a jiných postupů a dostupností v krajině. Zdroje pracovní síly jsou limitně závislé na kvalitě vzdělávacího systému a ten je zajisté podřízen společenskému klimatu nakloněnému, či shovívavému ke znalostem – což je i otázka společenské etiky. V našem materiálním světě je rozhodujícím faktorem rozvoje společnosti materiální výroba. Jejím výstupem jsou produkty, které většinou používáme jako své nástroje (například na hudbu a její interpretaci, na poživatiny a jejich vytváření apod.). To je důvod, proč se chceme zabývat právě průmyslovými technologiemi. Jako průmysl označujeme výrobní procesy/činnosti, při kterých se za pomoci technologií, tedy výrobních prostředků a výrobních postupů, získávají a zpracovávají suroviny a materiály na konečné výrobky/produkty. Výrobky mají buď další využití v průmyslu a zemědělství a slouží jako výrobní prostředky (obráběcí stroje, těžební stroje, stavební stroje, zemědělské stroje, roboty apod.), nebo jsou určeny k přímé spotřebě, jako potraviny, spotřebiče pro domácnost apod. Prvotní dělení průmyslu je na TĚŽEBNÍ, ZPRACOVATELSKÝ a ENERGETICKÝ.
130
3 DOPLŇUJÍCÍ ANGLICKÝ TEXT 3.1 A model for mechanisms in plastic encapsulated microelectronic devices during temperature-humidity tests-i.
Microelectron. Reliab., Vol. 30, No. 5, pp. 835-838, 1990. Printed in Great Britain. 0026-2714/90$3.00 + .00 © 1990 Pergamon Press plc.
GUENTER MATTHAEI
Mikroelektronik "Anna Seghers" Neuhaus, Thomas-Mann-Strasse2, Neuhaus, 6420, G.D.R. (Received for publication 6 May 1989)
Abstract - This paper contains some criticisms of well known models describing the reactions of plastic encapsulated microelectronic devices with respect to moisture-induced degradation, and also introduces a new general model. The most significant properties of polymers are described with respect to humidity, ageing and also humidity permeation. Furthermore, the mechanisms of plastication and glass transition are explained. Semiconductor devices respond to the processes in the resin by changing their electric characteristics and interrupting electric connections resulting from electrolytic contacts between connections and the corrosion of aluminium. On this .basis a qualitative model showing the influence of temperature and humidity on the aggressively of moulding compounds is given. This model is not limited to either the devices or to the processes in the resin as is usual; instead it combines these mechanisms.
Introduction It is well known that plastic encapsulated devices are not hermetically closed [1, 2]. That is the reason for moisture-induced failure mechanisms. Because of the conditions temperaturehumidity bias belongs to accelerated tests. Many papers were written with the intention of extrapolating the results of accelerated tests on field conditions [3, 4]. Such extrapolation is usually given by the Arrhenius equation, the constants of which are determined by experimentation. A serious disadvantage of this approach is the strong restriction of the range of validity. In the stronger sense these equations will only hold for the same types of device, the same moulding compound, the same ageing conditions, the same time of testing and the same characteristics. Not paying attention to these strong restrictions has resulted in large differences of accelerating factors given by several authors [4-6]. Between some papers and sometimes also in the same pa per there are differences in acceleration factors of more than two decimal powers. This is a consequence of unacceptable generalization of test results [7]. A further disadvantage of well known model s is that they only considered effects which are manifested by the electric reactions of semiconductor devices. The question of chemical or physical basic mechanisms was not considered. But how do we exclude disturbing mechanisms if not by separation? Therefore, it does not suffice to observe the reactions of microelectronic devices by electric characteristics. It is necessary to investigate the basic properties of the main parts of the whole system. Only the evaluation of reactions with respect to some basic relations, including failure a model. Such a model will be tested on devices and materials. This paper gives the fundamentals of the behaviour of plastic encapsulated microelectronic devices under temperature-humidity bias and compares them with the suggested model. PROPERTIES OF THE RESIN For the considered case an epoxy resin was used as moulding compound. However, the results are not limited to this case. They are similar for all polymers.
131
Fig. 1: Resistance equivalent circuit of a pnp-transistor with electrolytic distances on the surface.
Epoxy resins show in their molecular structure ranges with typical amorphous properties and quasicrystalline ranges. The quasi-crystalline ranges are characterized by association of thread-like molecules by hydro gen-bridge linkages. Whereas in the quasicrystalline ranges les s free volume exists because of the tighter packaging, in the amorphous ranges there is more free volume inside the twists of the thread-like molecules. Water diffuses into the free volume, according to the laws of Flick. The diffusion of moisture can be described by the following equations, if m(t) denotes the admitted quantity of moisture with time:
Fig. 2: Aluminium corrosion at metallization on the chip.
m(t ) m (1 m(t )
8
2D
4d 2
exp( 2
t)
m 2
m(t ) m
4
D.t d2
Diffusion starts with a square root dependence on time. After absorbing a fixed quantity of moisture the range of saturation begins and water diffusion takes place according to equation. The carriage of moisture is retrogressive in time. First the humidity in the resin will only increase the weight, without any negative consequences. The processes in the molecular structure cause changes in the properties of Fig. 3: Corrosion of an the compound. Water solvated at thread-like molecules causes an aluminium wire. expansion of the resin matrix. This expansion increases the mobility of segments so that the expansion effectively acts like plastication. In the following the term plastication can be used without any restrictions. Plastication reduces glass transition temperature. Glass transition temperature is a typical value of a typical phenomenon of polymers. Glass transition is the transition between the glassy state and rubber elasticity and also the reverse. During this transition important physical properties are changed, e.g. coefficients of linear and cubic expansion, factors of dielectric and mechanic loss, refraction index and heat capacity. A compound after glass transition is totally different from the compound in its initial state, with respect to its physical properties. Molecules of water solvated in the matrix of the resin are able to hydrolyse chlorides. These chlorides are dissociated, i.e. solvated on water. The hydrolysed chlorides will diffuse as hydrochloric acid into the electronic devices where they also reach the chip as the aluminium wires. Hydrochloric acid has a high degree of dissociation. By increasing the temperature all these mechanisms become accelerated and increased.
132
THE MODEL The mechanisms in plastic encapsulated microelectronic devices during temperature-humidity bias result from hydrolysis of chlorides and the products' properties as electrolytes and corroding agents. Therefore, the degradation of the devices depends mainly on the quantity of hydrolysed chlorides. Experiments with a large number of devices gave some insight into the fundamental relationships, as shown in Fig. 5. These relationships are based on tests covering more than one million device hours. The intensity of degradation is plotted on the z-axis, while the x-axis shows how the aggressivity of the resin is transmitted to the chip. Here tG denotes the time of glass transition, sometimes only 20 or 30 hr. And tK the time when diffusion dies away. The diffusion of moisture during t > tK is given by equation (2). The effect of carriage is small. This means that for the considered processes, the increase of aggressivity of the resin is damped before arriving at the chip. The y-axis shows the influence of ambient temperature on the aggressivity. TG de notes the glass transition temperature, about 150°C in the dry state, and TU is the ambient temperature. For TG > TU the increase of aggressivity can be described by the Arrhenius equation. At TG = TU glass transition occurs, connected with the change of significant physical properties as explained earlier. Such changes are adequately described by a jump function. The abrupt change of physical properties also causes a change in chemical properties. The rearrangement of the resin matrix produces further opportunities for hydrolysis of chlorides, resulting in an abrupt increase of the aggressivity of the resin at glass transition. The increase at the jump becomes about 100 times larger than the increase in the range of the Arrhenius model. After the glass transition the aggressivity of moulding compounds does not increase further. These mechanisms give the basis of standardization of the x - and y-axes as used in Fig. 4. Fig. 4. Model of a reaction of plastic encapsulated electronic devices at temperature – humidity bias.
Figure 4 shows that low aggressivity is reached for large values of quotients tG/tK and TG/TU. This also means that low failure intensity is reached with a high and stationary value of TG. The most important method used to get high and stationary glass transition temperatures is to extend the range of crystalline structure in the polymer. This can be achieved by attaining a high degree of intermolecular cross-linking. CONCLUSIONS The processes occurring in plastic encapsulated microelectronic devices during temperaturehumidity bias cannot be understood on the basis of measurements of electric characteristics only. Knowledge of the physics of polymers gives important references to the mechanisms having a significant influence on the hazard rate. A model was developed on the basis of more than one million device hours under different test conditions. 133
The model is based on the following fundamental knowledge. 1. Inside moulding compounds which encapsulate microelectronic devices, there exist chlorides which are able to be hydrolysed. 2. In moist environments these chlorides are present as hydrochloric acid with a high degree of dissociation. 3. Between the electrodes of such devices the hydrochloric acid forms electrolytic distances. This causes changes in the electric characteristics. 4. The hydrochloric acid corrodes the aluminium inside the devices by non-stechiometric reactions. It permanently circulates, acting as a kind of catalyst, changing aluminium into Al (OH)3. This corrosion causes breakages of electrical connections. 5. The diffusion of water into devices dies away after the initial period. 6. During glass transition the physical properties of the polymers change significantly; consequently, their chemical properties also change. The model shown in Fig. 4 gives the following rules. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
If the ambient temperature is below the glass transition temperature the aggressivity of the resin increases with temperature according to the Arrhenius law. At TG = TU the aggressivity jumps to a value about 100 times greater than the previous value. After glass transition the aggressivity does not increase further, even for increasing ambient temperature. The effect of carriage during the time of "free diffusion" does not cause loss of aggressivity of the moulding compound. Equation (I) holds. During "saturated diffusion", aggressivity is damped and equation (2) is true. The most severe mechanisms affect the devices for TG/TU and tG/tK less than one. A small hazard rate is achieved by using a high and stationary glass transition temperature as a result of homogeneous cross-linking.
REFERENCES 1) H. Berg and W. Paulsen, Chip corrosion in plastic packages, Microelectron. Reliab. 20, 247-263 (1980). 2) R. Thomas and D. Meyer, Moisture in SC packages, Solid State Technol. No. 9, 56-59 (1974). 3) N. Lycoudes, The reliability of plastic microcircuits in moist environments, Solid State Technol. 21/10. 4) E. B. Hakim, US Army Panama field test of plastic encapsulated devices, Microelectron. Reliab. 17, 387-392 (1978). 5) J. Bickley, Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen; Elektronik Munchen, No. 24, 51-59 (1981). 6) B. Reich, Accelerating factors for plastic encapsulated semiconductor devices and their relationship to field performance, Microelectron. Reliab. 14, 63-66 (1974). 7) S. D. Peck and C. H. Zierdt, Temperature-humidity acceleration of metal electrolysis failure in semiconductor devices, Proc. 11th Ann. Reliability Physics Symp., pp. 146152 (1973).
134
ČÁST C METODICKÁ PŘÍRUČKA Metodická příručka má jak didaktickou funkci, protože se zpravidla nejedná o aplikaci modulu na specializovaných technických školách, tak i druhou funkci popisnou (jistá forma nápovědy pro praktickou realizaci výuky) učitelům zpravidla bez specializovaného technického vzdělání. Co je však nutno říct, že zvládnutí jakékoli technické discipliny není představitelné bez praktického procvičení „teoretických“ znalostí a není možné bez aplikace a použití alespoň jednoduchých nástrojů, pomůcek, přístrojů, mechanizmů, materiálů a technologických postupů. Bez takovéto praxe není možno pochopit PROCES (procesy) a bez jejich pochopení je není možno rozvíjet, jejich stagnace nebo dokonce úpadek znamená úpadek průmyslové výroby a bez ní je těžko představitelný sociální a kulturní rozvoj soudobé přetechnizované lidské společnosti (většina lidí si neumí a asi ani nechce představit návrat k jednoduchému životu ve studených obydlích s fyzicky náročnou prací za pomoci jednoduchých nástrojů. Několik poznámek na úvod: Je zřejmě nutno si uvědomit, že technologie jsou v podstatě do nějakého „systému“ uspořádané výrobní stroje. Způsob jejich uspořádání je prací inženýrů – technologů, znajících velice podrobně možnosti výroby a zpracování materiálů, polovýrobků a výrobků. Sestavování technologických systémů je v první řadě závislé od technologických (výrobních) postupů popisujících jednotlivé operace, úkony a pohyby na přesně určených výrobních strojích a zařízeních. To je rovněž práce technologů pracujících ve výrobních provozech. Vývoj technologie a návrh technologického uspořádání je tvořivá práce vycházející z dokonalé znalosti fyziky (zejména mechanických principů a účinků) přetransformované do výkonných výrobních postupů (procesy) využívajících dostupné strojové vybavení, manipulační techniku a zručnost operátorů strojů (dělníků). Protože tato činnost je tvořivá, k žádnému technologickému řešení, postupu, či technologickému uspořádání neexistuje jediné řešení. Hledá se efektivní řešení (nejlepší z dostupných či známých alternativ), což je ale vždy limitováno schopnostmi profesionálů – technologů. To ovšem znamená, že vlastně není ani jediná možná odpověď na jakoukoli odbornou otázku z oboru technologií. Proto naopak ani metodika nemůže obsahovat taková omezení limitující onu tvořivost a proto obsahuje jen nejdůležitější didaktické principy aplikovatelné při vzdělávání v oboru technologií.
135
1 DIDAKTIKA TECHNIKY A TECHNOLOGIÍ Oborová didaktika je koordinující a integrující disciplína zaměřená na transformaci odborných poznatků do vyučovacího předmětu. Cílem je získat schopnosti a dovednosti úspěšně organizovat a řídit vyučovací proces v technických a technologických předmětech na základní škole a střední škole. Pro didaktiku je používán i termín technologie vzdělávání. Poprvé v historii označil vyučovací metodu jako cestu, kterou je potřeba projít, aby bylo dosaženo cíle, náš „učitel národů“ Jan Amos Komenský. Ve své Didaktice ukazuje, jak lidský rozum může pochopit neznámé věci následovně: a) Vzbudíme-li zájem žáka, dosáhneme-li toho, aby k poznávání věcí přistupoval s chutí a pozorně. b) Povedeme-li ho po stupních od věcí blízkých k vzdáleným, od známých k neznámým. c) Budeme-li vycházet ze smyslového poznání, bude-li vyučování názorné. d) Jestliže žákovi budeme o předvedené věci vyprávět, vysvětlovat mu, co to je, odkud a k čemu, kdy, jak, proč se jí užívá. A jestliže toto vysvětlení bude stručné, prosté a srozumitelné. e) Budeme-li vždy postupovat od obecného k zvláštnímu, od celku k částem, jestliže žáka napřed seznámíme úhrnem s celou věcí a potom ji budeme rozebírat po částech. f) Jestliže budeme otázkami často zjišťovat, rozumí-li tomu, co bylo vyloženo, vyzveme-li ho, aby opakoval to, o čem se učil. Mělo by to fungovat tak, jak to vyjádřil Karel Čapek: „Vzdělání je to, co člověku zbude, když zapomněl vše, čemu se ve škole naučil“. Samozřejmou součástí technického vzdělávání jsou dovednosti, což jsou cvikem získané motorické nebo myšlenkové struktury, které umožňují rychlé a kvalitní provádění určité činnosti. Jde o praktickou aplikaci vědomostí, jsou pochopená a zapamatovaná fakta, osvojené poznatky a vztahy mezi nimi. Výjimečností technického vzdělávání jsou specifické učební pomůcky – stroje, přístroje, nástroje, mechanizmy, materiály skutečně užívané praxí, nebo statické a dynamické modely napodobující reálná zařízení. Toto specifikum je stejnou nutností jako ve fyzice a chemii POKUS či výpočetní příklad, protože vytváří a podporuje důvěru v podstatu fungování přírodních a přirozených jevů kolem nás (nejen na Zemi ale i kosmu).
136
Diverzifikované schéma odborné didaktiky:
1.1 Metodické postupy ve výuce techniky a technologií Vyučovacími metodami podle J. Maňáka jsou: 1. Metody z hlediska pramene poznání a typu poznatků – aspekt didaktický: 2. Metody slovní - monologické (vysvětlování, výklad, přednáška aj.) 2.1 dialogické (rozhovor, diskuse aj.) 2.2 písemné práce 2.3 práce s textem 3. Metody názorně demonstrační - pozorování předmětů a jevů 3.1 předvádění předmětů, činností 3.2 demonstrace statických obrazů 3.3 projekce statická a dynamická 4. Metody praktické - nácvik pohybových a pracovních dovedností 5. Metody z hlediska aktivity a samostatnosti žáků - aspekt psychologický: 6. Metody sdělovací 7. Metody samostatné práce žáků 8. Metody problémové 9. Metody badatelské, výzkumné 10. Metody z hlediska fáze vyučovacího procesu – aspekt procesuální: 11. Metody motivační 12. Metody expoziční 13. Metody fixační 14. Metody diagnostické 15. Metody aplikační 16. Metody aktivizující – aspekt interaktivní: 16.1 Diskusní metody 16.2 Situační metody 16.3 Inscenační metody 16.4 Didaktické hry 137
16.5 Specifické metody 17. Metody z hlediska myšlenkových operací – aspekt logický: 17.1 Srovnávací metody 17.2 Induktivní metody 17.3 Deduktivní metody 17.4 Analyticko-syntetické metody Vyučovací metody (z hlediska průběhu vyučovacího procesu) A. MOTIVAČNÍ úvodní – rozhovor, vyprávění, demonstrace průběžné – aktualizace, ilustrace, pochvala, povzbuzení B. EXPOZIČNÍ monologické - přednáška, vyprávění, popis, vysvětlování, instruktáž dialogické - rozhovor, beseda, diskuse, řešení problémů, projekty, brainstorming (burza nápadů) demonstrace - laboratorní experiment, montáž, demontáž, pracovní činnost, hra, samostatná práce C. FIXAČNÍ opakování vědomostí nácvik dovedností D. APLIKAČNÍ metody samostatné práce kolektivní pracovní činnost, řešení problémů, řešení technických úkolů E. DIAGNOSTICKÉ - KLASIFIKAČNÍ písemné, ústní zkoušky didaktické testy výkonové zkoušky Jaký je postup řešení technických problémů (úkolů), projektů, možno popsat následujícím způsobem: 1. Formování technických problémů, úkolů: a) učitel předkládá žákům návrhy úkolů, objasňuje jejich smysl, vyzývá a aktivizuje žáky k nalézání jiných (vlastních) úkolů, případně alternativních řešení b) žáci si vybírají podle svých zájmů, případně navrhují vlastní zadání, diskutují předběžné návrhy – brainstorming (burza nápadů) c) učitel předkládá vzorová řešení některých projektů (předkládá technickou dokumentaci, hotové výrobky, výstupy řešení) d) každý žák (nebo skupina) má stanovený úkol, projekt e) podle potřeby a povahy projektu se provádí ekonomická rozvaha, průzkum trhu apod. 2. Práce žáků na technické dokumentaci a) opakování učiva – technologie výroby, pracovní postupy, technické náčrty, výkresy 138
b) konzultace s učitelem, tvorba dokumentace, využití výpočetní techniky 3. Realizace technického úkolu (projektu) ve školní dílně, laboratoři a) samostatná práce žáků, práce podle pracovního postupu a technického výkresu b) průběžná konzultace s učitelem, opakovaná instruktáž, opravy chyb a omylů 4. Závěrečná část - ZÁVĚRY a) vyhodnocení úrovně výsledků realizace projektu – účelnost, jednoduchost, estetická úroveň, použitelnost v praxi, kvalita provedení – kolektiv i učitel b) obecný význam řešení technických problémů, výzkum, vývoj – význam pro rozvoj společnosti, profesní orientace EXKURZE je specifickou formou výuky Exkurze se zpravidla koná mimo prostor školy. Umožňuje žákům vnímat jevy ve skutečném, reálném prostředí. Je vhodným doplněním teoretické i praktické výuky na školách, umožňuje poznávat výrobní proces, organizaci práce, technologickou i konstrukční přípravu výroby, kontrolu výrobků i celkovou atmosféru výrobního pracoviště. Ovšem exkurze nepřipravená a špatně organizovaná může působit také negativně na citlivě vnímajícího žáka. Exkurze by měly být zahrnuty do plánu školy tak, aby žáci během školní docházky poznali alespoň některé dostupné druhy výroby ve správné didaktické návaznosti na učivo. Osvědčují se zejména exkurze do menších provozů, kde se žáci seznamují s celým procesem výroby. Exkurze do velkých továrních hal s vyspělou technikou ukrytou pod ochrannými kryty strojů nesplní svoji náročnou funkci. Exkurze mohou mít intenzivní nebo extenzivní charakter, podle potřeby a hloubky studovaného oboru. Z didaktického hlediska lze hovořit o třech etapách exkurze: 1. Přípravná část – přípravná, teoretická část probíhající zpravidla ve škole. 2. Provedení exkurze. 3. Zhodnocení a využití exkurze při vyučování ve škole. Přípravná část má za úkol seznámit žáky s obsahem exkurze a s objektem, ve kterém exkurze proběhne. Tato část exkurze je velmi významná a její provedení přímo podmiňuje úspěšnost a účinek exkurze. Přípravu žáků předchází příprava samotného učitele. Pokud zvolený objekt nezná, musí se s ním nejprve pečlivě seznámit, případně prostudovat potřebnou odbornou literaturu, zajistit odborného průvodce a s ním domluvit přesný obsah vlastní demonstrace i odborného komentáře. Jde o seznámení s úrovní vědomostí a dovedností žáků zejména proto, aby příliš odborný výklad neměl za následek pokles pozornosti při exkurzi. Při přípravě žáků je vhodné pohovořit o historii podniku, seznámit s jeho současným výrobním programem, s obchodní strategií, případně s úspěchy na mezinárodním trhu apod. Z probraného učiva zopakovat vhodnou část, např. význam konstrukce a technologie výroby, případně principy obráběcích strojů, význam technické dokumentace, náplň některých profesí apod. V přípravné části je možno využít informační videoprojekce, propagačních materiálů vybraného podniku, materiálů z internetu (www stránek) nebo přímo besedy s některým zaměstnancem – podle povahy exkurze.
139
Provedení exkurze předchází obvykle již v objektu podniku nezbytné poučení o bezpečnosti a pravidlech pohybu po pracovištích. Vhodné je (podle velikosti podniku) provést a zajistit celkovou orientaci žáků, třeba pomocí plánu, mapy. Postupujeme zpravidla od přípravy výroby přes vlastní výrobní haly ke konečné kontrole, montáži a expedici výrobků. Velmi vhodné je zařazení krátké besedy s některým zkušeným pracovníkem, případně majitelem firmy. Majitel firmy může objasnit svůj původní podnikatelský záměr, problémy, omyly, úspěchy i rizika podnikání. Žákům je nutno umožnit, aby si mohli dělat poznámky a v závěru mohli formou dotazů upřesnit některé nejasnosti. Vzhledem k pozorovacím schopnostem žáků by neměla být exkurze delší než dvě hodiny. Zde plně platí pravidlo, že někdy méně bývá více. Závěrem celé exkurze je možno pro žáky zajistit předání propagačních materiálů podniku pro usnadnění orientace v některých profesích prováděných v závodě. Zhodnocení a využití exkurze provádíme pokud možno v nejbližších vyučovacích hodinách. Kontrola stavu vědomostí poslouží učiteli jako zpětná vazba. Analýza všech poznatků pomůže doplnit případné nedostatky a tím zvýšit celkový efekt exkurze. Vhodným pohovorem může učitel zvýšit i o profesionálně orientační dopad celé dobře připravené akce. Pro přepravu žáků do místa exkurze a zpět je nutno se seznámit se stávajícími předpisy pro doprovod vzhledem k zajištění potřebné bezpečnosti. V dalším textu je uveden vzorový program exkurze: 1. Teoretická příprava a. Historie podniku, tradice výrobní značky, současný výrobní program – videokazeta, propagační materiály, případně některé výrobky. b. Konstrukční příprava, technické zpracování, výpočty, výkresy sestavení a detailů, volba vhodného materiálu, komplexní činnost projektanta a konstruktéra. c. Technologická příprava výroby – technické zpracování konstrukčních návrhů, výrobní postupy, volba strojů, nástrojů, měřidel apod., činnost technologa. d. Zásobování, plánování – zajištění materiálu, polotovarů, nových strojů, nářadí, měřidel, doprava materiálu, zajištění pracovních sil. e. Výroba – obrábění, tváření, tepelné zpracování, svařování, povrchová úprava apod. f. Kontrola – kvalita a přesnost hotových výrobků, zkoušky, testy. g. Expedice, odbyt, servisní služba. 2. Postup exkurze a. Poučení o bezpečnosti, pravidla pohybu v objektu b. Oddělení konstrukce a technologie. c. Dílna pro strojní obrábění s ukázkou strojů řízených počítači, případně komplexní výrobní linka, d. Krátká beseda se členem managementu – ekonomika a strategie podniku 3. Zhodnocení exkurze a. Analýza poznatků žáků s cílem dosažení vyššího efektu. b. Význam pracovní činnosti (profese) pro život člověka i celé společnosti, problémy nezaměstnanosti. c. Význam výroby pro hospodářství státu, srovnání s vyspělými státy Evropy. 140
2 TÉMATICKÁ VÝUKA PRO ZÁKLADNÍ ŠKOLY, GYMNÁZIA A SŠ Rozsah: 10 až 20 hodin Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Možná práce jednotlivce i práce v týmech. Metoda: Projektová výuka: 1. řeší reálnou situaci s reálnými vstupy a měřitelnými výstupy, má praktický poznávací význam, 2. je blízký praktickému životu, 3. aktivity projektu na sebe navazují,
Pokyny pro učitele
4. na plánování a realizaci úkolů se podílí především žáci a studenti, učitel je směřuje a pomáhá; žáci přejímají zodpovědnost za organizaci a výstupy/produkty projektu 5. výsledky projektu jsou prezentovány v rámci školy nebo před odborníky. Pomůcky: suroviny, materiály, nářadí, nástroje, přípravky, odborné stavebnice.
2.1 Pracovní list č. 1: Jak si pomoci technologie vyrobit hračku Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro žáky 3. až 5. tříd základních škol V rámci předmětů: výuka prací, … Rozsah: 2 hodiny Metoda: praktická realizace výrobku (výroba) v přírodě za pomoci jednoduchých nástrojů Pomůcky: mladé vrbové větvičky průměru cca 15 – 20 mm, kapesní nůž.
Pokyny pro učitele
2.2 Pracovní list č. 2: Venkovní cvičení ze zemědělských technologií Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro žáky 2. až 5. tříd základních škol V rámci předmětů: pracovní výchova, … Rozsah: 2 až 6 hodiny Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo ve skupinkách. Pomůcky: Rýč, lopata, pohrabáč, případně další zahrádkářské pomůcky
Pokyny pro učitele
2.3 Pracovní list č. 3: Obrábění, nejčastější technologie průmyslové výroby Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol V rámci předmětů: pracovní výchova, … 141
Pokyny
Rozsah: 2 až 6 hodiny Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo ve skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí, tj. učitel a dva spolužáci, možnost přizvání externího experta. Pomůcky: Papír, měkké dřevo (lípa), tvrdé dřevo, hliník, ocel/litina, lepidlo, nůž, pilka na dřevo, pilka na kov, rašpl, pilníky s různou drsností, dláta různé šířky, hoblík, barvy, štětce apod.
pro učitele
2.4 Pracovní list č. 4: Jak fungují technologie Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol V rámci předmětů: fyzika, technická výchova apod. Rozsah: 1 + 1 hodina Poznámka: interaktivní výuka formou diskuse Pomůcky: dataprojektor/tabule, obrázky, schémata
Pokyny pro učitele
2.5 Pracovní list č. 5: VIP mezi technologiemi, NANOTECHNOLOGIE Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. tříd středních škol a gymnázií V rámci předmětů: fyzika, … Rozsah: 1 + 1 hodinu Metoda: Hledání fyzikálních principů nových technologií a důsledky jejich aplikací Pomůcky: Tabule, křída, fixy, projektor, plátno, obrázky.
Pokyny pro učitele
2.6 Pracovní list č. 6: Konstrukční cvičení za pomoci stavebnic Zpracoval: doc. Ing. Peter Ponický, CSc. Vysoká škola podnikání, a. s. Ostrava Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníků gymnázií a středních škol V rámci předmětů: ………………………………………………………………… Rozsah: 20 až 40 hodin Metoda: alternativa laboratorní výuky Pomůcky: různé specializované stavebnice (technologie obrů průmyslu stavebnictví, strojnictví, elektrotechniky apod.)
142
Pokyny pro učitele
