Zlikvidováním Výzkumného ústavu obráběcích strojů počátkem 90. let přišly obory obráběcích strojů a nářadí o základnu, schopnou provádět nejen základní výzkum, ale i konstrukční návrhy uzlů a celých strojů – ať již určené přímo pro sériovou výrobu nebo pro porovnání více řešení s cílem vybrat to optimální. Neexistence dlouhodobého oborového výzkumu logicky navodila akutní nebezpečí vzrůstajícího zaostávání našich firem za konkurencí renomovaných výrobců z Evropy i Japonska. Je nepominutelnou zásluhou prof. Ing. Jaromíra Houši, jeho spolupracovníků i pokračovatelů, že při Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT vzniklo Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii. Jako cíl si vytklo být výzkumnou profesionální základnou pro český průmysl strojírenské výrobní techniky, být dobře vybaveným výzkumným, školicím a vzdělávacím pracovištěm a podílet se na výchově další generace erudovaných odborníků, kteří se účinně zapojí do zvyšování technické úrovně výrobních strojů vyvíjených v České republice.
Po stopách řešených úkolů
Od roku 2000, kdy se toto výzkumné centrum etablovalo, vzrostla jeho kapacita na několik desítek odborných pracovníků a postupně se vykrystalizovalo spektrum řešených úkolů, které se průběžně konzultují s profesním svazem výrobců obráběcích strojů (SST) a vychází z perspektivní strategie Sdružení evropských výrobců obráběcích a tvářecích strojů CECIMO. Pro řešení těchto úkolů vznikly vzájemně spolupracující odborné skupiny automatizace, konstrukce, mechatroniky, měření, výpočtů technologie a výroby geometricky velmi složitých dílců; dále pro měření přesnosti, teplot a tepelných polí, statických a teplotních deformací, vibrací a hlučnosti obráběcích strojů byla vybudována akreditovaná zkušební laboratoř, vybavená špičkovou technikou. Rozhodující řešené úlohy spadají pod rámec nejvýznamnějšího dlouhodobého grantového projektu Centrum kompetence – strojírenská výrobní technika (CK-SVT). Projekt, jehož zadavatelem je Technologická agentura České republiky, podporuje aplikovaný výzkum s cílem zvýšení technické úrovně, konkurenceschopnosti a objemu výroby nejvýznamnějších českých výrobců strojírenské výrobní techniky, z nichž mnozí jsou partnery projektu. Výzkumný program má 11 rámcových úloh (workpackages), zahrnujících řešení virtuálního obrábění, maximalizace výkonu a jakosti řezného procesu, optimalizaci stavby strojů, problematiku vibrací, ekodesign – pod nímž se rozumí maximální možné úspory zdrojů a tedy i energií, kompenzaci tepelných deformací, nové materiály pro stavbu strojů, nové koncepce obráběcích strojů, jejich pohonů i měření a další. Další výzkumné úkoly se řeší vždy s průmyslovými podniky v rámci grantů Ministerstva průmyslu a obchodu ČR, Technologické agentury ČR, evropských grantů rámcového programu nebo v rámci komerční spolupráce jako projekty smluvního výzkumu. Právě na průmyslové subjekty je zaměřena nabídka řešení úkolů, které pomohou zvýšit úroveň vyráběných strojů, a tím i jejich prodejnost. Jde především o úkoly, kde se s výhodou využijí zkušenosti a kvalifikace pracovníků centra – ať již jde o kusovou výrobu geometricky náročných dílců, podmíněnou 5osým obráběním, analýzy teplotních či statických deformací stroje pomocí metody konečných prvků a z nich vycházející návrhy na úpravu konstrukce nebo analýzy energetické účinnosti strojů včetně návrhů možných úsporných opatření.
Ekodesign
Odpověď na otázku, proč je nutno zabývat se spotřebou a úsporami energií, je nasnadě. Ceny energií stoupají a jejich úsporné využívání se stává výrazným prodejním argumentem, nehledě na to, že lze očekávat i legislativní tlak ze strany EU. V přípravě je norma ISO 14955 (Environmental Evaluation of Machine Tools), která ztíží prodej strojů, nehospodařících účelně s energií a obecné postupy pro minimalizaci spotřeby energie jsou již obsaženy v platné normě ISO 50001:2011 (Energy Management Systems). Platí rámcová směrnice EP a Rady 2009/125/ES, stanovující rámec k určení požadavků na spotřebu energie. Zanedbání těchto požadavků tedy ztíží nebo dokonce znemožní prodej strojů, které je nerespektují. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení, že největším spotřebitelem na obráběcím stroji je pohon vřetena, bylo dlouhodobým sledováním vybraných strojů v automobilovém průmyslu prokázáno, že pohon vřetena spotřebuje řádově 10 až 20 % energie. Největšími spotřebiteli jsou klimatizace, vysokotlaká čerpadla, chlazení, pohony jednotlivých os a periferijní zařízení. Zodpovědně provedená analýza spotřeby jednotlivých komponent stroje a jeho provozních režimů potom prokáže místa, kde lze úspor dosáhnout opatřeními s největší ekonomickou účinností. Obdobný rozbor lze provést i pro výrobní provozy – např. slévárnu, kde se vyhodnocuje energetická efektivnost nejen vlastního provozu, ale i energetická náročnost polotovaru dílce, zhotovovaného různými postupy.
Kde konkrétně může být centrum užitečné
Odhlédneme-li od metodiky označení, resp. zařazení, pak jednotlivé výzkumné projekty, řešené ve Výzkumném centru, lze dělit do dvou skupin. Prvá by se dala označit jako projekty základního výzkumu, kam patří např. vypracování modelů pro predikci energetické náročnosti provozu obráběcích strojů, metodika predikce obráběcích sil a výkonů, matematické modelování energetické bilance chlazení, zpracování metodiky a návrh zařízení pro měření spotřeby el. energie na výrobních strojích a zpracování znalostní báze pro analýzy životního cyklu (LCA). Poznatky z nich získané tvoří východiska řešení úloh aplikovaného výzkumu. Pro průmyslové subjekty je však daleko zajímavější skupina druhá, skupina konkrétních řešených témat. Sem patří v prvé řadě měření spotřeby energie na vybraných strojích z produkce partnerských organizací (zkušenosti ze 7 komplexních měření, prováděných na konkrétních strojích), která zahrnují základní informace o zkoumaném stroji a zkušebním obrobku, způsob měření, řezné podmínky, popis metodiky měření, jeho výsledky a konečně to nejzajímavější – vyhodnocení dle normy ISO 14995 a návrhy na opatření ke snížení spotřeby, při čemž potenciální úspory se pohybují minimálně okolo 10 % spotřeby. Analýzy měření na strojích jsou doprovázeny i zobecněním získaných poznatků, týkajících se takových zjištěných opatření, která lze užít u více typů obráběcích strojů (např. aktivní řízení periferií dle potřeby, užití regulovatelných, resp. vícestupňových vysokotlakých čerpadel, komponenty chlazení, snížení pasivních odporů, systémy režimu hibernace, powermanagement atd.). Další projekty, jejichž závěry by bylo možno aplikovat také u jiných subjektů, se zabývají rozborem energeticky účinných periférií obráběcích strojů (vysokotlaký agregát ChipBlaster, chladnice Hydac RFCS BH-58 a Rittal SK 3300) nebo porovnáním upínačů s průchozím otvorem ovládaných hydraulicky a elektromechanicky z hlediska energetické náročnosti. Obdobně širší možnost použití má i studie pohonu vřetena stroje s možností zvýšení energetické účinnosti, zahrnující i návrh úprav včetně přínosů. Analýza, věnovaná rozboru řezného procesu z pohledu energetické náročnosti, hodnotí vliv CAM a zvolené strategie obrábění, typ a charakter použití chladicí/řezné kapaliny, typ použité řezné geometrie atd. Jde o analýzu podobného charakteru, jakou publikovala firma Mapal k podpoře nabízených speciálních vícebřitých vyvrtávacích nástrojů. To, že rozbor energetické spotřeby s návrhem účinných opatření lze provést i na vyšší úrovni, než pro izolovaný stroj, prokazuje další projekt z této skupiny, řešící environmentální inventuru slévárny. Je důkazem, že energii lze úspěšně šetřit i v jiné oblasti technologií, než je třískové obrábění. Doby, kdy spotřeba energie byla brána jako nutné zlo a související náklady nikoho zvlášť nezajímaly, jsou za námi. Práce, provedené ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii ukazují, že energii ušetřit lze, a to nikoli v zanedbatelném množství. Záleží jen na tom, kdo z výrobců výrobních strojů se včas rozhodne spotřebu energie svých výrobků řešit a přiřadit se tak těm, kterým, obrazně řečeno, neujede vlak. Erudice a know-how v této oblasti, které se v centru koncentrují, jsou přístupné všem, kdo mají zájem o spolupráci, ať již v rámci grantů, nebo na bázi smluvního výzkumu. Ing. Petr Borovan