Rozpory v rozvoji sklářských strojů Pavel Jirman – JIM design Na počátku je problém, nejasná situace – administrativní rozpor Začněme příkladem, který všichni skláři jistě znají. Po výstupu skloviny z dávkovače je strojními nůžkami odstřižena dávka (kapka), která pak spadne do formy přímo popřípadě přes skluz. Na této kapce se totiž vždy vyskytuje stopa po střihu. Je dlouhodobou snahou řešit problém stříhání s odstraněním stopy po střihu. Řeší se pohon nůžek ( pákové jsou nahrazovány přímočarými), zvýšení rychlosti nůžek, přesnost seřízení nůžek ve všech osách a vymezení vůli při střihu vlastních nožů. Řeší se a zdokonaluje materiál nožů, ostření nůžek, mazání a řada dalších aspektů k jedinému cíli – potřeba snížení stopy střihu. Tuto stopu se daří minimalizovat, ne však odstranit. Proto nastupuje snaha změnou orientace kapky optimalizovat polohu střihu do míst, kde by na výrobku nejméně vadila. Tento stav v řešení problému je nazýván v metodice TRIZ problémovou situací s administrativním rozporem. Administrativní rozpory v sobě zahrnují mnoho úloh a obtížnost jejich řešení je podmíněna pokusy najednou pochopit situaci, bez odhalení konkrétní úlohy. Cesta metodiky TRIZ spočívá v rozklíčování základního problému daného technického systému přes definování rozporů a jejich následného překonání. Nůžky jsou příkladem technického systému se vším, co k systému patří. Mají pohon - motor, transmisi – páky a vodící tyče, nástroj – nůž, který působí na výrobek – sklovinu a mají řízení - program. Zdokonalování pohonu a transmise přechodem na přímočaré nůžky sice zrychluje a zpřesňuje stříhání, ale neřeší základní problém, tj. že stopa po střihu vzniká při dotyku chladných kovových nožů se sklovinou. Upřesnění definice problému pomáhá znalost postupu metodiky TRIZ: čím blíže budeme u výrobku, tím přesněji můžeme definovat rozpory, vznikající při řešení daného problému. Po překonání administrativního rozporu tj definování úlohy se nevyhnutně setkáte s hlubším technickým rozporem dále upřesňujícím konkrétní zadání. Podobně můžeme popsat další technické systémy ve sklářství jako jsou např. vana, homogenizace, samotný dávkovač, tvarovací zařízení, brousící zařízení apod. Všechny tyto systémy se při svém rozvoji stále setkávají se základními rozpory, které jim brání v jejich dalším rozvoji. Pochopení problému – technický rozpor Technické systémy jsou sestavy propojených prvků a částí určených k plnění užitečných funkcí. Toto propojení není náhodné, ale vzájemně spolu souvisí a ovlivňuje se. To znamená zlepšíme-li jednu část (parametr) technického systému, dojde zcela jistě ke zhoršení jiné části (parametru) systému. Toto pak nazýváme technický rozpor, který je důsledkem obecné zákonitosti nerovnoměrného rozvoje systému. Technický rozpor tavení barevných skel. Převedením tavení skloviny z pánve na vanu se snížila energetická náročnost, ale zároveň se zhoršila možnost operativní
změny barvy v malém množství. Zavedením dobarvování na vaně se zvýší produktivita, ale zvýší se složitost zařízení a riziko nestability odstínu. Technický rozpor sekundárního dočeřování: Snížením tlaku dochází k odstranění velkých bublin ze skloviny, ale vznikají nežádoucí malé bubliny. Navíc se zvýší těkání alkálií ze skel bohatých na alkálie.. Technický rozpor homogenizace skloviny pomocí míchadel lze definovat následovně. Zlepšení homogenizace přidáním více míchadel snižuje prostor pro protékající sklovinu. Navíc chlazený pohon více míchadel způsobuje nežádoucí odvod tepla a může být zdrojem kaménků a bublin. Technický rozpor dávkování plunžrem. Mechanismy v hlavě feedru pomáhají tvorbě kapky, ale zvyšují složitost. Technický rozpor nůžek. Zlepšením materiálu nůžek a řešením návarů se zvyšuje cena nůžek. Přesnější vedení zvyšuje složitost zařízení. Technický rozpor tažení plochého skla původních způsobů tažení. Snížení vlnění skla bylo možné dosáhnout zmenšením průměru válečků, ale znesnadnil se systém uložení válečků. Technický rozpor tvarování výlisků rotačním mačkadlem. Zvětšením průměru rolny lze dosáhnout zlepšení geometrie výlisku (snížení vlivu tzv. odvalu), ale dojde k oddálení výtoku skloviny od rolen a také k vyššímu nároku na složitost zařízení. Navíc zvýšení přesnosti výroby kapliků rolen dojde k neúměrnému zvýšení ceny rolen. Technický rozpor dělených forem. Přesnější výrobou dělící roviny dojde k menšímu zatékání skloviny, ale zvýši se náročnost výroby forem. Technický rozpor dolití rohů ve sklářských formách: Zvýšením teploty forem se zlepší zatékání skloviny do rohu, ale vzniká možnost lepení skloviny a propadání. Technický rozpor tmelek aparátů na broušení kamenů. Zvýšení tuhosti tmelek vede ke zvýšení přesnosti výbrusu, ale ke zhoršení doleštení. Takovýchto rozporů je možné definovat na každém technickém systému sklářských strojů celou řadu. Vymezením technického rozporu sytému se stává úloha zřetelnější z pohledu určených částí systému které do problému vstupují. Většina techniků nicméně dovede tyto rozpory odhalit a pokusit se o jejich překonání. Bohužel běžný postup překonání spočívá v tom, že za zlepšení určitých parametrů stroje musíme něčím zaplatit. Úloha klasického konstruktéra spočívá v nalezení kompromisního řešení, aby přínos byl větší než náklady, nebo zhoršení některého parametru. Metoda TRIZ si však klade vyšší cíl. Odstranit zjištěný rozpor a neztratit nic popřípadě pouze zanedbatelně málo. TRIZ se orientuje na ideální řešení, kdy systém funguje s minimálním nárokem na prostor, čas a náklady. Jedním z nabídky nástrojů řešení metody TRIZ je tabulka eliminace technických rozporů. Tato tabulka byla sestavena na základě rozboru mnoha desítek tisíců vynálezů, kdy byly nalezeny typické rozpory a hlavní postupy pro jejich odstranění.
Například chceme zlepšit parametr rozměr a zhoršuje se nám parametr složitost výroby, pak postupy na jejich překonání jsou následující:
princip drobení: rozdělení objektu na nezávislé části
princip periodického působení: přejít z kontinuálního působení na přetržité nebo impulsní
Právě v těchto principech lze nalézt ideje jak pro řešení rozporu tažení plochého skla, tak i rozporu tvarování výlisků rotačním mačkadlem nebo i rozporu dělených forem. Je však třeba poznamenat, že samotné postupy neobsahují konkrétní řešení a neosvobozují od povinnosti přemýšlet. Příkladem může být rozdrobení rolny rotačního mačkadla na části, které musí vymyslet konstruktér. Tento příklad bude rozebrán později. Pro lepší pochopení podstaty problému je třeba jít ještě hlouběji do problému až na fyzikální podstatu a definovat fyzikální rozpor. Pochopení podstaty problému – fyzikální rozpor Prapříčinou problému je jeden prvek nebo jedna část technického systému, na který jsou pro ideální překonání rozporu kladeny protikladné fyzikální požadavky. Musí být např. těžký a současně lehký, žhavý a chladný atd. Například u tmelek aparátů na broušení jsou na prvek tmelky kladeny rozporné fyzikální požadavky: tmelka musí být tuhá, aby se dodržela přesnost při broušení kamenů a musí být pružná aby se přizpůsobila při leštění. Tuhost lze také převést na délku tj. musí být krátká, aby byla tuhá, a musí být dlouhá, aby byla pružná. Je třeba stanovit též ideál: prvek „sám“ nebo jeho okolí zajistí protikladné požadavky. Jestliže se podaří překonat rozpor v rámci systému samotného využitím jeho zdrojů, je postup řešení velmi blízký k ideálu. Principy překonání fyzikálního rozporu jsou následující:
rozpor lze řešit rozdělením rozporných vlastností v prostoru
rozpor lze řešit rozdělením rozporných vlastností v čase
rozpor lze řešit systémovým přechodem
Na příkladu tmelek lze aplikovat princip rozdělení rozporných vlastností v čase, kdy při broušení jsou tmelky samy podepřeny částí aparátu a tím jsou kratší a tužší a při leštění jsou volné, tedy pružné a přizpůsobivé. Lze zde také aplikovat princip určení nejdůležitější části resp. místa technického systému pro řešení problému. Tou částí je jednoznačně nástroj – tedy místo nejblíže výrobku. Nástrojem v případě aparátu jsou tmelky, na kterých je přitmelen vybroušený kámen Nástrojem v případě tavení barevných skel je samotná vana resp. stěna vany, která svým tvarem určuje velikost prostoru tavení a úpravy skloviny. Vana musí být velká, aby se sklovina tavila společně a energeticky úsporně a zároveň musí být malá, aby bylo možno měnit barvu individuálně. Tento rozpor lze rozdělit v prostoru. Velká na počátku při společném tavení skloviny, ale malá rozdělená na konci do buněk se speciálním režimem. Podobný trend sledují i pece s pístovým tokem určené dnes ovšem více pro obalové sklo. Tam jde však více o úsporu energie,
neboť rozdělením pece na jednotlivé fáze v samostatných jednotkách se zamezuje vratnému proudu. Nicméně výstupní čeřící reaktor a následné zařízení lze v budoucnu jistě využívat i jednotlivě. V případě sekundárního dočeřování je nástrojem samotný tlak prostředí. Tlak musí být malý, aby došlo k odstranění velkých bublin a tlak musí být velký, aby došlo k rozpuštění malých bublin. Rozdělením rozporu v čase lze realizovat podtlak (malý tlak) při úpravě skloviny, a velký tlak při homogenizace ve výtoku. Ten lze dosáhnou např. rotací (viz pec RAMAR) nebo gravitací ve sloupci vysokého homogenizátoru. Nástrojem v případě homogenizace jsou samotné vrtule. Zde je fyzikální rozpor následující - vrtule musí být spojeny s pohonem, aby míchaly a nesmí být spojeny, aby dřík míchadla nebránil protékající sklovině a neodvádělo teplo. Rozdělení rozporu je možné v prostoru – na jedné straně samotné volné vrtule (na úrovni mikrosystému) z látky s dostatečnou hodnotou magnetické indukce a na druhé straně elektromagnetické pole umístěné mimo sklovinu, které by zajišťovalo pohyb vrtule. Pro vytvoření takového pole a látek je potřeba využít nových materiálů a konstrukčních postupů, jež jsou v jiných oborech již k disposici. Nástrojem v případě tažení plochého skla jsou tažné válečky. Válečky tam musí být, aby podpíraly tažené sklo a nesmí tam být, aby se sklo nevlnilo. Válečky se v minulosti změnily principem systémového přechodu změnily v tekutý kov – cín - a tím vznikla technologie plaveného skla. V poslední době přišli Japonci (fy Asahi) s plavením skla na parním polštáři. Tento směr odpovídá linii rozvoje nástrojů – pevný – kapalný – plynný (od válečku přes tekutý cín k páře). Nástrojem při dávkování je plunžr. Plunžr tam musí být, aby bylo možné ovlivňovat dávku a nesmí tam být, aby nekomplikoval systém. Ideálně by práci plunžu měl převzít jiný prvek sytému dávkování, který se tam již nachází. To však není tak jednoduché a proto se tímto problémem budeme zabývat později. Nástrojem stříhání jsou kovové nože. Nože musí být horké, aby nezanechaly stopu, nože musí být studené, aby se nelepily na sklovinu. Překonaní tohoto rozporu souvisí s vyčerpáním možností samotného systému řešit tento rozpor na své úrovni. Podobně jako v případě dávkovaní je nutné zde zvolit ještě jiný přístup k odstranění stopy po střihu. Nástrojem tvarování výlisků rotačním mačkadlem je rolna. Rolna musí mít velký průměr, aby se snížil vliv odvalu na výlisek a rolna musí mít malý průměr, aby se neoddaloval kontakt skloviny od výtoku a neprodražovala výrobu (počet kapliků). Překonat rozpor lze rozdělením v prostoru. Místo, kde rolna musí mít velký průměr (nebo i rovinný styk) je v místě styku rolny se sklovinou, na zbylé části obvodu může mít malý průměr. Neboli rolna musí být pružná v části obsahující kapliky a musí být tuhá v části vedení na hřídeli. Jako když pružná obruč dosedne na rovinu. K této ideji lze nalézt řadu řešení, např vložení pružného mezikruží, které vydrží teplotu přes 400oC. Toto řešení také splňuje princip drobení uvedený v části technických rozporů. Princip drobení je pak součástí jedné ze základních zákonitostí technických systémů – dynamizace. Technické systémy a především nástroje se musí stát dynamičtějšími (tj. vložením kloubů a dalších volných vazeb), aby se přizpůsobily změnám podmínek v průběhu technologického postupu. Ideálně, sám kaplik by měl měnit dráhu podle místa své polohy. Řízení této polohy může určovat jen prvek systému tj. samotná sklovina.
Pružností lze řešit další rozpor rolen, které musí být přesné, aby je bylo možné sesadit vůči sobě a nesmí být přesné z důvodu jejich drahé výroby. Princip rozdělení v prostoru říká, ať jsou rolny přesné jen v místě styku jedné s druhou a ve zbylé části mohou být nepřesné. Kapliky je třeba proti sobě orientovat. Je-li kaplik pružně uložen, pak je jeho orientace přizpůsobitelná. V případě dělených forem pro zabránění zatékaní skloviny máme k dispozici jako nástroj hrany formy a vzduch mezi nimi. Fyzikální rozpor zní dost neobvykle – mezera musí být úzká, aby sklovina nezatekla a musí být široká, aby nebyla drahá výroba. Sama sklovina musí vytvořit předěl, aby nezatekla do mezery. K dispozici je vzduch v mezeře. Vzduch musí jak tlakem držet, tak i tlakem nedržet. Řešením je tlakový vzduch pulzující v mezeře. Toto je také technická realizace principu periodického působení zmíněného v kapitole technické rozpory. Při definování fyzikálního rozporu pro dolití rohů ve sklářských formách je vždy problematické klást protikladné požadavky na nástroj - formu. Ta by měla být teplejší v místech rohů a chladnější v místech lepení. U řešení formy jde spíše o vyrovnání teplot po celém jejím povrchu formy. Efektivnější je definovat protikladné požadavky na výrobek – tj. sklovinu. Sklovina musí být „teplá“ pro lepší zatékání do rohů a sklovina musí být „chladná“ pro zamezení lepení ( obojí v rámci tvarovacích teplot). Pokud chceme omezit lepení, musíme zároveň změnit protikladné požadavky na sklovinu tj. musí být chladná, ale zatékavá. Zatékavost skloviny souvisí s povrchovým napětím, které je však možné řešit jen v systému tavení (změnou redukčněoxidačních podmínek) a složením skloviny, což je nadsystém z pohledu technického systému tvarování A právě řadu rozporů můžeme překonat v použití systémového myšlení a souvislostí podsystém – systém – nadsystém, o čemž se zmíníme později. Systémovém myšlením k překonání rozporů Každý technický systém se skládá z částí – podsystémů a je zasazen ve svém okolí – nadsystému. Tyto spojení spolu souvisí a jsou vzájemně ovlivňovány. Při změnách v systému je třeba sledovat dopad změn jak na podsystém, tak také na nadsystém. Navíc každá část se vyvíjí od minulosti přes současnost do budoucnosti. Jestliže uspořádáme do obdélníků zezdola nahoru Podsystém – Technický systém Nadsystém a zleva doprava pro každou úroveň Minulý – Současný – Budoucí, vznikne nám systém devíti obrazů, které vyjadřují nejbližší okolí a vývoj systému Sledování systému v těchto pohledech a jejich změnách nazýváme systémovým myšlením. Samozřejmě že toto myšlení není omezeno jen na devět obrazů, ale může být rozšiřováno jak hlouběji do podsystému tak i výše do nadsystému a zároveň také do minulosti i perspektivní budoucnosti. V případě technického systému nůžek, lze jako podsystém vzít nože a jako nadsystém dávkovací hlavu. Je zajímavé sledovat vývoj na úrovni těchto linií z minulosti do budoucnosti. Z ručních nůžek připojením pohonu a transmise se stávají nůžky strojní, z otočných nůžek se zjednodušuje systém na posuvný pohyb. Samotný nůž se vyvíjí od jednoduchého až po tvarový s lepším materiálem. Vývoj dávkovače přechází od nabírání přes plynulý výtok k regulovanému mechanismu dávkovače s plunžrem. Při tomto vývoji je nutné sledovat 3 cesty ke zvýšení stupně ideálnosti.
první cesta – zvýšení mnohofunkčnosti – (z černobílé televize barevná)
druhá cesta – spojení systému do nástroje (celá televize v obrazovce – obrazová fólie)
třetí cesta – přechod do nadsystému (obrazová folie nalepená na okně nebo krbu plní funkci televize)
Jestliže těmito cestami vývoje posoudíme vývoj nůžek, které se postupně zdokonalovaly a rozšiřovaly ve funkcích, měly by přejít a spojit se ve vlastní nástroj nože, které by se autonomě pohybovaly ve vymezených drahách. To v dnešní době lineárních pohonů není již tak vzdálená myšlenka, kdy samotné nože mohou být prvkem v pohybovém elektromagnetickém poli. V dalším stupni pak lze uvažovat o přechodu nožů do nadsystému, kterým je dno – miska dávkovače. Představit si pohyblivé uzavírací dno dávkovače (jako. svěrač) není tak těžké, jen k tomu chybí konkrétní technická myšlenka a použití materiálů. Jestliže by se podařilo začlenit funkci dělení dávky do dna dávkovače –tomu říkáme dynamizace systému stěn – pak by systém nůžek jistě zcela zmizel (ideální plnění funkce bez systému). A navíc by zcela jistě mohl být vypuštěn plunžr ze systému dávkovače, neboť by se stal také nadbytečným. Tímto nadsystémovým přístupem lze překonat fyzikální rozpor nůžek – nože musí být horké, aby nezanechaly stopu. Tzn. samotná dynamizovaná miska by za horka vytvořila dávku bez stopy po střihu a chladná část by zmizela. Takto lze překonat i fyzikální rozpor plunžru, který tam musí být a nesmí být. Práci plunžru by převzala dynamizovaná miska. Tento směr rozvoje ležící na cestě ideálního zdokonalování systému je nejvíce perspektivní a měly by se o něj vývojáři aktivně zajímat. Důležitost rozporů na cestě vývoje sklářských strojů Překonání rozhodujících rozporů neznamená, že v průběhu dalšího vývoje nevzniknou nové rozpory nové, avšak na kvalitativně nové úrovni. Je přímo zákonité, že vzniknou a je potřeba je znovu překonávat. Důležité je, že přes definování rozporů lze lépe pochopit systém do hloubky až na fyzikální úroveň a metoda TRIZ pak již nabízí nástroje k překonání rozporů i sledování správného směru vývoje z pohledu ideálnosti tj. funkce je plněna a systém zmizel, resp. byl sloučen na úroveň nadsystému. Použití těchto myšlenkových pochodů a nástrojů umožní konstruktérovi neztrácet čas hledáním vedlejších cest, ale soustředit se na hlavní směr řešení. Mělo by to také pomoci při správném zadávání problému. Správné zadání je totiž velká část úspěchu pro konstruktéra. Někdy může zadáním i řešení odpadnout, tj. nakoupit hotové zařízení, které se jen přizpůsobí. To vše by mělo ve výsledku ušetřit čas a náklady na nový vývoj a hlavně neztratit krok s konkurencí, popř. dostat šanci ji předběhnout. Bez těchto nástrojů také není možné správné rozhodování ani na manažerské a marketingové úrovni.
Literatura [1]
BUŠOV, B. JIRMAN,.P, DOSTÁL, V.: Tvorba a řešení inovačních zadání (HA + ARIZ), Studijní texty pro střední a VŠ technické, Brno, Liberec, 1996
Anotace: Každý technický systém se setkává na své evoluční cestě s rozpory zjevnými i skrytými, které mu brání v jeho rozvoji. Teprve jejich odhalením a následným překonáním lze mluvit o další etapě rozvoje technického systému. Rozpory vznikají nejen uvnitř systému, ale také v jeho styku s nejbližším pracovním okolím. Není tomu jinak ani u sklářských strojů, ať už se jedná o stroje na zpracování skloviny nebo stroje na opracování skleněných výrobků. V příspěvku budou, vedle vysvětlení pojmu rozporů v rámci metody TRIZ (teorie řešení inovačních zadání), uvedeny některé vybrané rozpory sklářských strojů a způsoby jejich překonání. Summary: CONTRADICTIONS IN THE DEVELOPMENT OF GLASS MACHINES Every technical system encounter during its whole evolution process with contradictions, either obvious or hidden, which are obstacles in its development. It is not possible to consider next step of further development unless contradiction are fully disclosed and overcome. The origin of these contradictions is not only inside of the system but also in connection with closest work environment. There is not even difference in glass machines, either equipment for glass melting and forming or machines for finishing of glass products. The basic concepts of TRIZ methodology (Theory of Inventive Problem Solving) and several examples of contradiction in glass machines with proposed solutions will be described in this article.
Ing. Pavel Jirman, JIM design,
[email protected]
