VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE
Doc. Ing. Milan Horáček, CSc.
TRADICE, SOUČASNOST A PERSPEKTIVY SLÉVÁRENSTVÍ (Podíl autora na rozvoji slévárenského oboru) „TRADITION, PRESENT STATE AND PERSPECTIVES OF FOUNDRY INDUSTRY” (Contribution of Author to Foundry Industry Development)
TEZE PŘEDNÁŠKY K PROFESORSKÉMU JMENOVACÍMU ŘÍZENÍ V OBORU STROJÍRENSKÁ TECHNOLOGIE
BRNO 2007
KLÍČOVÁ SLOVA Slévárenská technologie, perspektivy oboru slévárenství, rozměrová přesnost odlitků KEY WORDS Foundry technology, perspective of foundry industry, dimensional accuracy of castings
© Milan Horáček, 2007 ISBN 978-80-214-3524-7 ISSN 1213-418X
AUTOR Doc. Ing. Milan Horáček, CSc. narozen 29. října 1948 v Přerově. Po ukončení ZDŠ v Hulíně absolvoval Milan Horáček v letech 1963-67 SPŠ slévárenskou v Brně, poté pokračoval ve studiu na FS VUT (ve stejném oboru, tj. slévárenství). Studium zakončil s vyznamenáním v roce 1972 a byl následně v konkurzním řízení vybrán pro studium interní aspirantury (školitelem se stal prof. ing. Aleš Vetiška, DrSc.). Disertační práci na téma „Vliv stupně průtočnosti na průběh krystalizace šedé litiny“ obhájil v roce 1977 po návratu ze základní vojenské služby (1975/76). V roce 1977 byl také přijat na místo odborného pracovníka katedry slévárenství FS VUT. V roce 1979 byl převeden na místo odborného asistenta a roku 1983 jmenován, na základě tehdejšího jmenovacího řízení, docentem pro obor strojírenské technologie. V roce 2004 úspěšně obhájil habilitační práci s názvem: „Rozměrová přesnost odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu“. V letech 1983-85 absolvoval postgraduální kurz angličtiny na UK v Praze obhájením závěrečné práce a složením příslušných státních závěrečných zkoušek. Po celou dobu působení na VUT FSI se doc. Milan Horáček zabýval přednášením a cvičením předmětů z oboru slévárenské technologie pro všechny specializace FSI (v nižších ročnících) a především pro specializace materiálového inženýrství a slévárenské technologie ve druhém stupni studia. Je autorem a spoluautorem 8 skript a každoročně vede diplomanty a studenty v rámci odborné vědecké činnosti. Je školitelem doktorandů v oboru strojírenské technologie a předsedou zkušební komise pro SZZ. V oblasti vědecko-výzkumné činnosti lze hlavní aktivity doc. Milana Horáčka shrnout do následujících oblastí: - Tepelně akumulační vlastnosti formovacích směsí 1970-74 - Stupeň průtočnosti a jeho vliv na krystalizaci šedé litiny 1972-76 - Vliv rychlosti tuhnutí na strukturu odlitků ze slitin Al-Si 1974-75 - Problematika tuhnutí tepelných uzlů 1975-78 - Studium skořepinových forem pro usměrněnou krystalizaci 1977-79 - Tuhnutí odlitků ve skořepinových formách 1978-81 - Výpočet vtokových soustav (modelování, tvorba software) 1983-90 - Filtrace tavenin ve skořepinových formách 1986-90 - Řízení jakosti výroby ve slévárně přesného lití 1991-93 - Přesnost odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu 1995-doposud Z organizátorské činnosti doc. Milana Horáčka pro potřebu oboru a fakulty je možné jmenovat projekty, podporující obor slévárenství na FSI: - Mezinárodní projekt TEMPUS–PHOENIX - Anglie, Itálie (1990-93), zaměřený na výchovu studentů FSI v oblasti managementu, marketingu a financování (celkem 95 absolventů, vybavení počítačové laboratoře, knihovny, technika – vše v hodnotě okolo 2,5 milionů Kč).
- Mezinárodní projekt QUALICAST – Anglie, Portugalsko (1994-1995), zaměřený na kvalitu výrobního procesu. - Koordinátor české části mezinárodního projektu OVOTRAIN (2006-2007) – tvorba sedmijazyčného metalurgického slovníku. Z dlouholeté činnosti doc. Milana Horáčka ve slévárenských společnostech je možné jmenovat jeho členství ve výkonném výboru České slévárenské společnosti (první místopředseda od roku 1994) a členství v Radě Sdružení přesného lití (viceprezident od roku 1998). V roce 2002 byl doc. Horáček zvolen členem exekutivy (řídícího orgánu) Světové slévárenské organizace – WFO (World Foundrymen Organization), v roce 2007 byl zvolen viceprezidentem WFO pro rok 2008 s následnou perspektivou volby prezidentem WFO pro rok 2009, kdy se v České republice bude konat Světové technické fórum slévačů. Doc. ing. Milan Horáček, CSc. je dlouholetým odborným garantem hlavní výroční odborné akce slévačů ČR – Slévárenských dnů (od 1993). Je také členem redakční rady časopisu „Slévárenství“ (ČR) a „International Journal of Metalcasting“ (USA). Celkem publikoval více jak 120 odborných článků v mezinárodních a domácích časopisech a ve sbornících konferencí. Jejich podrobný seznam je součástí materiálů předložených pro profesorské řízení (Příloha 7).
MILAN HORÁČEK Date of birth: Nationality: Degree: Position:
29th October 1948 Czech PhD, M. Eng Senior Lecturer, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Manufacture Technology-Dept. of Foundry Engineering Brno University of Technology Educational background: 1972 Technical University Brno, M.Sc. (M. Eng) 1976 PhD Key qualification: Over the past 30 years M. Horacek has worked, in the field of metallurgy and foundry technology at the Brno University of Technology M. Horacek has also experiences in management of the different international projects i.e. “TEMPUS” (with the UK) and “Qualicast” (UK and Portugal) He specialises in modern foundry technologies e.g. investment casting etc. Membership of professionals societies: 1978-1990 Scientific Secretary of Czech Foundrymen Society and since 1992 – date vice-president of the CFS 2002 – date member of WFO (World Foundrymen Organization) executive 1995 – date: vice-chairman of the Czech Investment Casting Association Membership of Technical boards: 1998 – date member of editorial board of Slevarenstvi journal Research experiences: 1970 -1974 Thermo physical properties of sand mixtures 1974 -1980 Gating systems for Grey Iron Castings 1980 -1985 Problems of Hot Spots Solidification 1985 -1990 Filtration of Foundry Alloys in Ceramic Shells 1990 -1995 TQM in Foundries 1995 -date Investment Casting Accuracy Publishing activities: 90 papers at the international and domestic conferences 25 articles in foundry periodicals 8 student text books Employment record: 1972 -76 PhD student at BUT (Brno University of Technology) 1976 -79 research worker 1979 - 83 Senior Assistant 1983 - date Associated Professor-Senior Lecturer (doc)
OBSAH 1.0 Slévárenský obor a jeho podíl na technickém pokroku.... 9 1.1 Historie výroby odlitků................................................................................ 9 1.2 Slévárenství současnosti............................................................................ 12 1.2.1. Produkce odlitků ve světě a u nás............................................................................... 12 1.2.2. Potřeba specialistů v českém slévárenském průmyslu................................................ 13 1.2.3. Přehled současných slévárenských technologií........................................................... 13 1.2.4. Stručný přehled slévárenských slitin........................................................................... 15
1.3 Perspektivy slévárenství............................................................................ 17 1.3.1. Úvod........................................................................................................................... 17 1.3.2. Perspektivní materiály pro odlitky.............................................................................. 18 1.3.3. Procesy zvyšující vnitřní integritu/homogenitu dílů..................................................... 19 1.3.4. Komunikace dodavatel-odběratel / simultánní inženýrství......................................... 20
2.0 Podíl autora na rozvoji slévárenského oboru.................. 23 2.1 Oblast vědecko-výzkumné činnosti.......................................................... 23 2.1.1. Stupeň průtočnosti a jeho vliv na krystalizaci šedé litiny............................................. 23 2.1.2. Vliv rychlosti tuhnutí na strukturu odlitků ze slitin Al-Si............................................. 24 2.1.3. Problematika tuhnutí tepelných uzlů.......................................................................... 24 2.1.4. Studium skořepinových forem pro usměrněnou krystalizaci...................................... 24 2.1.5. Tuhnutí odlitků ve skořepinových formách................................................................. 25 2.1.6. Výpočet vtokových soustav (modelování, tvorba software)....................................... 27 2.1.7. Studium vytvrzování ST směsí s vodním sklem........................................................... 28 2.1.8. Zjišťování plynotvornosti formovacích směsí.............................................................. 28 2.1.9 Filtrace tavenin ve skořepinových formách................................................................. 29 2.1.10. Řízení jakosti výroby ve slévárně přesného lití......................................................... 29 2.1.11. Přesnost odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu.................................. 31
2.2 Oblast výchovy slévárenských odborníků................................................. 35 2.3 Oblast propagace oboru na fakultě, v ČR a ve světě............................... 36
ABSTRACT..............................................................................................37
1.0 Slévárenský obor a jeho podíl na technickém pokroku 1.1 Historie výroby odlitků Slévárenství – jedno z nejstarších lidských řemesel, je oborem, který se zabývá zhotovením součástí pomocí odlévání kovových slitin do forem. Počátky slévárenství se datují až do třetího tisíciletí před naším letopočtem a jeho vývoj je spojen především se schopností natavit různé kovové suroviny na potřebnou teplotu odlévání. Proto je v lidské historii zaznamenána nejdříve doba bronzová (slitiny mědi mají nižší teplotu tavení) a teprve mnohem později doba železná.
Obr. 1-1 18. dynastie Egypt (1450 před n. l.)
Obr. 1-2a Zlatý hřeben - oblast Dněpru (4. stol. před n. l.)
Obr. 1-2b Hlava panovníka - Mezopotámie (2000 let před n. l.)
Obr. 1-3 Bronzová socha Budhy - Japonsko – Nara – 380 t (747 až 749 n. l.)
Stupeň rozvoje výroby odlitků v jednotlivých částech světa byl vždy v přímé souvislosti s rozvojem úrovně dané civilizace (Egypt, Čína, Blízký Východ, Evropa – obr. 1-1, 1-2, 1-3a,b) a výroba určitého sortimentu odlitků byla v daném historickém údobí závislá na tom, zda panoval mír, charakterizovaný výrobou zvonů (obr. 1-4) nebo zda byla válka, kdy se vyráběly hlavně zbraně (obr. 1-5). Zajímavostí je, že jak zvony, tak děla byly v počátcích
Obr. 1-4 Výroba zvonu šablonováním „na kabát“ (Diderotova encyklopedie 1766)
Obr. 1-5 Ukázky zdobených hlavní děl
vyráběny prakticky ze stejného materiálu, tzv. „zvonoviny“ – slitiny mědi. Také naše území má bohatou historii výroby odlitků sahající až do dávné minulosti – známý je například odlitek býčka z Býčí skály poblíž Adamova, datovaný do doby asi 500 let před naším letopočtem. Mezi první odlitky (z bronzu) patřila především umělecká díla, později již zmíněné zvony, děla, užitkové nádoby a další výrobky. 10
Obr. 1-6 Pohled na slévárnu 17/18. století
Odlitky ze slitin železa (nejdříve z litiny – první odlitky jsou známy od 14. století, ve větší míře pak až od 17.-18. století – obr. 1-6 a 1-7, a později od poloviny 19. století – odlitky z oceli) se mohly začít vyrábět až po zdokonalení příslušných technologií tavení (kuplovny, konvertory, obloukové pece, apod.).
Obr. 1-7 První litinový most – Ironbridge UK - 1779
Dalším vývojovým zlomem ve výrobě odlitků bylo zavádění sériové výroby ve strojírenství počátkem 20. století. Od této doby můžeme hovořit o rozštěpení slévárenství na výrobu kusovou a výrobu sériovou, ve které se stále více uplatňovaly nové výrobní stroje a technologie vedoucí až k dnešním, plně automatizovaným, výrobním linkám. Největší předností výroby součástí odléváním ve srovnání s jinými technologiemi je podstatně větší volnost konstruktéra v tvarování výrobku, tj. možnost téměř ideálního přizpůsobení tvaru jeho budoucí funkci a často i spojení několika součástí do jednoho celku, při dosažení vynikající tuhosti výrobku a také značného zhospodárnění výroby. Odléváním lze dokonce vyrobit součásti takového tvaru, které by nebylo možné vyrobit žádným jiným způsobem (od hmotnosti několika gramů až po hmotnost několika desítek tun). Odlitky, které provázejí lidstvo od nejstarších dob, hrají v životě člověka velmi důležitou 11
úlohu od narození až do smrti. Nasvědčuje tomu i pozornost, jakou slévárenskému tématu věnovalo Technické muzeum v Brně, když ve svých prostorách instalovalo stálou výstavu s názvem „Odlitek průvodce životem“. Slévárenské řemeslo má tedy bohatou tradici a slévači měli vždy tendenci sdružovat se v profesních spolcích. Jedním z nejstarších spolků, podrobně dokumentovaných, je „Cech ctihodných slévačů“, který vznikl v Anglii již v 16. století. Byl založen výnosem anglického krále jako druhý nejstarší řemeslný cech (prvním byl cech pekařů). Cech slévačů funguje do dnešní doby, uchovává původní tradice a ceremoniály a jeho hlavním heslem je hrdost k příslušnosti k slévárenskému řemeslu „I am proud to be a foundryman“. Také v České republice máme organizaci slévačů – Českou slévárenskou společnost, o jejíž založení se počátkem 20. století zasloužil akademik František Píšek, zakladatel oboru slévárenství a nauky o materiálu na VUT. České slévárenství bylo již tehdy na vysoké úrovni, takže počátkem 20. století bylo Československo jednou z pěti zemí, které společně založily „Světovou slévárenskou organizaci“ – WFO (World Foundrymen Organization). V dnešní době je v této organizaci sdruženo již téměř 40 zemí z celého světa.
1.2 Slévárenství současnosti 1.2.1 Produkce odlitků ve světě a u nás Zhodnotíme-li současnou materiálovou skladbu odlitků vyráběných ve světě zjistíme, že stále převládá výroba odlitků ze slitin železa a to především litin (LLG – 50%, LKG – 25%) a ve stále menším podílu ocelí (5%). Naopak prudce rostoucí tendenci vykazují odlitky ze slitin neželezných, především hliníku – 15%, a dále ze slitin hořčíku a titanu. Přibližně na stejné úrovni zůstává výroba odlitků ze slitin mědi a zinku. Celosvětová produkce odlitků dosáhla v roce 2006 objemu asi 85 milionů tun, přičemž ve dvou stech slévárnách v České republice bylo ve stejném roce vyrobeno asi 550 tisíc tun odlitků, což činí asi 0,7% světové výroby (Čína 28%, USA 15%, Japonsko 8%, Rusko 8%, Německo 6%, Indie 6%,… UK 1,5%, Polsko 1%...). V přepočtu na jednoho obyvatele však patří české slévárenství stále k předním výrobcům odlitků. Počítáme-li v peněžních jednotkách obratu, dosaženého z prodeje odlitků, vychází statistika ještě mnohem příznivěji a to vzhledem k vyšším průměrným „kilogramovým cenám“. To je dáno stále větší složitostí tvarů a celkově vyšší kvalitou odlitků s menšími tloušťkami stěn a také sortimentem náročnějších / kvalitnějších odlévaných slitin. Převážná část odlitků (okolo 60-70%) vyrobených v ČR je proto v současnosti exportována přímo na náročné trhy západní Evropy. Další vysoké procento odlitků je exportováno nepřímo prostřednictvím vývozu celků, montovaných v ČR. Ještě důležitějším ukazatelem stavu českého slévárenství jsou současné vývojové trendy, kde ze statistik MPO lze vyčíst, že výroba odlitků v ČR dlouhodobě roste, a to jak v tunovém (o 20% od roku 2002 do 2005) tak v korunovém vyjádření (o 35% za stejné období). V rámci Evropské unie je Česká republika na osmém místě s 4% podílem celkové výroby odlitků. Avšak dnešní situace ve světové výrobě odlitků, kdy došlo ke globalizaci jejich trhu, (tj. světové konkurenci), vyžaduje od našich sléváren neustálou snahu o udržení a rozšiřování svých zákazníků a to především dodržováním tří známých základních pravidel: 1/vysoké kvality odlitků 2/co nejrychlejších dodacích termínů 3/konkurenceschopných cen. 12
1.2.2 Potřeba specialistů v českém slévárenském průmyslu Z hlediska potřeby kvalifikovaných sil je nutné analyzovat rozdíly ve stylu fungování sléváren před rokem 1989 a nyní. Minulost (před rokem 1989): Téměř každá slévárna byla v nedávné minulosti „malou výzkumnou jednotkou“, což bylo dáno především nutností řešit nedostatečně spolehlivou kvalitu vstupních surovin a zařízení. Tato situace byla navíc ztížena existencí „železné opony“, která vytvářela bariéry pro transfer nových moderních technologií, což vedlo k potřebě zaměstnávat ve slévárnách mnoho technologů / inženýrů. Současná situace: Prakticky v každé slévárně je dnes zaveden systém kvality dle ISO 9000 a výroba odlitků je závislá na fungování dvou hlavních subjektů: sléváren, které odlitky produkují a dodavatelů, kteří slévárnám dodávají potřebné suroviny a služby. Oba tyto sektory přitom potřebují odborníky, bez kterých by celý systém nefungoval. Funkce slévárny: Slévárna kupuje produkty/služby které jsou používány pro výrobu odlitků ve světovém konkurenčním prostředí (kvalita, JIT, cena). Funkce dodavatelů: Postavení dodavatelů roste – jsou spoluodpovědni za kvalitu odlitku. Konkurence je tlačí do výzkumu pro získávání nových produktů, což vede k celkovému přesunu odborníků ze sléváren do dodavatelských firem. Pro komunikaci se současnými dodavateli technologií, zařízení a surovin jsou však stále někteří, kvalitní slévárenští inženýři, ve slévárnách nepostradatelní! Z nedávno provedeného průzkumu Svazu sléváren ČR vyplynulo, že potřeba vysokoškolsky vzdělaných specialistů jen pro český slévárenský průmysl (tj. asi pro 200 sléváren + velký počet dodavatelských firem) je několikanásobně vyšší než je jejich „produkce“. Výchova těchto odborníků je sice teoreticky zabezpečována na pěti technicky orientovaných vysokých školách v ČR, ale pouze dvě z nich „produkují“ specializované inženýry s požadovaným zaměřením: VUT Brno a VŠB Ostrava. Na vysokých technických školách v Praze, Liberci a v Plzni existují směry s orientací na všeobecnou technologii pouze s několika málo studenty ročně, kteří mají diplomovou práci zaměřenu na slévárenskou problematiku. O kritickém nedostatku slévárenských specialistů svědčí i celkově nízký počet absolventů všech slévárenských specializací v ČR, který se pohybuje maximálně okolo 20-25 ročně. Navíc jsou naši absolventi velmi žádaní v zemích Evropské unie, kde mnozí také nacházejí své profesní uplatnění (především v Anglii a Německu). 1.2.3. Přehled současných slévárenských technologií Možností jak zhotovit odlitek je celá řada. V odborné literatuře nalezneme různé přístupy k jejich rozdělení, níže je uvedeno nejpoužívanější z nich. a/ dle typu použité formy - V netrvalé formě – zhotovené zhuštěním formovací směsi (skládající se z ostřiva, pojiva a přísad) za pomoci modelového zařízení. Zde dále dělíme jednotlivé metody dle typu použitých pojiv: 13
Obr. 1-8a Princip metody vytavitelného modelu
I. generace – jílová pojiva (nejčastěji bentonit) II. generace – chemické vazby (pojiva: vodní sklo, sádra, cement, pryskyřice ..) III. generace – fyzikální vazby (vakuum, elektromagnetické síly, zmrazení/led..) - V trvalé formě – zhotovené nejčastěji obráběním (kovové formy/kokily) b/ dle typu modelu (tj. nástroje na zhotovení formy) - Trvalý model (pomocí jednoho modelu zhotovíme řadu forem) (materiál modelu: dřevo, kovy, plasty...) - Netrvalý model (pomocí jednoho modelu zhotovíme jen jednu formu) (materiál modelu: vosk u metody vytavitelného modelu obr. 1-8a – polystyrén u metody modelu vypařitelného obr. 1-8b)
Obr. 1-8 b Princip metody vypařitelného modelu
14
Obr. 1-9 Možnosti odlévání na vzduchu a ve vakuu
c/ dle způsobu odlévání - Gravitační lití (na vzduchu, ve vakuu – obr. 1-9) - Lití za zvýšených sil (nízkotlaké, vysokotlaké, odstředivé...) 1.2.4. Stručný přehled slévárenských slitin V dnešní době jsou odlitky vyráběny z velkého množství slitin, které lze rozdělit do tří základních skupin: a/ slitiny Fe s C oceli – uhlíkové, nízko/středně/vysoko-legované(žáropevné, korozi/otěru-vzdorné…) litiny – šedá/LLG, tvárná/LKG, vermikulární, temperovaná, legovaná… b/ neželezné slitiny slitiny Al, Cu, Zn, Mg, Ti … c/ speciální slitiny superslitiny na bázi Ni, Co, kompozity, slitiny pro rheo/tixocasting … Výběr nejvhodnější slévárenské slitiny pro určitý odlitek je dán především požadavky na konečné vlastnosti odlitku. Přitom se nejedná pouze o vlastnosti mechanické, ale i fyzikální, chemické atd. Nejnovější trendy preferují odlitky s tzv. nejvyššími „užitnými vlastnostmi“, což je pojem komplexní, kde je jedním z nejhlavnějších kriterií vztah mezi konečnými dosaženými mechanickými vlastnostmi odlitku a jeho hmotností, která by měla být co nejnižší. Proto se v poslední době stále více prosazují tzv. „lehké slitiny“ ( Mg, Ti, Al...). 15
Zdroj: Slévárenství
Obr. 1-10a Odlitky v automobilovém průmyslu
Současné uplatnění odlitků je značně široké, od automobilového průmyslu (asi největší odběratel odlitků – obr. 1-10a,b,c) až po náhrady lidských kloubů. Rozmanitost odběratelů odlitků je patrná z obr. 1-11a, ukázky špičkových odlitků pro průmysl letecký, energetický a pro účely medicíny jsou na obr. 1-11b,c,d.
Obr. 1-10b Blok převodovky: AlSi9Cu3(Fe), tlakové lití, 18,1 kg
16
Obr. 1-10 c Blok motoru, AlSi9Cu3(Fe), tlakové lití, 35 kg
Obr. 1-11a Široké uplatnění odlitků v praxi
1.3 Perspektivy slévárenství 1.3.1. Úvod Prognózy slévárenských specialistů předpokládají pozitivní vývoj výroby odlitků ve světě. Např. data porovnávající stav výroby v letech 2002 a 2008 (zpráva VDG – Německé slévárenské společnosti z roku 2006), vykazují nárůst ve výrobě odlitků téměř ze všech slévárenských slitin: u slitin Al (přes 20%), u tvárné litiny (15%), u ostatních neželezných kovů (Mg, Ti, Zn…10%), u šedé litiny (5%), ale také u odlitků z oceli (4,5%). Tentýž pozitivní vývoj se dá očekávat i v České republice, kde především prudký rozvoj automobilního (předpoklad výroby 2 miliony aut v ČR a na Slovensku v roce 2008), energetického a všeobecně strojírenského průmyslu otvírá široké možnosti pro dodavatele potřebných komponent, mezi které odlitky bezesporu patří. Tyto potenciální možnosti ovšem vyžadují od českých sléváren splnění kriterií zabezpečujících konkurenceschopnost jejich odlitků na dnešním „globalizovaném“ trhu, mezi které patří především: - zlepšení kvality odlitků (přesnost, povrch, vlastnosti) - snížení nákladů na jejich výrobu (využití kovu, snížení zmetkovitosti, atd.) - dodávky odlitků se zvýšenou přidanou hodnotou (včetně obrobení, tepelného zpracování, povrchových úprav, atestů, atd.) - dodržení ekologických normativů při jejich výrobě 17
Obr. 1-11b Lopatka leteckého motoru – equiaxiální zrno, směrová krystalizace, monokrystal
Obr. 1-11c Odlitky pro energetický průmysl – superslitina Ni, vakuově litá
Obr. 1-11d Chirurgické implantáty (kolenní a kyčelní kluby) – Ti6Al4V, CoCrMo slitiny POZN.: Při úvahách o vztahu ekologie a slévárenství je nutné konstatovat, že produkt slévárenské výroby, kovový odlitek, je v drtivé většině produkt stoprocentně recyklovatelný. Použité odlitky jsou zpětně zpracovatelné v hutích nebo ve slévárnách, a to jako velmi jakostní a plnohodnotná surovina.
1.3.2. Perspektivní materiály pro odlitky Již z předchozí kapitoly je zřejmé, že mezi nejprogresivnější materiály odlitků v budoucnu budou patřit jak slitiny neželezné (tj. slitiny Al, Mg, Ti a Zn), tak také slitiny Fe (především litiny s kuličkovým grafitem – klasická tvárná litina a litina tepelně zpracovaná – bainitická ADI a své místo si jistě najdou i vysokolegované oceli pro speciální aplikace). Zvláštní kapitolou pak budou kovové slitiny na bázi Co a Ni – tzv. super-slitiny, nacházející nezastupitelné místo v odlitcích pro letecké motory a dalších vysoce náročných aplikacích, a dále kombinace materiálů kovových s nekovovými – tzv. kompozity. Volba optimálního materiálu odlitku je přitom záležitostí velmi složitou, kdy je nutné vzít do úvahy všechna hlediska, tj. materiálové (požadované vlastnosti), konstrukční (tvarová složitost konečné součásti) a technologické (vyrobitelnost odlitím). 18
Obr. 1-12a Princip metody „squeeze casting“
Obr. 1-12b Struktura po aplikaci místního „squeeze casting“ procesu
Obr. 1-12c Rozdíly ve strukturách bez a se „squeeze castingem“
1.3.3. Procesy zvyšující vnitřní integritu / homogenitu dílů Jednou z tradičně uváděných nevýhod slévárenské technologie ve srovnání s technologiemi ostatními (tváření, obrábění) je obtížnost dosažení dostatečné vnitřní homogenity odlitků, a tím i jejich konečných mechanických vlastností, což je dáno procesem tuhnutí odlité slitiny. Obecně lze říci, že s pomocí nejnovějších prostředků k dosažení tzv. usměrněného tuhnutí (techniky nálitkování, simulace tuhnutí, správné konstrukce), kdy veškeré vnitřní nehomogenity jsou transportovány mimo vlastní odlitek, je už dnes vždy vnitřní zdravost odlitku základní podmínkou jeho akceptací zákazníkem. Nicméně v budoucnosti se budou stále více uplatňovat nové techniky ke zvýšení vnitřní homogenity odlitků jako např. krystalizace taveniny pod tlakem – „squeeze casting“ – (obr. 1-12a,b,c), použití vakua při plnění dutiny formy při tlakovém lití – „vacuum die casting“ (obr. 1-13a,b), metoda tepelného zpracování odlitků, kdy je struktura zhutňována za vysoké teploty vysokým tlakem – „H.I.P. – high isostatic pressure“, atd. 19
Obr. 1-13a Použití vakua v dutině formy před litím
Obr. 1-13b Ukázka odlitku při užití vakua před litím
1.3.4 Komunikace dodavatel – odběratel / simultánní inženýrství Je všeobecně známo, že o úspěšnosti inovací v nejrůznějších oborech rozhoduje rychlost realizace výsledků výzkumu a vývoje v praxi, současně s hospodárností a rentabilitou nového produktu, což platí samozřejmě i u odlitků. K tomu, aby bylo možné hospodárně (tj. technologicky správně) navrhnout konstrukci litých součástí, by měli konstruktéři znát základní zákonitosti slévárenské technologie, což není vůbec snadné. Také proto se stále více při návrhu nových součástí prosazuje zcela jiný přístup než v minulosti a to úzká spolupráce mezi konstruktérem a technologem, ovládajícím potřebné zákonitosti a především nové technologické možnosti. Tento tzv. „současný inženýrský přístup“ spočívající v praxi ve vytvoření týmů konstruktérů nových celků (aut, strojů, atd.) a technologů dodávajících jednotlivé komponenty – se nazývá „simultánní inženýrství“. Společné týmy se přitom účastní všech fází vzniku nového výrobku od návrhu prototypu až po jeho zavedení do seriové výroby. 20
Při spolupráci se v našem oboru uplatňují především simulační programy umožňující simulace prakticky všech fází vzniku odlitku bez nutnosti náročných experimentů (plnění dutiny formy, reakce kov-forma/atmosféra, průběh tuhnutí odlitku, vznik tepelných pnutí v průběhu tuhnutí a chladnutí odlitku, atd.) – obr. 1-14.
Obr. 1-14 Nejznámější simulační programy používanék simulaci slévárenských procesů
Rychlost zavádění nových součástí (jinými slovy schopnost rychlého dodání prvých prototypových odlitků) je dnes jedním z klíčových faktorů, majících vliv na úspěšnost každé slévárny na světovém trhu s odlitky. V této oblasti se v poslední době nabízejí, a stále více se budou rozvíjet, různé metody rychlého prototypování – RP metody. Možnosti zhotovení prototypového odlitku jsou shrnuty na obr. 1-15a, b. I tímto směrem výzkumu se v současnosti autor zabývá.
21
Obr. 1-15a Možnosti zhotovení prototypového odlitku (klasická forma)
Obr. 1-15b Možnosti zhotovení prototypového odlitku (keramická skořepina)
22
2.0 Podíl autora na rozvoji slévárenského oboru 2.1 Oblast vědecko-výzkumné činnosti V této kapitole je uveden přehled nejvýznamnějších vědecko-výzkumných aktivit autora od ukončení VŠ studia na katedře slévárenství, FS VUT v Brně až do současnosti. V následujících podkapitolách, shrnujících vždy určité údobí autorovy vědeckovýzkumné činnosti, je stručně popsána řešená problematika, dále je naznačen hlavní přínos dosažených výsledků a nakonec jsou uvedeny odkazy na jejich publikování.
Řešená tématika
Období
2.1.1. Stupeň průtočnosti a jeho vliv na krystalizaci šedé litiny 1972-76
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: V rámci státního úkolu byly řešeny pod vedením školitele prof. ing. Aleše Vetišky, DrSc. problémy spojené s krystalizací šedé litiny v souvislosti s rozdílnou rychlostí ochlazování v jednotlivých částech reálného odlitku. Byl nově zaveden pojem „stupeň průtočnosti“, charakterizující vliv proudění kovu při zaplňování dutiny formy – obr. 2-1, 2-2. Teoretické výsledky byly úspěšně aplikovány na konkrétní odlitky slévárny Zetor, na které byly kladeny vysoké nároky na rovnoměrnost jejich mechanických vlastností. Tato tématika byla současně hlavním obsahem úspěšně obhájené kandidátské práce v roce 1976.
Obr. 2-1 Definice stupně průtočnosti
Obr. 2-2 Vliv stupně průtočnosti na výsledné vlastnosti odlitků ze šedé litiny
23
Hlavní přínos: Zavedení a definování pojmu „stupeň průtočnosti“. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M.: Ovlivnění krystalizace a fyzikálních vlastností v odlitcích ze šedé litiny změnou průtočnosti, Vědecká konference s mezinárodní účastí, VUT Brno, 1975, s. 25-32 Horáček, M.: Vliv stupně průtočnosti na rozložení teplotního pole a krystalizaci šedé litiny, Vědecká konference s mezinárodní účastí, VŠB, Ostrava, duben 1997, s. 120-128 Horáček, M. - Roučka, J.: Proudění kovu ve formě a jeho vliv na teplotní poměry při tuhnutí, Vědecká konference s mezinárodní účastí, VUT Brno, září 1979, s. 85-94 Vetiška, A. - Horáček, M.: Vliv zaústění vtoku na průběh tuhnutí odlitků ze šedé litiny, Slévárenství , 1975, č. 3/4, s. 122-125 Vetiška, A. - Horáček, M.: Vliv průtočnosti na průběh tuhnutí a povrchovou jakost odlitků ze šedé litiny, Slévárenství, 1975, č. 5, s. 176-179 Horáček, M. - Vetiška, A.: Změny v krystalizaci odlitků ze šedé litiny se změnami stupně průtočnosti a rychlosti lití, Knižnice VUT, 1976, s. 98-105
2.1.2 Vliv rychlosti tuhnutí na strukturu odlitků ze slitin Al-Si
1974-75
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Poznatky z předchozích let výzkumné činnosti byly úspěšně aplikovány i na slitiny Al, kde byly kvantifikovány vlivy rychlosti ochlazování na konečnou strukturu a tím i mechanické vlastnosti odlitků z těchto slitin. Hlavní přínos: Zjištění zásadních rozdílů ve struktuře siluminu při tuhnutí v pískové a kovové formě. Výsledky publikovány/prezentovány: Vetiška, A. - Horáček, M.: Příspěvek ke studiu ovlivňování krystalizace siluminu, Slévárenství,1974, č. 3/4, s. 141-144
2.1.3. Problematika tuhnutí tepelných uzlů
1975-78
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Byly zkoumány různé tepelné uzly vyskytující se v reálném odlitku (jejich geometrie, velikost a umístění v odlitku) a jejich vliv na vznik staženin. Při výzkumu byly prováděny jak simulace za použití vosků, tak byly přímo odlévány zkušební odlitky z konkrétních slitin. Hlavní přínos: Vytvoření laboratorního výukového pracoviště ke studiu tuhnutí tepelných uzlů v odlitcích. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. - Rusín, K.: K problematice tuhnutí tepelných uzlů, Slévárenství,1982, č. 2/3, s. 85-91 Horáček, M.: K problematice tuhnutí tepelných uzlů, Mez. Konf., Plovdiv, BG, červen 1987, s. 53-58 Horáček, M. - Rusín, K.: K problematice tuhnutí tepelných uzlů, KNIŽNICE VUT, 1989, s. 17-30
2.1.4. Studium skořepinových forem pro usměrněnou krystalizaci
1977-79
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: V rámci státního výzkumného úkolu byla řešena metodika testování odolnosti nově vyvíjených skořepinových forem proti teplotním šokům. Formy byly připravovány pro technologii usměrněné krystalizace superslitin. 24
Hlavní přínos: Návrh a ověření metodiky zkoušení skořepin při jejich odolnosti proti tepelným šokům. Výsledky publikovány/prezentovány: Cihlář, J. - Horáček, M.: Shell Mould Studies, 21st European Conference on Investment Casting, Lugano, June 1990, paper Nr. 6 Rusín, K. - Cihlář, J. - Horáček, M.: Vývoj korundových skořepinových forem pro odlévání odlitků s řízenou strukturou, Mezinárodní konference „Vysokoteplotní materiály“, Brno, říjen 1980, s. 58-64
2.1.5. Tuhnutí odlitků ve skořepinových formách
1978-81
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: K dosažení usměrněného tuhnutí odlitku lze u technologie vytavitelného modelu s úspěchem použít zvýšený počet obalů v oblasti nálitku. V průběhu výzkumu byl kvantitativně vyhodnocen vliv počtu obalů (v rozmezí 6–12) na posun tepelného centra v uzlu zkušebního odlitku – obr. 2-3. Při vyhodnocování tepelného pole v okolí
Obr. 2-3 Studium tepelných uzlů ve skořepinových formách
25
Obr. 2-4 Sledování teplotních polí v okolí skořepiny pomocí holografie
skořepinové formy byla přitom s úspěchem aplikována metoda využívající holografické interferometrie – obr. 2-4. Hlavní přínos: Kvantifikace vlivu počtu obalů na „stupeň usměrněnosti tuhnutí“ a dále aplikace holografie při sledování teplotního pole v okolí tuhnoucího odlitku ve skořepinové formě. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. - Pavelek, M. - Rusín, K.: K problematice tuhnutí odlitků ve skořepinových formách, Slévárenství, 1983, č. 6, s. 278-285 Enenkl, V. - Pavelek, M. - Horáček, M.: Temperature fields interferometric measurements in neighborhood of axial – symmetric shell moulds, 7th International Heat Conference, Mnichov, 1982, p. 50-58 Horáček, M. - Rusín, K. - Pavelek, M.: K problematice tuhnutí odlitků ve skořepinových formách, II. všesvazový sjezd slévačů, Leningrad, 1983, s. 85-92 Horáček, M. - Pavelek, M.: Užití holografie při zjišťování teplotního pole v okolí skořepinové formy, Konference s mezinárodní účastí ke 100. výročí narození akademika Píška, Brno, červen 1986, s. 110-118
26
Horáček, M. - Pavelek, M.: Solidification of castings in shell moulds, poster, 20th EICF Conference, Brussels, June 1986
2.1.6. Výpočet vtokových soustav (modelování, tvorba software)
1983-90
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Výzkum vtokových soustav byl zaměřen na optimalizaci zaplňování dutiny formy, tj. na vtokové soustavy z hlediska jejich tvaru a především výpočtu rozměrů jednotlivých částí (s použitím tehdy dostupné výpočetní techniky) – obr. 2-5. Hlavní přínos: Souhrnný přehled vtokových soustav a praktický návod pro jejich správné dimenzování u odlitků ze šedé litiny a slitin hliníku.
Obr. 2-5 Studium vtokových soustav (rychlost zaplňování u různých systémů)
27
Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. - Rusín, K. - Vančura, Č.: Je přetlak vždy nutný ve vtokové soustavě?, Slévárenství, 1979, č. 3/4, s. 132-141 Horáček, M. - Rusín, K.: Odlévání forem vtokovými soustavami v horizontální rovině, Vědecká konference k 80. výročí FS a 130. výročí VUT, Brno, červen 1979, s. 21-30 Horáček, M. - Rusín, K. - Maroš, B.: Anschnitt Systeme für Gusstücke aus Grauguss – Vorschlag eines Rechnen Programmes, Giessereitagung, Karl-Marx-Stadt, Juni 1985, s. 48-56 Horáček, M. - Maroš, B. - Rusín, K.: Vtokové soustavy pro odlitky ze šedé litiny - návrh výpočetního programu, Slévárenství, 1985, č. 2/3, s. 78-84 Horáček, M.: Výpočet vtokových soustav pro odlitky ze šedé litiny, Slévárenský kalendář, 1986, s. 52-62 Horáček, M.: Užití počítače pro výpočet vtokových soustav, Mezinárodní konference, Tatranská Lomnica, září 1986, s. 40-48 Horáček, M. - Rusín, K.: Optimalizace vtokových soustav pro odlitky ze šedé litiny, Mezinárodní konference VŠB Ostrava, září 1987, s. 48-55 Horáček, M.: Calculation of gating systems for grey iron castings, III. Jugoslovenski simpozium o livarstvu, Budva, October 1987, Paper Nr. 34 Horáček, M. - Kristoň, F.: Optimalisation of gating system for grey iron castings, Internatioal Conference FOCOMP II, Sofia, June 1988, p. 15-22 Horáček, M. - Kristoň, F.: Přehled výpočetních programů pro TPV, Konference VUT - 140 let, září 1989, s. 48-55 Horáček, M. - Kristoň, F.: Číslicový počítač jako nástroj racionalizace TPV ve slévárně, Slévárenství, č. 7, 1989, s. 268-270 Horáček, M. - Rusín, K. - Maroš, B.: Optimalizace vtokových soustav pro odlitky ze šedé litiny, KNIŽNICE VUT, 1989, s. 31-40
2.1.7. Studium vytvrzování ST směsí s vodním sklem
1984-85
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Hlavním cílem zkoumání bylo sledování průběhu vytvrzování samovolně tuhnoucí formovací směsi na bázi vodního skla (pojivo) a Esterolu (tvrdidlo). Indikace průběhu vytvrzování je důležitá pro co nejpřesnější stanovení okamžiku, kdy směs již má dostatečnou pevnost a formu/jádro lze oddělit od modelového zařízení. Experimenty byly zaměřeny na použití elektro-fyzikálních metod, jejichž základem bylo sledování poklesu elektrického potenciálu směsi v průběhu samovolného vytvrzování. Metoda se ukázala jako jednoduchá a dostatečně spolehlivá a byla s úspěchem použita ve slévárenské praxi. Hlavní přínos: Zavedení metody měření průběhu vytvrzování samovolně tuhnoucí formovací směsi s vodním sklem. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. - Krčmář, V. - Švihálek, A.: Aplikace elektro-fyzikálních metod k indikaci vytvrzování systému vodní sklo-Esterol, Slévárenství, č. 1, 1984, s. 2-5
2.1.8. Zjišťování plynotvornosti formovacích směsí
1986-87
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Výzkum byl zaměřen na shrnutí teoretických poznatků z oblasti plynatosti formovacích směsí, ovlivňující největší měrou vznik exogenní bublinatosti v odlitcích. V průběhu dvou let byla provedena řada experimentů s nejčastěji používanými formovacími materiály a nátěry forem. Byla navržena optimální metodika měření kinetiky vývinu plynů z těchto směsí při lití. Sledovány byly především vlivy použitého pojiva (druhu a množství), ostřiva a také různých typů nátěrů. 28
Hlavní přínos: Zavedení metodiky sledování vývinu plynů při lití do netrvalých forem a kvantitativní srovnání nejčastěji používaných formovacích směsí a nátěrů z hlediska jejich plynotvornosti. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. a kol.: Kvalita ocelových odlitků z hlediska plynatosti formovacích směsí, Zpráva pro VŽSKG Ostrava, VUT Brno, 1987 Horáček, M.: Plynatost vybraných formovacích směsí, Sborník konference VŽSKG Ostrava, září 1989, s. 68-73
2.1.9 Filtrace tavenin ve skořepinových formách
1986-90
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Výzkumy v této oblasti byly zaměřeny na možnost použití keramických filtrů při odlévání – obr. 2-6. Experimenty směrované převážně do technologie přesného lití Al slitin prokázaly velký přínos filtrace na konečnou metalurgickou čistotu a tím i mechanické vlastnosti odlitků. Při experimentech byla použita nově navržená zkouška zabíhavosti nazvaná „VUT“ – obr. 2-7. Hlavní přínos: Stanovení optimálních parametrů při zavedení filtrace-velikost, umístění filtru a zavedení nové „zkoušky zabíhavosti - VUT“. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M.: Zabíhavost slitin ve skořepinových formách, Mezinárodní konference přesného lití, Gottwaldov, květen 1987, s. 105-111 Horáček, M.: K problematice zjišťování zabíhavosti slévárenských slitin, Slévárenský kalendář, 1988, s. 42-50 Horáček, M. - Cileček, J.: K problematice filtrace a zabíhavosti slévárenských slitin ve skořepinových formách, Slévárenství, č. 4/5, 1988, s. 156-162 Horáček, M. - Cileček, J.: Influence of ceramic foam filters on the fluidity and metallurgical quality of aluminum alloys in investment casting, 7th World Conference on Investment Casting, Munich, June29th-July2nd 1988, Paper Nr. 17 Horáček, M. - Cileček, J. - Ptáčková, M.: Možnosti filtrace Al slitin ve skořepinových formách, Mezinárodní konference přesného lití, Prachatice, říjen 1989, s. 51-60 Horáček, M.: Filtrace kovových tavenin AlSi a CuZn, PRECAST 91-6th International Symposium-poster, Uherské Hradiště, květen 1991
2.1.10. Řízení jakosti výroby ve slévárně přesného lití
1991-93
Hlavní zaměření a dosažené výsledky: V této oblasti se jednalo především o aplikace moderních metod řízení slévárenských podniků v tehdejších nových podmínkách tržní ekonomiky. Využívány byly především poznatky z britských sléváren přesného lití a první aplikace byla použita ve společném CZ/UK podniku v Praze – ve firmě Walter-Deritend. Při aplikaci moderních metod řízení byly využívány i zdroje z projektu TEMPUS (CZ/UK v letech 1990–1992), zaměřeného na výchovu odborníků v oblasti managementu, marketingu a financování. Hlavní přínos: Praktické rady a návody k řízení firem/sléváren v začátku 90-tých let.
29
Obr. 2-6 Možnosti filtrace tavenin při jejich odlévání
Obr. 2-7 Studium vlivu filtrace na zabíhavost a metalurgickou čistotu odlévaných slitin
30
Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M. - Sharp, J. D.: How to be more successful in your business in free market environment, PRECAST 93 - 7th International Symposium, Brno, May 1993, p. 214 Horáček, M. - Sharp, J. D.: Základní předpoklady úspěchu řízení slévárny v podmínkách tržního hospodářství, 30. Slévárenské dny, 1993 + Slévárenství, 41, 1993, č. 5, s. 235-237 Horáček, M. - Scrimshire, D.: TQM in investment casting foundry, PRECAST 95 - 8th International Symposium, Brno, June 1995, p. 80-85
2.1.11. Přesnost odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu od 1995 Hlavní zaměření a dosažené výsledky: Technologie vytavitelného modelu („na ztracený vosk“ nebo také „přesné lití“) zaujala jedno z předních míst mezi moderními slévárenskými technologiemi. Za posledních více jak 50 let se tato výrobní metoda vyvinula z technologie považované za metodu vysoce specializovanou na technologii v dnešní době běžně rozšířenou, reflektující požadavky zákazníků na odlitky jak z pohledu tvarové a rozměrové přesnosti, tak i materiálové náročnosti. Jedním ze základních předpokladů úspěchu technologie vytavitelného modelu je možnost zhotovení odlitku „na hotovo“ („net-shape“), tj. dosažení jeho požadovaných rozměrových tolerancí ihned po odlití („as-cast“). To ovšem znamená dokonalé pochopení a zvládnutí všech rozměrových změn, které technologii provázejí v jejích jednotlivých fázích (matečná forma – voskový model – skořepinová forma – odlitek) – obr. 2-8. Jen
Obr. 2-9 Možnosti ovlivnění rozměrů voskového modelu parametry vstřikování
tak lze správně – nejlépe hned napoprvé – stanovit rozměry matečné formy pro výrobu voskového modelu, které vedou ke konečným požadovaným rozměrům odlitku. 31
Obr. 2-8 Rozměrové změny v průběhu technologie vytavitelného modelu
32
Výzkumy byly v posledních letech zaměřeny především na možnost určitého ovládání rozměrů voskových modelů volbou parametrů vstřikování (bez nutnosti drahého zásahu do rozměrů matečné formy) – obr. 2-9. V průběhu výzkumných prací byly postupně objasněny a kvantifikovány také rozměrové změny skořepinové formy při použití různých druhů materiálů – obr. 2-10. Výsledky jsou průběžně úspěšně aplikovány ve slévárnách přesného lití především ve firmách Kdynium Kdyně, PBS Velká Bíteš, Fimes Uherské Hradiště a Alucast Tupesy. Příklad úspěšného vyřešení požadovaných rozměrových tolerancí konkrétního odlitku ve slévárně Fimes je uveden na obr. 2-11. Hlavní přínos: Objasnění a kvantifikace rozměrových změn v průběhu celé technologie vytavitelného modelu. Aplikace výsledků ve slévárnách přesného lití v ČR a také prezentace na světových konferencích přesného lití. Výsledky publikovány/prezentovány: Horáček, M.: Accuracy of castings manufactured by lost wax process, Foundry Trade Journal, U.K., 171, 1997, Nr. 3535, pp.423-429 Horáček, M.: Dimensional accuracy and stability of investment casting, Acta Metallurgica Slovaca, 5, 1999, pp. 146-153 Horáček, M.: Investment casting technology - the technology for new millennium, Livarski Vestnik, 49, 2002, Nr. 1, pp. 2-18 Horáček, M. - Štefan, L.: Influence of injection parameters to the dimensional stability of wax patterns, 9th World Conference on Investment Casting, 13/16 October, 1996, San Francisco, USA, paper Nr. 1, 20 pages Horáček, M.: Accuracy of castings manufactured by lost wax process, 23rd BICTA International Conference, Cambridge , 8/10 June, 1997, paper Nr. 2 Horáček, M. - Helán, J.: Dimensional accuracy and stability of investment casting, The ICI 46th annual technical meeting and exhibition, Orlando, USA,11/14 October, 1998, paper Nr. 17, 14 pages, Horáček, M. - Cileček, J.: Prerequisites for the use of investment casting to manufacture components currently produced by other technologies, 24th European Conference on Investment Casting, Rome, 10/12 May 1999, paper Nr. 14, 15 pages Horáček, M.: Investment Casting Accuracy, 10th World Investment Casting Conference, Monte Carlo, 14/17 May 2000, paper Nr. 13, 16 pages Horáček, M.: Investment casting technology - the technology for new millennium, 2001 JACT Investment Casting Conference, Tokyo, 13/14 September 2001, paper Nr. 11, 15 pages Horáček, M.: Investment casting technology in Czech Republic, 50th ICI International Technical Conference, Chicago, USA, 29th September -2nd October 2002, paper Nr. 22, 18 pages Horáček, M.: Točnost postupka preciznog lijeva, Ljevarstvo, Vol. 46, (2004), No. 2, pp. 45-53, ISSN 1330-2132, Horáček, M. - Michalčík, P. - Wiederman, J.: Dimensional Changes During Investment Casting Technology, 11th world conference on investment casting, pp. 180-191, (2004), BICTA / CMF, Edinburgh, 23. 05. 2004 - 26. 05. 2004 Horáček, M.: Accuracy of investment castings, in Innovative Foundry Materials and Technologies, pp. 59-74, ISBN 953-97821-9-8, (2004), Faculty of Metallurgy Sisak,5th International Foundrymen Conference, Opatija, 02. 06. 2004 - 04. 06. 2004 Horáček, M.: Latest trends in investment casting technology, Innovative Foundry Materials and Technologies, pp. 7-20, ISBN 953-7082-008, (2005), University of Zagreb, 6th International Foundrymen Conference, Opatija, 23. 05. 2005 - 25. 05. 2005 Horáček, M. - Cileček, J.: Capabilities of investment casting technology, International 45th foundry conference, pp. 66-77, (2005), Slovenian foundrymen society, 45th International Foundry Conference, Portorož, 14. 09. 2005 - 16. 09. 2005
33
Obr. 2-10 Rozměrové změny keramické formy v průběhu technologie vytavitelného modelu
Obr. 2-11 Analýza schopnosti procesu z hlediska dosažení rozměrových tolerancí
34
Horáček, M.: Accuracy of Investment castings, pp. 188-195, ISBN 83-89728-12-5, (2005), Silesian University of Technology Gliwice, Comment 2005, Wisla, 16. 05. 2005-18. 05. 2005 Horáček, M. - Cileček, J.: Accurate and Complex NET-SHAPE Castings for Challenging Markets, 67th WFC – World Foundry Congress, Harrogate, U.K., 4. 06. - 7. 06. 2006
2.2 Oblast výchovy slévárenských odborníků Podíl autora na výchově nových slévárenských odborníků lze shrnout do několika oblastí: - Výuka pro studenty bakalářského, magisterského a doktorandského studia Nová zaměření s ohledem na současné potřeby „odběratelů“ našich absolventů (Simultánní inženýrství, Kvalita řídícího pracovníka). Současný profil absolventa slévárenské specializace je naznačen na obr. 2-12. Vedení doktorandů (v současnosti 3 interní a 1 externí) – se zaměřením na progresivní slévárenské technologie, včetně možností aplikací metod rychlého zhotovení prototypových odlitků.
Obr. 2-12 Profil absolventa slévárenské specializace
- Koordinace mezinárodních projektů zaměřených na oblast vzdělávání TEMPUS – 3-letý projekt (1991/3) zaměřený na management, marketing a financování průmyslového podniku (výuka anglických lektorů na FSI po dobu 2 semestrů + 3-měsíční pobyt studentů na praxi v Anglii nebo Itálii – celkem za tři roky téměř 100 absolventů tohoto kurzu). Přínosem Tempus projektu je kompletní vybavení počítačové učebny odboru slévárenství a nákup příslušných učebních textů. TQM – 2-letý projekt Qualicast (1994/5) (mezinárodní projekt UK, Portugalsko, ČR). Publikace o nasazení TQM do sléváren (společně s renomovanými firmami především z UK). Produktem projektu bylo zpracování „Manuálu kvality pro FSI“. OVOTRAIN – 2 - letý projekt (2006/7) Leonardo – tvorba sedmijazyčného metalurgického slovníku. Organizace mezinárodních konferencí doktorandů ze zemí střední Evropy (D, A, PL, H, SLO, SK, CZ). V roce 2007 již 4. ročník (prezentace Ph.D. tezí v angličtině). 35
2.3 Oblast propagace oboru na fakultě, v ČR a ve světě Zapojení autora do oblasti propagace slévárenského oboru: - propagační přednášky pro studenty FSI (každoroční koordinace „náborových“ akcí) - činnost v odborných spolcích (ČSS – slévárenská společnost, WFO – světová slévárenská organizace) - dlouholetý místopředseda ČSS, člen exekutivy WFO - organizování Slévárenských dnů (nejvýznamnější výroční celostátní akce slévárenských odborníků z ČR a sousedních zemí – od 1990 – zatím celkem 17 ročníků) - Světové slévárenské technické fórum, Brno 2009 – obr. 2-13 (hlavní garant celosvětové akce WFO) - časopisy „Slévárenství“ (ČR) a „International Journal of Metalcasting“(USA) (člen redakčních rad)
Obr. 2-13 Pozvánka na technické světové fórum a Ph.D. konferenci v Brně 2009
36
ABSTRACT A brief look at the history, the present, and perspectives of the foundry branch is given in the first part of the publication; the second part is dedicated to the share of the author of this publication in this development in the areas of research, education of specialists, and foundry industry promotion above all. The foundry industry – one of the oldest human crafts, is the branch that deals with making parts by means of casting metal alloys into moulds. The beginnings of the foundry industry date back to the third millennium B.C.. Its development is linked mainly to the ability to melt down various metal materials to the temperature needed for casting. In comparison with other technologies, the biggest advantage of producing parts by casting lies in the substantially higher freedom of the designer in the product moulding, i.e. in the possibility of almost an ideal adaptation of form to its future function and frequently also in connecting several parts into one whole at reaching an excellent product stiffness and also a considerable rationalization of production. Parts of shapes can be produced by casting that cannot be produced by any other method (from several grams up to several tens of tons weights). If we assess the present material structure of castings produced worldwide, we find out that the production of castings from ferrous alloys still prevails, namely of cast irons above all (lamellar graphite cast iron – 50%, spherical graphite cast iron – 25%), with ever smaller share of steels (5%). On the contrary, highly growing tendency show castings from non-ferrous alloys, from aluminium above all – 15%, furthermore from magnesium and titanium alloys. The production of castings from copper and zinc alloys remains approximately at the same level. Forecasts of foundry specialists expect a positive development of castings production globally. The growth in the production of castings from nearly all foundry alloys is expected: 20% odd of aluminium castings, 15% of ductile iron, 10% of other nonferrous metals (Mg, Ti, Zn…), 5% of grey irons, but 4.5% of steel castings, too. The most progressive casting materials will include both non-ferrous alloys (i.e. Al, Mg, Ti and Zn alloys) and ferrous alloys in the future (mainly cast irons with spherical graphite – classic ductile iron and heat-treated cast iron – bainitic ADI, high-alloy steels for special applications, too, will find their places certainly). An overview of the most important scientific and research activities of the author of this publication after finishing the university education at the foundry department of the Faculty of Engineering at the Technical University Brno up to this day makes the content of the second part. It describes problems solved in short, indicates the main contribution of results achieved, and lists references to their publications in the end. Main research activities of associate professor Ing. Milan Horáček, CSc. can be summarized into several areas: - Thermal properties of sand mixtures (1970-1974) - Crystallisation of grey iron (1974-75) - Solidification of hot spots in castings (1975-78) 37
- Ceramic shells for directional solidification technology (1977-79) - Study of metal solidification in ceramic shells (1978-81) - Gating systems calculation (simulation, software creation) (1983-90) - Filtration of melts in ceramic shells (1986-90) - Production control in investment casting foundry (1991-93) - Accuracy of investment castings (since 1995) - RP methods in combination with investment casting technology (since 2005)
Foundry technology art in the past ...
... high technology today
38
