Závěrečná zpráva o řešení projektu Číslo projektu Tematický okruh a specifikace Řešitel Spoluřešitel Název projektu
: : : : :
Vysoká škola a fakulta
:
2660/2010 F1 / a Ing. Luboš Běhálek doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D. Víceúčelová měřící sestava charakteristik plastů Technická univerzita v Liberci Fakulta strojní
pro
stanovení
teplotních
1. Cíle řešení Předložený rozvojový projekt se dílčím způsobem zabývá inovací a modernizací technických studijních předmětů zaměřených do oblasti inženýrství plastů, konkrétně do oblasti jejich teplotních charakteristik, jejichž znalost je nezbytná pro správnou aplikaci konstrukčních dílů z plastů v praxi. Podstata projektu staví na skutečnosti, že od absolventů vysoké školy technického směru je očekáváno především technické myšlení, samostatná tvůrčí činnost, schopnost analýzy stávajících řešení i syntézy řešení nových. Za tímto účelem bude vytvořena víceúčelová (modelová) měřící sestava zařízení a přípravku pro měření teplotních charakteristik plastů, která umožní vytvořit pět laboratorních úloh (dvě modernizované a tři nové), pomocí nichž si budou moci studenti na praktických příkladech ověřit své teoretické znalosti z oblasti fyziky polymerů a navíc budou moci posuzovat vzájemnou interakci procesních parametrů výroby plastových dílců na jejich tvarovou stálost za zvýšených teplot, krípové chování, aj. Laboratorní úlohy budou připraveny tak, aby jejich řešení bylo možné zvládnout během standardního rozsahu laboratorních cvičení, je však zřejmé, že pro jejich zvládnutí bude nezbytná individuální příprava studentů. Pevně věříme, že řešením projektu dosáhneme kvalitního využití času studenta při absolvování předmětů, které se velmi úzce dotýkají praxe, a zvýšíme také jejich atraktivnost.
2. Postup a způsob řešení Postup řešení projektu lze rozdělit do pěti dílčích oblastí. V první etapě projektu byl proveden konečný návrh konstrukce přípravku pro měření teplotních charakteristik plastů včetně výkresové dokumentace (viz obr. 1). Výhodou konečného řešení je univerzálnost přípravku, který umožnil (na rozdíl od současného - zcela nevyhovujícího řešení) modelově sestavit pět laboratorních úloh ovládaných z uživatelského prostředí programu Matlab (úloha 1 až 4) a pDaqViewPlus (úloha 5): Úloha 1: Stanovení teploty měknutí dle Vicata (nová úloha) Úloha 2: Stanovení teploty průhybu při zatížení (nová úloha) Úloha 3: Stanovení krípu v ohybu při tříbodovém zatížení (nová úloha) Úloha 4: Stanovení termomechanické křivky a bodu zvratu II. řádu (inovovaná úloha) Úloha 5: Stanovení křivek tuhnutí plastů (inovovaná úloha)
a)
b)
c)
Obr. 1 Konstrukční řešení přípravku pro stanovení teplotních charakteristik plastů a) původní (nevyhovující) mechanická koncepce; b) navrhované řešení v žádosti projektu; c) konečné řešení
V druhé etapě řešení byla realizována výroba přípravku vč. příslušenství, odlaďování konstrukčních prvků, nákupu zařízení a pomůcek pro vytvoření modelové měřící sestavy. Pro tyto účely byla pořízena PC sestava (na základě výzvy k podání nabídek v rámci Rámcové smlouvy na dodávku výpočetní techniky podle § 92 zákona č. 137/2006 Sb.), nerezová nádoba, cirkulační oběhový termostat s PID adaptivní regulací a možností programování teplotní rampy (pro řízený ohřev vzorků), digitální úchylkoměr Mitutoyo, sada závaží, silikonový olej a drobný technický materiál (datové propojovací kabely, apod). K doplnění měřící sestavy bylo použito na katedře dostupných termočlánkových sond a datové sběrnice včetně sw. příslušenství. Ve třetí etapě řešení byly zakoupeny polymerní materiály z nichž byly vstřikováním (v souladu s principy vstřikování víceúčelových zkušebních těles a těles ve tvaru pravoúhlého hranolu) zhotoveny zkušební tělesa pro jednotlivé laboratorní úlohy, přičemž zhotoveny byly vzorky lišící se složením, strukturou i technologickými parametry výroby. Použito bylo také materiálů získaných z vlastních zdrojů. Ve čtvrté etapě řešení projektu bylo pro úlohy 1 až 4 vytvořeno uživatelské prostředí v programu Matlab s vizualizací měřených dat vzorků (teplotních charakteristik) a časového průběhu teplot v potřebné toleranci (viz obr. 2). Pro úlohu 5 bylo použito programu dodávaného k datové sběrnici (pDaqViewPlus), který byl na katedře dostupný. V poslední, páté etapě řešení byly v závěru roku připraveny návody na laboratorní cvičení, které jsou dostupné na webové prezentaci katedry (www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/aktivity/frvs.htm) a výukové postery k tématu teplotních charakteristik plastů a metod jejich stanovení, které jsou součástí instalace modelové měřící sestavy. Rozbor jednotlivých úloh je následující: Úloha 1: Stanovení teploty měknutí dle Vicata - měření se soustředí na stanovení tepelné odolnosti plastů vůči vysokým teplotám vtlačováním jehly s plochým hrotem do povrchu zkušebního tělesa. Studenti se modelově seznámí s principem metody a na praktických příkladech si ověří své teoretické znalosti z oblasti fyziky polymerů ve vztahu interakce struktury materiálu, procesních podmínek výroby na výslednou tvarovou stálost výrobku.
Úloha 2: Stanovení teploty průhybu při zatížení - měření se soustředí na stanovení tepelné odolnosti plastů vůči vysokým teplotám při předepsaném přírůstku deformace v ohybu 0,2% a kromě ověření znalostí studentů poukazuje úloha na prezentaci rozdílů v metodách stanovení tvarové stálosti polymerů.
Obr. 2 Uživatelské prostředí v programu Matlab pro úlohu 2 - stanovení teploty průhybu při zatížení
Úloha 3: Stanovení krípu v ohybu při tříbodovém zatížení (viz obr. 3) demonstruje vliv materiálu a jeho struktury na krípové chování za zvýšených teplot (s ohledem na časový rozsah měření) a současně poukazuje na význam teplotní zátěže materiálu. 3 4
6
1 2 5
Obr. 3 Příklad uspořádání měřící sestavy pro stanovení krípu v ohybu při tříbodovém zatížení 1- univerzální přípravek pro stanovení teplotních charakteristik plastů; 2- sada závaží; 3- digitální úchylkoměr; 4- termostat; 5- nerezová nádoba se silikonovým olejem; 6- PC sestava s uživatelským prostředím Matlab
Úloha 4: Stanovení termomechanických křivek a bodu zvratu II. řádu demonstruje vliv teploty na vlastnosti výrobků a umožňuje stanovení "teoretické" teplotní meze amorfního termoplastu z hlediska tvarové stálosti výrobku. Úloha 5: Stanovení křivek tuhnutí plastu - měření umožňuje sledovat z vnějšku fyzikální procesy, které se v materiálu odehrávají při jeho tuhnutí a u semikrystalických termoplastů nabízí představu o počátku krystalizace materiálu, která rozhodujícím způsobem ovlivňuje jeho výsledné vlastnosti.
3. Změny projektu Všechny přidělené finanční prostředky byly čerpány v souladu se schváleným návrhem přihlášky. V průběhu řešení projektu nebyly provedeny žádné změny, k nimž by byl vyžadován nutný souhlas vysoké školy nebo Výboru fondu (t.j. změna řešitele anebo přesun mezi položkami rozpočtu projektu).
4. Výsledky a výstupy řešení včetně jejich prezentace Projekt "Víceúčelová měřící sestava pro stanovení teplotních charakteristik plastů" byl úspěšně realizován, výsledkem jsou tři nové a dvě zásadním způsobem inovované laboratorní úlohy, používané především při výuce předmětů: Vlastnosti a inženýrské aplikace plastů, Nekovové materiály a Kompozitní materiály ve studijním oboru strojírenská technologie se zaměřením na tváření kovů a plastů a materiálové inženýrství. V letním semestru 2010/2011 bude měřící sestavy použito také k demonstraci fyzikálních metod hodnocení kvality dílů v kurzech celoživotního vzdělávání (s ohledem na plán kurzů se i přes snahu zprovoznit sestavu co nejrychleji nepodařilo zařadit úlohy do těchto kurzů již v roce 2010) a od zimního semestru 2011/2012 budou laboratorní úlohy využity ve výuce předmětu Kompozity s textilní výztuží (úloha 1, 2) a Vlastnosti vláken (úloha 3) na Fakultě textilní (dle vyjádření a příslibu vyučujících). Výsledky projektu umožní demonstrativními a praktickými úlohami objasnit princip a funkci zařízení pro stanovení teplotních charakteristik plastů v praxi, ale také vliv materiálu a jeho struktury na chování plastových dílů za zvýšených teplot. Ke všem úlohám byly vytvořeny návody na cvičení obsahující také ucelený popis práce s měřící sestavou v jednotlivých dílčích úlohách a jsou dostupné na webové stránce "www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/aktivity/frvs.htm", která rovněž informuje o daném projektu, včetně jeho výstupů. Návody jsou koncipovány univerzálně tak, aby se daly aplikovat ve všech výše uvedených předmětech výuky. K významu a principu jednotlivých úloh a měření byly zhotoveny výukové postery, které jsou instalovány v laboratoři plastů na katedře strojírenské technologie a jsou součástí měřící sestavy.
5. Finanční prostředky projektu a jejich využití Výkaz hospodaření s přidělenými prostředky je uveden v tab. 1, resp. detailně v tab. 2a,b s odůvodněním, na co byly použity. V průběhu řešení projektu byly přístroje znovu poptány u několika firem a vybráni nejvhodnější dodavatelé. Všechny přidělené finanční prostředky (t.j. běžné náklady) byly čerpány v souladu se schváleným návrhem přihlášky a to jak u dotace z FRVŠ, tak u příspěvku VŠ (viz tab.1). Běžné "Ostatní" náklady z dotace FRVŠ byly použity v souladu s detailním rozpisem zdůvodnění finančních prostředků dle přihlášky projektu, rovněž tak běžné "Ostatní" náklady z dotace VŠ, kde byla provedena nepatrná změna v čerpání úsporou výdajů (způsobená nižší cenou položek či úsporou nákladů za plánované uzpůsobení termostatu pro teplotní snímač) směřující k
dofinancování zvýšených "Ostatních" nákladů u plánovaných položek specifikovaných v detailním rozpisu přihlášky projektu. Tab. 1 Výkaz hospodaření s přidělenými finančními prostředky
Náklady na řešení (zaokrouhleno na celé tis. Kč)
Dotace z FRVŠ poskytnuto použito
Kapitálové výdaje: Celkem
Příspěvek VŠ přislíbeno skutečnost
0
0
0
0
Běžné náklady: Odměny za řešení projektu Stipendia Ostatní osobní náklady Služby Cestovné zahraniční Ostatní Celkem
9 0 0 27 0 108 144
9 0 0 27 0 108 144
5 0 0 0 0 34 39
5 0 0 0 0 34 39
Celkem
144
144
39
39
Tab. 2a Výkaz hospodaření s přidělenými finančními prostředky FRVŠ pro běžné náklady s odůvodněním
Běžné náklady hrazené z dotace FRVŠ Položka Odměny za řešení projektu Služby Přípravek z korozivzdorné oceli pro teplotní charakteristiky Ostatní Korozivzdorná nádoba pro olejovou lázeň Kryt nerezové nádoby Cirkulační termostat PGW Medingen Počítačová sestava Trilline mikro Sada závaží Vicat, HDT, kríp (7 ks) Digitální úchylkoměr Mitutoyo
Náklady *Kč+
Komentář
8.999,45 Odměny vč. sociálního a zdravotního pojištění 27.000,00 Zhotovení základní konstrukce přípravku pro měření teplotních charakteristik 22.194,00 Nádoba pro temperaci vzorků v silikonové lázni 2.424,00 39.780,00 Termostat k řízenému ohřevu lázně 15.000,00 Pro řízení, záznam dat a vyhodnocení výsledků 8.877,00 Sada závaží pro zatěžování plastových vzorků 19.726,00 Úchylkoměr pro měř. deformací vč. kb RS232
Běžné náklady celkem: 144.000,45 Kč Výpis z analytického účtu (účetní knihy) prostředků FRVŠ je uveden v příloze.
Tab. 2b Výkaz hospodaření s přidělenými finančními prostředky VŠ pro běžné náklady s odůvodněním
Běžné náklady hrazené z příspěvku VŠ Položka Odměny za řešení projektu Ostatní Silikonový olej Lukosiol M 200 Korozivzdorný stojánek Vypouštěcí ventil Polymerní materiál fy. Albis Polymerní materiál fy. Inmatec Kabely USB 2.0-RS232 (2 ks) Zatěžující a podpěrné prvky přípravku - ohybník a distance pro HDT, kríp - Vicatova jehla - krípové a HDT podpěry Sada závaží Vicat, HDT, kríp (7 ks) Posterová prezentace - hliníkové clip rámy (1000x700 mm) - tisk posterů (2ks - 1000x700 mm) Cestovné - fy. LABO-MS (15.7.2010) - fy. TESECO (20.7.2010) - fy. TESECO (9.12.2010) Běžné náklady celkem: 38.998,15 Kč
V Liberci, 12. 1. 2011 Za řešitelský kolektiv: Ing. Luboš Běhálek
Náklady *Kč]
Komentář
4.999,54 Odměny vč. sociálního a zdravotního pojištění 4.236,00 Olejová lázeň pro ohřev vzorků (25 kg) vč. dopravy 3.650,40 Stojánek pro uchycení přípravku 2.575,20 Opatření korozivzdorné nádoby ventilem 2.967,00 Polymerní mat. pro výrobu zkušebních vzorků 6.384,01 Polymerní mat. pro výrobu zkušebních vzorků 448,00 Převodní kabely pro měřící sestavu 1.176,00 1.020,00 3.672,00 363,00
Zatěžující prvky pro úlohu 2 a 3 Zatěžující prvek pro úlohu 1 a 4 Podpěry přípravku pro úlohu 2 a 3 Dofinancování sady závaží k dotaci z FRVŠ
1.915,00 Hliníkové klip rámy pro instalaci posterů 588,00 Náklady tisku výukových posterů Cestovní náklady spojené s řešením projektu k 1.629,00 zajištění technických konzultací 1.689,00 1.686,00
