„Jsme schopni nabízet i komplexní analýzy, které dovede v ČR realizovat jen velmi málo pracovišť, a zpravidla je ještě nutné tato pracoviště kombinovat,“ říká v rozhovoru o perspektivách svařovacích technologií a výchově odborníků Jaromír Moravec, vedoucí katedry strojírenské technologie a od 1. února i nový děkan Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci.
V oblasti svařování lze využít více než 90 metod spojování materiálů. Jsou to jednak klasické, tavné metody svařování, které se nejvíce využívají v průmyslu, ale existuje i řada dalších, specifických metod, které lze využít ke spojování dříve těžko představitelných kombinací materiálů. Například jde o spojování keramiky s kovy, o různé kombinace nekovů, plasty nebo o spojování kovů s výrazně rozdílnými teplotami tavení. Také aplikační využití pokrývá celou oblast průmyslu od energetiky přes automotive, chemický a petrochemický průmysl, farmacii, potravinářství, elektrotechniku až po letectví a kosmonautiku. Přestože od objevu doposud poslední zcela nové metody svařování FSW (friction stir welding) uplynulo již téměř 30 let, stále přibývají nové poznatky a modifikace posouvající svařování na vysoce sofistikovaný obor. Na strojních fakultách se proto svařování vzhledem ke své šíři profiluje jako samostatný obor a firmy, přestože mají svá vývojová oddělení, vyhledávají často pomoc při řešení konkrétních problémů na akademické půdě. O výuce tohoto technického oboru, o spolupráci s průmyslem a o aplikovaném výzkumu zaměřeném na optimalizaci postupů svařování jsme hovořili s doc. Jaromírem Moravcem.
Jakou pomoc u vás firmy hledají? Firmy zaměřují svůj vývoj většinou na oblast konstrukce s následným využitím technologií a materiálů, které mají k dispozici a se kterými mají zkušenosti. Některé z nich mají své prototypové dílny a zkušebny, kde si otestují základní věci. O pomoc se na vědecká pracoviště tedy obracejí zejména v okamžiku, kdy po konstrukčním návrhu a sestavení prototypu nedosahují výsledků, které očekávaly, nebo v situacích, kdy technologie dlouhodobě fungovala a z neznámých důvodů fungovat přestala. V těchto situacích je třeba komplexně posoudit, v čem by mohl být problém.
Zda se jedná o nevhodně použitou technologii, problémy materiálového charakteru, konstrukční chyby, nebo o kombinaci všech těchto aspektů. Naším úkolem je pak provézt analýzy, odhalit příčinu a navrhnout opatření k nápravě. Přístupů, které lze zvolit, je několik. Můžeme vycházet z dlouholetých zkušeností v této oblasti, nabídnout komplexní materiálové a technologické analýzy, případně můžeme využít numerické simulace. Výhodou našeho pracoviště je schopnost určitého nadhledu. Tedy že proces neposuzujeme jen z pohledu svařování, ale díváme se na něj v celém kontextu od začátku až do konce. Přestože se problém objeví při svařování, příčina může být v kterékoliv části výroby. Například při plošném tváření se může zvolený materiál dostat na hranici svých možností a při následném svařování pak dojde k jeho porušení, přestože by použitá technologie fungovala na neovlivněném materiálu zcela bez problémů. Některé výrobních problémy ale souvisejí s technologickou nekázní, na kterou přijdeme přímo ve výrobní firmě.
Vaše role tedy spočívá ve spolupráci s průmyslem? Aplikovaný výzkum se na naší katedře v oblasti svařování zaměřuje na to, jak tato technologie ovlivní vlastnosti materiálů z aplikačního hlediska. Cílem je co nejméně ovlivnit základní vlastnosti materiálu tak, aby svařenec i finální výrobek splnily často velmi specifické požadavky průmyslové praxe. To, jaký přístup volíme, pak závisí na průmyslové oblasti, ze které problém vzešel a na typu materiálu, který je spojován. V posledních několika letech řešíme zejména oblast automobilového průmyslu a energetiky. Spolupráce s firmami je pak realizována jak na komerční bázi, v rámci hospodářské činnosti, tak také v rámci společně řešených vědecko- -výzkumných projektů. Konkrétní komerční zakázky a činnosti řešené v rámci hospodářské činnosti jmenovat nemohu, protože patří firmám, pro které jsme činnosti realizovali. Mohu však říci, že spadají do oblasti praskání svarů na lisovaných dílech pro automotive, únavového testování spojů, měření materiálových vstupních dat pro numerické simulace nebo se týkají podpory při rozběhu nových svařovacích linek. Kde naopak mohu být konkrétní, je oblast společných vědecko-výzkumných projektů. Zde jsme se společně s firmou Mecas ESI věnovali vývoji a verifikaci nových numerických metod svařování a tepelného zpracování pro progresivní materiály využívané v energetice, leteckém a kosmickém průmyslu a také projektu zaměřenému na numerické simulace svařování a predikce životnosti svařovaných konstrukcí v oblasti pozemní dopravy. Se společností Siemens jsme řešili nízkoteplotní opravy (svařováním) creepově odolných odlévaných turbínových komponent. V současné době řešíme se společností Neufe Přibyslav výrobu prototypu zařízení pro lokální opravy funkčnosti anorganických povrchů s využitím vysokofrekvenčních ohřevů a s firmou Jimalu Chomutov se věnujeme plazmově-nitridačnímu zvyšování užitných vlastností svarů a dílů vytvořených pomocí aditivních technologií. Od ledna 2022 zahajujeme projekt zaměřený na zvýšení životnosti turbínových lopatek, rychlouzávěrů a regulačních dílů pomocí synergického účinku mikropulsní nitridace a laserového kalení.
Zastavme se u toho, jak technologie svařování ovlivňuje materiály, co musíte sledovat? Úkolem svařování je spojit materiály tak, aby se co nejméně ovlivnily jejich vlastnosti, získané předchozí výrobou. Tedy mechanické vlastnosti, zejména pevnost, ale také houževnatost a užitné vlastnosti, jako je například korozní či abrazní odolnost. Je potřeba připravit postupy výroby tak, aby materiály měly na konci procesu svařování obdobné vlastnosti jako na začátku, nebo aby se k nim alespoň blížily. To se samozřejmě nedaří stoprocentně, protože teplotně- napěťový účinek svařovacího procesu vždy ovlivní mechanické i technologické vlastnosti materiálů. Smyslem našeho aplikačního výzkumu je vytipovat technologii a nalézt procesní a technologické parametry tak, aby byl dopad na vlastnosti materiálů co nejmenší. Samozřejmě že firmy jsou schopné vytvořit konkrétní spoje v rámci své výroby. Na nás se obracejí, pokud řeší nějaký nestandardní problém, kdy finální svařenec nemá požadované vlastnosti a nelze ho zakomponovat do konečného výrobku. Například, když svařený výrobek nevyhoví dynamickému namáhání, protože praskne dříve, než dosáhne žádoucího počtu cyklů, nebo když není dosaženo požadovaného geometrického tvaru či finálních rozměrů. A právě tady umíme poradit, udělat expertizy a najít optimální postup.
Zabýváte se i pokročilými technologiemi, jako je laserové a robotické svařování? Nezabýváme se konstrukčními věcmi, ale zaměřujeme na technologie a materiály, konkrétně na to, co daný proces udělá s materiálem a se spojem. A to i v případě moderních technologií. Moderní technologie využíváme také ve vlastním výzkumu. Mohl bych zde uvést například vysokofrekvenční ohřevy, které jsem zmiňoval už dříve, případně difúzní svařování specifických materiálů, jako jsou intermetalické sloučeniny, nebo ultrazvukové svařování plastů. Máme také možnost využívat jak fyzické, tak numerické simulace. Pro fyzické simulace používáme nejčastěji teplotně- -napěťový simulátor Gleeble 3500, který je opravdu unikátním pomocníkem. Numerické simulace pak řešíme společně se společností Mecas ESI. Takovéto simulace mohou být pro firmy velmi důležité z hlediska konstrukčního vývoje, ale především z pohledu pochopení toho, co se děje v každém okamžiku svařování, v kterémkoliv místě výrobku. Na proces je pak možné pohlížet lokálně, v rámci jednotlivých svarů, nebo globálně v kontextu celé svařované konstrukce. V rámci vývoje je jednodušší si konstrukci nejdřív nasimulovat, a teprve potom na základě optimalizace postupu pomocí numerických simulací přejít k výrobě a testování prvních prototypů. Numerické simulace tedy výrazně zlevňují výrobní proces? Rozhodně ano. Kdyby se všechny výrobky dělaly a zkoušely prototypově, byly by náklady výrazně vyšší, než když se optimalizuje postup pomocí numerických simulací. S využitím materiálových dat a vstupních dat týkajících se vlastní technologie je možné provést více variantních řešení, z nich vybrat ty optimální a aplikovat je už při výrobě reálného prototypu. Na něm se pak opravují už jen dílčí části. Numerické simulace mají své opodstatnění všude tam, kde se vyrábějí rozměrnější celky. Dobrým příkladem je energetika, kde se cena jednotlivých dílů počítá ve statisících i v milionech. Tam se určitě vyplatí udělat i několik simulací a potom teprve přikročit k finální výrobě nebo opravě. Velké využití simulací je také v oblasti transportation. Máme v laboratoři unikátní přístroje a speciální zařízení, na kterých jsme schopni připravit materiálová data pro numerické simulace a také jsme schopni výsledky simulací verifikovat a doporučit tak optimální postup.
Jste pro tak náročnou práci dostatečně přístrojově vybaveni? Jsem rád, že mohu říci: Ano, jsme. Snažím se však držet při pořizování přístrojového vybavení trochu jiný přístup. Přestože jsme technologickou katedrou, nepořizujeme si výhradně technologické vybavení, ale pořizujeme si přístroje, které nám umožní monitorovat a posoudit technologický proces jako celek. Jedná se zejména o přístroje, které jsou svým způsobem unikátní a které nám o dané technologii a materiálové odezvě dají podrobné informace. Díky tomu jsme schopni nabízet i komplexní analýzy, které dovede v ČR realizovat je velmi málo pracovišť, a zpravidla je ještě nutné tato pracoviště kombinovat. Z projektů i z vlastních zdrojů jsme jako katedra pořídili vybavení za více než 40 milionů korun. V oblasti kovových materiálů máme k dispozici přístroje pro statické i dynamické testování materiálů za teploty okolí i za zvýšených teplot. Můžeme měřit teplotně fyzikální vlastnosti materiálů, ale také strukturní změny, difúzní pochody nebo únavové chování a vliv vybraných technologií na úroveň zbytkových napětí. Obdobné je to i v oblasti zpracování plastů. Před dvěma roky jsme koupili elektronový mikroskop a v letošním roce zařízení pro měření creepového chování materiálů. Unikátním přístrojem je například teplotně napěťový simulátor Gleeble, který umožňuje simulovat teplotní děje s rychlostí ohřevu až 10 tisíc stupňů za sekundu. Dokáže tedy simulovat průběh svařování i dalších dějů při tepelném zpracování za přesně definovaných podmínek. To nám pomáhá optimalizovat technologické postupy nejen při svařování, ale opět jako kompletní a komplexní technologický proces. Být unikátní pro mě znamená být zajímavý pro průmyslovou praxi, ale také pro vědecká pracoviště v ČR i v zahraničí.
Svařování, slévárenství a tváření jsou obory praxí žádané. Jaký zájem je o jejich studium? Obecně je zájem o studium na strojních fakultách bohužel velice malý, přestože demografická křivka v současné době stoupá. To platí i pro svařování, slévárenství a tváření. Zatímco humanitní fakulty zájemce o studium z kapacitních důvodů odmítají, nás a obecně všechny strojní fakulty stále trápí nízký počet studentů.
Po zvolení akademickým senátem vás rektor TUL jmenoval od 1. února děkanem fakulty strojní. Říkal jste, že chcete přilákat více studentů. Je to reálné? Doufám, že ano. Budeme stejně jako dosud propagovat technické obory na středních školách a využívat i další formy propagace. Myslím si ale, že v blízké budoucnosti je jedinou možností zaměřit se na studenty ze zahraničí. Rád bych cílil především na studenty z postsovětských republik. Pro ně jsme zajímavou destinací, a navíc se dá předpokládat, že po ukončení studia budou chtít v ČR zůstat a ve strojírenství pracovat. U českých středoškoláků zatím přetrvává tendence získat vysokoškolský diplom z jejich pohledu jednodušší cestou. Možná, že v tomto rozhodování hraje svou roli i způsob výuky matematiky a fyziky na základních a středních školách. Zajímavý poznatek jsem získal před čtyřmi lety v Polsku na Slezské univerzitě. Na katedře svařování tam studovalo neuvěřitelných 90 studentů. My v současné době máme ve čtvrtém ročníků navazujícího studia Materiály a technologie 11 studentů v prezenční a 5 studentů v kombinované formě studia. Ptal jsem se v Polsku, jak to dělají, a vysvětlení bylo překvapivě jednoduché. Tehdy tam byla 10% nezaměstnanost a absolventi oboru svařování měli téměř absolutní jistotu perspektivního zaměstnání. Naši absolventi mají tuto jistotu také. Při nízké nezaměstnanosti v ČR však k zajištění dobrého zaměstnání stačí diplomy z netechnických oborů. Myslím si, že pokud bude nabídka pracovních příležitostí tak vysoká jako dosud, situace se výrazně nezlepší.
Fakulta strojní byla hodnocena jako nejhorší v úbytku studentů po prvním ročníku. Je řešením snížit náročnost studia? Děláte přijímací zkoušky? České strojní fakulty přijímací zkoušky nevypisují. Důvodem je, jak jsem už říkal, malý zájem o studium technických oborů. Je pravda, že první ročníky bakalářského studia jsou náročné, zejména proto, že je nutné získat všeobecný technický přehled, a proto z velké části rozhodují o úspěšnosti studia. Je ale také pravda, že studenti, kteří opravdu chtějí být strojaři, tyto ročníky absolvují v řádných termínech. Troufám si však říci, že jsou na tom všechny strojní fakulty stejně a rozdíly mezi počty těch, kteří po prvním ročníku odpadnou, jsou minimální. Rozhodně nelze náročnost studia technických oborů snižovat. Zakládáme si na tom, že naši absolventi mají kvalitní odborné znalosti, jsou pro praxi velmi dobře připraveni a všeobecně jsou hodnoceni jako dobří strojaři. Dokazuje to i fakt, že většina studentů prezenčního navazujícího magisterského studia zároveň pracuje v různých firmách. Chodí tam na brigády nebo pracují na částečný úvazek, často se zapojují do výzkumu a podílejí na řešení konkrétních úkolů. Firmy se je snaží udržet a vytvářejí jim dobré podmínky pro dokončení studia i na následný nástup do zaměstnání.
Ve své předvolební prezentaci jste řekl, že chcete změnit stereotypy, jaké? Mám na mysli určitou nepružnost ve výuce, případně obecně v přístupu některých pracovníků. Obecně, nejen na TUL, se některé předměty učí stejně jako před 20 i více lety. Přesto, že daná část je již v oboru minoritní. Problém je také v pohledu některých pracovníků na směřování vědy a výzkumu, bez ohledu na stávající stav. Naštěstí je takových lidí menšina, ale i tak ovlivňují názor studentů a veřejnosti na strojní fakultu, a právě proto ta potřeba měnit stereotypy. Naopak mě těší, že velká část akademiků spolupracuje s průmyslem, realizuje projekty, případně má zkušenosti ze zahraničních pracovišť. Díky tomu mají naši akademici dost podnětů pro mnohem zajímavější výuku. Já například v rámci předmětu teorie svařování mohu učit studenty iontovou teorii strusek, tedy metalurgické děje na rozhraní mezi tekutým kovem a struskou. A mohu po studentech chtít, aby uměli napsat a odříkat rovnice probíhajících chemických dějů. K výuce však mohu přistoupit tak, že jim vysvětlím, proč tam jsou určité prvky, jakým způsobem ovlivní vlastnosti materiálu a proč máme na základě toho různé typy obalů elektrod nebo tavidel. Od toho se pak odvodí vhodné aplikace, použité procesní i technologické parametry, případně poloha svařování. Umět si tyto věci logicky odvodit a umět využít teoretické poznatky a principy v praxi je přece důležitější než odříkávat definice chemických vzorců. Smyslem není vychovávat lidi, kteří u zkoušky odříkají určité penzum teoretických znalostí a zopakují to, co slyšeli na přednáškách, ale vychovávat myslící bytosti, schopné se orientovat ve vědě i v praxi. Nemůžeme studenty připravit na všechny situace, které je v praxi potkají, měli bychom ale být schopni je připravit na to, aby takové situace na základě základních znalostí a logické úvahy zvládali.
/Jaroslava Kočárková/
