DÁME HMOTĚ TVAR!? JANA A PAVEL DOSTÁLOVI
ČÍSLO OPERAČNÍHO PROGRAMU: CZ.1.07 NÁZEV OPERAČNÍHO PROGRAMU: VZDĚLÁVÁNÍ PRO KONKURENCESCHOPNOST OPATŘENÍ: 7.1 ČÍSLO OBLASTI PODPORY: 7.1.3
DÍLNA TECHNIKY VE SVĚTĚ DĚTÍ – ZÁŽITKOVÉ TVŮRČÍ DÍLNY V ROZVOJI TECHNICKÉHO MYŠLENÍ UČITELŮ A DĚTÍ V MATEŘSKÉ ŠKOLE
REGISTRAČNÍ ČÍSLO PROJEKTU: CZ.1.07/1.3.00/48.0011
OSTRAVA 2014
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
© Jana a Pavel Dostálovi, 2014 © Ostravská univerzita v Ostravě, Pedagogická fakulta
Obsah
Slovo úvodem ............................................................................................................................. 4 1
ODLÉVÁNÍ ........................................................................................................................... 5
2
TVÁŘENÍ .............................................................................................................................. 7
3
OBRÁBĚNÍ ......................................................................................................................... 10
4
PRÁŠKOVÁ METALURGIE .................................................................................................. 11
5
3D TISK .............................................................................................................................. 13
PRACOVNÍ LIST Č. 1 .................................................................................................................. 15 PRACOVNÍ LIST Č. 2 .................................................................................................................. 16 PRACOVNÍ LIST Č. 3 .................................................................................................................. 17 Seznam použitých zdrojů ......................................................................................................... 18
Slovo úvodem
Slovo úvodem Tento text vznikl jako doprovodný výukový materiál ke kurzu Dáme hmotě tvar!? realizovaném v 1. pololetí roku 2015 v rámci projektu Dílna techniky ve světě dětí – zážitkové tvůrčí dílny v rozvoji technického myšlení učitelů a dětí v mateřské škole. Je určen především pro pedagogy preprimárního vzdělávání. Autoři tohoto textu jsou pedagogy s dlouholetou praxí v oblasti technické výchovy. V první části výukového materiálu jsou shromážděny základní informace o nejpodstatnějších technologiích, které lidstvu slouží k vytváření žádaných tvarů vyráběných předmětů z různých druhů materiálů. Text je strukturován do pěti kapitol. Každá kapitola je vždy věnována jednomu typu technologií – odlévání, tváření, obrábění, práškové metalurgii a 3D tisku. Vzhledem ke složitosti těchto technologií jsou z důvodů předepsaného rozsahu publikace a potřeb pedagogů preprimárního vzdělávání uvedené informace záměrně zjednodušeny. Pro názornost a lepší pochopení problematiky je text každé kapitoly doplněn co nejnázornějšími schématy a fotografiemi. Ve druhé části je uvedeno několik pracovních listů, které jsou určeny pro praktické využití při výchovně vzdělávací práci s dětmi předškolního věku. Jejich cílem je přispět přiměřenou formou k rozvoji technického myšlení dětí a povzbudit jejich zájem o svět techniky a práce.
4
Kapitola první
1 ODLÉVÁNÍ Odlévání (slévání, lití) je způsob výroby, při kterém se roztavený materiál (tavenina) vlije do formy, jejíž dutina odpovídá budoucímu výrobku – odlitku. Odlitek získaný ztuhnutím materiálu ve formě je buď už hotový výrobek, nebo se ještě dále opracovává. Odléváním se často vyrábějí předměty složitých tvarů, které by jiným způsobem byly těžko vyrobitelné. Hmotnosti odlitků jsou v širokém rozmezí – od několika gramů až po stovky tun. Odlitky se často vyrábějí z kovů (například z šedé litiny, oceli, bronzu, mosazi, zlata, …), plastů, skla apod. Výrobní provoz, který se zabývá odléváním, se nazývá slévárna. Za více než 5000 let, co lidstvo ovládá technologii odlévání, byly vyvinuty nejrůznější metody. Obvykle se ke zhotovení formy používá model, který tvarem vychází z budoucího odlitku. Na následujícím obrázku jsou znázorněny jednotlivé kroky „klasické“ technologie odlévání. Pokud je forma dělená, jako na obrázku, nejprve se dolní polovina modelu umístí do dolní poloviny formovacího rámu, zasype se formovacím materiálem a vyrobí se dolní polovina formy (upěchuje se). Formovací materiály jsou obvykle směsi tzv. ostřiva a pojiva – ostřivem bývá nejčastěji křemenný písek, pojivem hlína nebo jíl. Následně se vyrobená dolní polovina formy obrátí, nasadí se na ni horní polovina formovacího rámu, horní polovina modelu odlitku a model vtokové a výfukové soustavy, zasype se formovacím materiálem a vyrobí se horní polovina formy. Potom se dokončí vtok a výfuk, forma se rozloží a vyjme se z ní model. Mají-li se v odlitku vyrobit dutiny, používají se k tomu tzv. jádra, která se vyrábějí ve zvláštních formách (jadernících). Potom se forma dokončí (například se vysušuje), opět se složí a připraví k lití. Tekutý kov (nebo jiný materiál) se na místo odlévání dopravuje v licích pánvích, jejichž tvar a velikost odpovídá druhu a množství odlévaného materiálu (od malých ručních kelímků až po velké jeřábové pánve). 5
Kapitola první Po ztuhnutí a vychlazení se odlitek vyjme z formy. U jednorázových „pískových“ forem se v podstatě „vytluče“. Následuje čištění a další úpravy odlitků. Kromě výše popsané „klasické“ technologie existuje celá řada technologií dalších – lití do kovových forem (kovová forma se nazývá kokila; její životnost je stovky až statisíce kusů), tlakové lití (kdy se materiál do formy nelije, ale vtlačuje), odstředivé lití (kdy je tavenina vlévána do rotující formy a odstředivou silou je přitlačována k jejím stěnám), lití do skořepinových forem (jako pojivo se používá syntetická pryskyřice, která se v peci vytvrzuje) a mnohé další. Velmi častou technologií výroby především plastových předmětů je vstřikování (termoplast je vstřikován do kovové formy).
b/
c/
a/
Obrázek 1.1: a/ Schéma technologie odlévání (1); b/ odlévání bronzového zvonu (2); b/ odlévání oceli z licí pánve (3).
6
Kapitola druhá
2 TVÁŘENÍ Tváření je technologie, při které se působením vnějších sil mění tvar předmětu bez porušení celistvosti materiálu – částice hmoty se trvale přemisťují. Velké množství existujících způsobů tváření je možné různě rozdělit, například na:
ruční tváření, kdy je pro tváření využíváno pouze lidské síly;
strojní tváření, kdy je pro tváření využívána mnohonásobně větší síla strojů.
Jiný obvyklý způsob dělení tváření je na:
tváření za studena (bez ohřevu materiálu);
tváření za tepla, kdy se využívá zlepšení tvárnosti některých materiálů (například kovů) při vyšších teplotách.
V následujících odstavcích jsou charakterizovány některé z nejpoužívanějších technologií tváření. Válcování je zpracování tvárných materiálů mezi válci otáčejícími se proti sobě. Materiál je mezi ně vtahován a zároveň prodlužován. Pomocí hladkých válců se vyrábějí plechy, pásy, desky a podobně. Pomocí kalibrovaných válců se vyrábějí tyče kruhové, čtyřhranné, šestihranné, profilů I, T, L, U, kolejnice atd. Stroj se nazývá válcovací stolice; pokud je k výrobě daného tvaru potřeba více válcovacích stolic, tvoří válcovací trať.
Obrázek 2.1: Válcování plechů (1, 4).
7
Kapitola druhá Kování je technologie, při které je materiál tvářen údery nebo tlakem nástroje. Kování může být volné nebo zápustkové. Při volném kování se materiál může působením nástroje „volně tvarovat“, při zápustkovém kování je materiál vtlačován do kovové dvoudílné formy, která se nazývá zápustka. Kování může být ruční, kdy kovář opakovanými údery kladivem tvaruje materiál (další používané nástroje jsou především kleště a kovadlina). Při strojním kování můžou být vyráběny i několikatunové výkovky. Kovářské stroje se nazývají buchary (působí na polotovar údery) a lisy (působí na polotovar klidným tlakem).
Obrázek 2.2: Volné kování ruční (5) a strojní (6).
Obrázek 2.3: Schematické znázornění zápustkového kování (7) a příklady zápustkových výkovků (8).
Tažení je název, pro dvě odlišné technologie. Jednak jde o tažení drátů a tyčí (různých profilů), kdy je polotovar protahován otvorem průvlaku, přičemž se zmenšuje příčný průřez a prodlužuje se délka. Stroje se nazývají tažné stolice. Odlišné je tažení plechů, kdy 8
Kapitola druhá polotovarem je přístřih plechu, který je tvarován v tažném nástroji – pohyblivá část nástroje (tažník) vtlačuje plech do dutiny druhé části nástroje (tažnice), používaným strojem je lis. Výrobkem jsou plechové misky, hrnce, dřezy, karosářské díly a podobné předměty.
a/
b/
Obrázek 2.4: Schematické znázornění tažení; a/ drátu nebo tyče (9); b/ plechu (10).
Protlačování je technologie, při níž se používá nástroj zvaný protlačovadlo, který se skládá ze dvou základních částí – průtlačníku a průtlačnice. Polotovar vložený mezi tyto části nástroje je „vymačkáván“ pohybujícím se průtlačníkem do požadovaného tvaru.
Obrázek 2.5: Schematické znázornění dopředného a zpětného protlačování (1 - průtlačnice, 2 – průtlačník, 3 – protlačovaný materiál, 4 – vyhazovač) (11).
Ohýbání je známá technologie - materiál ohýbán v různých úhlech ohybu. Ale kromě jednoduchého ručního ohýbání, ohýbání v ručních nástrojích zvaných ohýbadla, nebo ohýbání na konvečních strojích zvaných ohýbačky, může být ohýbání realizováno také na moderních počítačem řízených strojích (viz. obrázek 2.6). 9
Kapitola druhá
Obrázek 2.6: Příklady ohýbaných plechových dílců (12) a počítačem řízený ohýbací stroj (13).
3 OBRÁBĚNÍ Obrábění je název pro technologie, při nichž je přebytečná část materiálu oddělována ve formě třísek břitem nástroje. Dále jsou uvedeny některé nejpoužívanější technologie obrábění. Soustružení je obrábění rotačních ploch (například válcových), při němž obráběný předmět vykonává otáčivý pohyb. Stroj se nazývá soustruh, typickým nástrojem je soustružnický nůž. Frézování je obrábění rovinných nebo tvarových ploch rotujícím vícebřitým nástrojem, který se nazývá fréza, obráběcí stroj se nazývá frézka. Vrtání slouží k výrobě děr kruhového průřezu rotujícím nástrojem, nejčastěji dvoubřitým. Stroj se nazývá vrtačka, typickým nástrojem je vrták (nejpoužívanější je šroubovitý vrták). Hoblování a obrážení jsou technologie, při nichž je hlavní řezný pohyb přímočarý. U strojního hoblování koná hlavní řezný pohyb obráběný materiál proti nástroji, který se nazývá hoblovací nůž, stroj se nazývá hoblovka (u ručního hoblování hlavní pohyby koná nástroj, který se nazývá hoblík). U obrážení koná hlavní přímočarý vratný pohyb nástroj, který se nazývá obrážecí nůž, stroj se nazývá obrážečka. Broušení je dokončovací metoda obrábění nástrojem, jehož břity jsou tvořeny zrníčky velmi tvrdých materiálů, která jsou spojeny pojivem. Nejznámějším nástrojem je brousicí kotouč, případně brousicí pás, stroj se nazývá bruska. 10
Kapitola třetí V posledních letech se prudce rozvíjejí „nekonvenční“ technologie obrábění, při nichž se přebytečná část materiálu odebírá jiným způsobem, než břitem nástroje. Jedná se například o obrábění laserem, paprskem plazmy, paprskem elektronů, paprskem iontů, vysokotlakým kapalinovým (obvykle vodním) paprskem, elektroerozívní obrábění (elektrickými výboji), elektrochemické obrábění (řízenou elektrolýzou) a chemické obrábění (leptání).
Obrázek 3.1: Kinematika obrábění (1 - hlavní řezný pohyb, 2 a 3 – vedlejší pohyby) (10).
4 PRÁŠKOVÁ METALURGIE Prášková metalurgie je výrobní postup, při němž jsou polotovary nebo hotové výrobky zhotovovány z prášků působením tlaku a tepla, ale při teplotách nižších než je teplota tavení (alespoň jedné ze složek). Prášková metalurgie umožňuje vyrábět předměty z materiálů, které nelze (nebo je obtížné) vyrábět jiným způsobem, například z materiálů s vysokou teplotou tání, nebo z práškových směsí kovů navzájem neslévatelných, nebo ze směsí prášků kovů a nekovů. Uplatňuje se především při výrobě drobných součástí. Technologie práškové metalurgie se skládá z následujících operací:
výroba prášků;
tvarování (lisování);
slinování (spékání);
dodatečné úpravy. 11
Kapitola čtvrtá Výroba prášků – než je možné s prášky pracovat, musí být vyrobeny. Byla vyvinuta celá řada metod výroby prášků, například mletí (kdy je surovina mleta v kulových, planetových či jiných typech mlýnů), drcení (v drtičích), dýzování (kdy je roztavený kov rozprašován inertním plynem a jeho „kapičky“ ztuhnou na prášek), chemické způsoby (redukce, slučování, štěpení), elektrolýzou atd. Před další operací se ještě prášky upravují (tepelně se zpracovávají, třídí podle velikosti, suší, míchají, …). Tvarování – nejčastějším způsobem tvarování je lisování, kdy je prášek vtěsnán do „formy“ a následně stlačen vysokým tlakem. Slinování (nebo také spékání) – vyrobené výlisky jsou tepelně upravovány v peci, získávají potřebné mechanické vlastnosti. Při slinování nedochází k roztavení prášku vůbec, nebo jen některých níže tavitelných složek. Dodatečné úpravy – k získání požadovaných parametrů výrobků můžou ještě následovat dodatečné úpravy, například několikanásobné slinování (k získání vyšší pevnosti), dolisování (ke zvýšení hustoty a zpřesnění tvaru), kování (ke zvýšení pevnosti a houževnatosti), obrábění (frézování, vrtání, broušení, …), sycení (například olejem), povrchové úpravy (například povlakování) atd. Nejznámějšími materiály zpracovávanými touto technologií jsou slinuté karbidy, které jsou využívány především jako nástrojový materiál. Jejich strukturu tvoří velmi tvrdé karbidické částice (WC, TiC, TaC, …) v kobaltovém pojivu. Dále se práškovou metalurgií vyrábějí další nástrojové materiály (některé rychlořezné oceli, cermety, řezná keramika, …), materiály pro kluzná ložiska (pórovité železo, bronzy, …), třecí materiály (pro obložení brzd a spojek), kovové filtry (s řízenou pórovitostí), vysokoteplotní materiály (například kovy W, Ta, Mo, Pt, … a sloučeniny AL2O3, TiB2, Si3N4, … - na výrobu hořáků, topných článků, lopatek spalovacích turbín, trysek, tavicích kelímků, součástí motorů, …), magnetické materiály a další.
12
Kapitola čtvrtá
Obrázek 4.1: Příklady břitových destiček ze slinutých karbidů (14) a soustružení závitu soustružnickým nožem s břitovou destičkou ze slinutého karbidu (15).
5 3D TISK V České republice je pojem 3D tisk poměrně používán, ale správnější by bylo hovořit o širším pojmu Rapid Prototyping, což je soubor technologií umožňujících rychlou cestu od návrhu k „prototypu“. Rapid Prototyping využívá technologie, při nichž je z 3D počítačového modelu vytvářen po „vrstvičkách“ prostorový objekt v zařízení, kterému se říká 3D tiskárna. Od roku 1986, kdy byl přijat první patent v této oblasti, byla vyvinuta zařízení pracující na různých principech. Mezi nejpoužívanější technologie patří: Stereolitography je založená na tekuté pryskyřici, která po osvitu laserem tuhne. Na pracovním stole ponořeném v pryskyřici se osvitem laseru vytvoří tuhá vrstvička. Pracovní stůl se „kousíček“ ponoří a laserem se vytvoří další vrstvička. Takto se po vrstvičkách vytvoří celý předmět. Selective Laser Sintering je principielně podobná technologie, ale silný laser spéká po jednotlivých vrstvičkách jemný prášek. Jednou z výhod je možnost pracovat s širší škálou plastů (například polyamid, polystyren), ale i kovů (například oceli, bronzy – Direct Metal Laser Sintering). Laminated Object Manufacturing je technologie založená na vrstvení lepivých fólií (papírových, polyesterových, nylonových, …), které jsou vždy ořezány (laserem) do požadovaného tvaru. 13
Kapitola pátá Fused Deposition Modeling využívá tiskové hlavy, které pracují na podobném principu, jako tavná pistole. Materiál je z cívky odvíjen do tiskové hlavy, kde se odtavuje, a po nanesení do pracovního prostoru po vrstvičkách tuhne. Používanými stavěcími materiály jsou různé termoplasty. Kromě stavěcího materiálu se využívá i materiál „podpor“ v místech, kde by jinak stavěcí materiál musel „viset ve vzduchu“. Podpory jsou následně odtaveny v lázni (pokud jsou z níže tavitelného materiálu) nebo odlámány. Multi Jet Modeling (3D tisk) je technologie využívající 3D tiskárny s tiskovými hlavami, kterými je vytlačována fotocitlivá akrylátová pryskyřice. Vytvořené vrstvičky jsou (každá samostatně) vytvrzovány UV lampou. Jednou z výhod je přesnost výrobků (až v setinách milimetru).
Obrázek 5.1: Příklady 3D výtisků (16, 17, 18).
Obrázek 5.2: Příklady 3D tiskáren (19, 20).
14
PRACOVNÍ LIST Č. 1 Zakroužkuj červenou pastelkou věci vyrobené z hlíny, hnědou věci vyrobené ze dřeva, modrou věci vyrobené z papíru, žlutou věci vyrobené z plastu a černou věci vyrobené z kovu.
PRACOVNÍ LIST Č. 2 Na obrázku jsou zobrazena různá řemesla. Přiřaď správně ke každému řemeslu jeden výrobek, který řemeslník mohl vyrobit.
kovář
košíkářka
hrnčíř
stolař
PRACOVNÍ LIST Č. 3 Na obrázku jsou zobrazena dvě řemesla. Přiřaď správně ke každému řemeslu nástroje, které řemeslník ke své práci používá.
kovář
stolař
pila
kleště
kladivo
dláto
hoblík
Seznam použitých zdrojů
Seznam použitých zdrojů (1) HLUCHÝ, Miroslav a kol. Strojírenská technologie 1: Nauka o materiálu. 2. vyd. Praha: SNTL, 1978 (2) KUTIL, Tomáš. Ze svatovítské katedrály se rozezní sv. Dominik. Katolický týdeník [online]. Praha: KATOLICKÝ TÝDENÍK, s.r.o., 2012, 10, [cit. 27. 10. 2014]. Dostupné z: http://www.katyd.cz/clanky/ze-svatovitske-katedraly-se-rozezni-sv-dominik.html (3) Dělník si popálil chodidla v rozžhavené oceli. iDNES.cz [online]. Praha: MAFRA, a.s., 3. 11. 2006, [cit. 27. 10. 2014]. Dostupné z: http://zpravy.idnes.cz/delnik-si-spalil-chodidla-vrozzhavene-oceli-fmr-/krimi.aspx?c=A061103_111401_krimi_cen (4) Supply The Production Line of Steel [online]. Beijing: CCCME, ©2010 [cit. 31. 10. 2014]. Dostupné z: http://www.cccme.org.cn/products/detail-3079392.aspx# (5) Tomáš Lebduška se specializuje na historii a samotné lidi [online]. Internet Info, s.r.o., ©2007 - 2014 [cit. 31. 10. 2014]. Dostupné z:http://www.podnikatel.cz/galerie/kovar-tomaslebduska-se-specializuje-na-historii-a-samotne-lidi/ (6) ZUBEK, Pavel. Ultrak, kovárna [online]. ©2014 [cit. 31. 10. 2014]. Dostupné z: http://www.pavelzubek.cz/galerie/uraltrak-rusko/uraltrak-kovarna-401.html (7) BROOKS forgings [online]. Brooks Forgigs Limited, ©2014 [cit. 1. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.brooksforgings.co.uk/drop-forging.asp (8) Forging Item [online]. H. P. Singh & Co., ©2014 [cit. 1. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.hpsmachines.com/forging.html (9) Drawing [online]. SubsTech., 31. 10. 2013 [cit. 1. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=drawing (10) HLUCHÝ, Miroslav a kol. Strojírenská technologie 2: Polotovary a jejich technologičnost. 1. vyd. Praha: SNTL, 1979 (11) ČADA, Radek. Strojírenská technologie 1. 1. vyd. Ostrava: Ostravská univerzita, 2002. ISBN 80-7042-232-7
18
Seznam použitých zdrojů (12) Dělení a ohýbání plechů ve Zlíně [online]. Zlín: JANSPO, s.r.o., ©2009 [cit. 5. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.janspo.cz/deleni-ohybani-plechu-zlin (13) CNC ohýbání plechů [online]. Pardubice: KOVOMONT, s.r.o., ©2014 [cit. 2. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.kovomont-pce.cz/cnc-ohybani-plechu (14) Povlakovaný slinutý karbid [online]. Sandvik AB, © 2002 - 2012 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.sandvik.coromant.com/cscz/knowledge/materials/cutting_tool_materials/coated_cemented_carbide/pages/default.a spx (15) Závitování [online]. Praha: JCZ tools s.r.o., ©2009 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.jcz.cz/zavitovani.htm (16) George W. Hart´s Rapid Prototyping Web Page [online]. George W. Hart., © 2003 2005 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.georgehart.com/rp/rp.html (17) Rapid Prototyping [online]. KIMTECH INDUSTRIAL CO., LTD, ©2014 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://kimmtech.com/about/?150.html (18) Rapid Prototyping [online]. Techjewel, © 2000 - 2013 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.rhinojewel.com/en/rapid.php (29) GBO purchases rapid prototypemachine [online]. GBO DESIGN,4. 2. 2011 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.gbo.eu/design/en/news/401/gbo-purchases-rapidprototype-machine (20) ProJet 260C [online]. 3D Systems, Inc., ©2014 [cit. 4. 11. 2014]. Dostupné z: http://www.3dsystems.com/3d-printers/personal/projet-260c
19
Název: Autor: Vydání: Počet stran: Určeno pro projekt: Reg. číslo projektu: Nakladatel:
Dáme hmotě tvar!? Jana a Pavel Dostálovi první, 2014 20 Dílna techniky ve světě dětí – Zážitkové tvůrčí dílny v rozvoji technického myšlení učitelů a dětí v mateřské škole CZ.1.07/1.3.00/48.0011 Ostravská univerzita v Ostravě, Dvořákova 7, 701 03 Ostrava
Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídají autoři.
