Automatyka — partner przy produkcji masowej

Świat gna do przodu. Po wejściu do Unii Europejskiej nie ma mowy o zwolnieniu tempa, a wręcz przeciwnie, należy jak najszybciej stać się partnerem dla Zachodu. Myśl techniczna — to punkt wyjścia dla postępu. Jak nią kierować, aby przyniosła wymierny (finansowy) efekt?
Naukowcy, przemysłowcy, programiści – to ludzie „grający w jednej drużynie”. Bezpowrotnie skończyły się bowiem czasy „sztuki dla sztuki”. Każda złotówka (lub jak kto woli euro) wydana na naukę powinna zaowocować ulepszeniem tego, co jest na rynku, a najlepiej wdrożeniem czegoś nowego. Automatyka i informatyka w ostatnich latach stały się wszechobecne zarówno w życiu codziennym jak i w świecie nauki i przemysłu. Czy zatem tylko naukowcy, automatycy i informatycy mają przed sobą „świetlaną przyszłość”? Nic podobnego.
Inteligentna produkcja
Systemy sterowania bowiem w dużej mierze wspomagają technologie wytwarzania, przeróbki i obróbki wykańczającej materiałów w momencie rozpoczęcia produkcji na skalę masową. Są zatem ,,kropką nad „i” podczas wdrażania danej technologii. Chemik czy metalurg w momencie podjęcia decyzji o wdrożeniu technologii opracowanej w laboratoriach naukowych „chyli głowę” przed systemami sterowania i automatyki. Wtedy tylko jest szansa na ekonomiczną, nowoczesną, dokładną i stabilną produkcję masową, czyli produkcję na miarę UE.

Automatyka i informatyka w ostatnich latach stały się wszechobecne zarówno w życiu codziennym jak i w świecie nauki i przemysłu

Elementarz dla inżynierów
Metalurg, chemik, informatyk, automatyk – każdy z tych inżynierów reprezentuje odrębny obszar nauki. I oto automatyk i metalurg, każdy kompetentny w swojej dziedzinie, muszą znaleźć „wspólny język”. Efektem tego porozumienia powinno być wdrożenie na skalę przemysłową, z wykorzystaniem systemów sterowania, technologii opracowanej w ciszy naukowego laboratorium. I oto okazuje się, że „elementarz” inżyniera metalurga wcale nie jest „elementarzem” inżyniera automatyka.
Łączność między naukowcami musi prowadzić do tego, że automatyk, który ma wdrożyć na skalę przemysłową technologię opracowaną przez metalurga, musi zrozumieć, na czym ona polega. To dopiero pozwoli w pełni wykorzystać jego wiedzę i umiejętności z zakresu automatyki bądź informatyki w „świecie rzeczywistym”, czyli w zakładzie przemysłowym. A zatem okiem naukowca zerknijmy od czasu do czasu w stronę technologii wytwarzania czy przeróbki materiałów, a wtedy być może oko innego naukowca,np. automatyka, zauważy, jak daną technologię „ogarnąć” przez systemy sterowania, czego efektem powinien być precyzyjny cykl produkcyjny.
Dotrzymać kroku
Dziedzina, na którą z pewnością warto zwrócić uwagę, to metalurgia proszków. Wprawdzie na polskim rynku traktowana jest „po macoszemu”, jednak polscy naukowcy, idąc śladem naukowców światowych, prowadzą wiele badań w tym zakresie.
Materiały o specyficznych właściwościach, efektywne i materiałooszczędne techniki – to powody dynamicznego rozwoju metalurgii proszków w ostatnich latach na całym świecie.
Skoro więc po wejściu do Unii znaleźliśmy się w lepszym świecie, nie tylko naukowcy, ale i przemysłowcy muszą dotrzymać kroku najlepszym.
W zakresie szeroko pojętej metalurgii proszków wytwarzane są proszki metali, związków międzymetalicznych oraz niektórych związków chemicznych metali lub niemetali, które następnie poddawane są prasowaniu lub prasowaniu i spiekaniu, w wyniku czego otrzymuje się materiały porowate. Wewnętrzne nieciągłości (pory) charakteryzujące strukturę materiału spiekanego tylko w niektórych przypadkach są elementem pożądanym (np. materiały implantacyjne otrzymane z proszku stopu Co-Cr-Mo czy wszczepy z ceramiki korundowej przydatne w chirurgii kręgosłupa), najczęściej bowiem wpływają na obniżenie właściwości wytrzymałościowych wyrobów.
Nieograniczone możliwości
Na właściwości finalne gotowych elementów wytwarzanych drogą metalurgii proszków mają wpływ poszczególne etapy procesu, poczynając od metod wytwarzania decydujących o morfologii proszków, poprzez metody zagęszczania proszków, warunki spiekania, a skończywszy na metodach dogęszczania spieków i obróbkach wykańczających. Każdy z tych etapów może być prowadzony przy różnych parametrach i w różnych warunkach w celu osiągnięcia właściwości pożądanych dla konkretnego wyrobu.
Możliwość sterowania materiałem wejściowym (proszki czyste, mieszanki proszkowe) i opracowywanie coraz doskonalszych metod zagęszczania i dogęszczania (pod względem wydajności czy właściwości uzyskiwanych materiałów) oraz łączenie metod metalurgii proszków z najnowszymi osiągnięciami technik konwencjonalnych stwarza wręcz nieograniczone możliwości otrzymywania wyrobów finalnych, a jednocześnie warunkuje rozwój poszczególnych etapów wytwarzania wyrobów spiekanych.

Łączność między naukowcami musi prowadzić do tego, że automatyk, który ma wdrożyć na skalę przemysłową technologię opracowaną przez metalurga, musi zrozumieć, na czym ona polega

Stosowanie spieku czarnej platyny jako wymiennika ciepła w bardzo niskich temperaturach, wytwarzanie łożysk samosmarnych o dużej odporności na korozję, wytwarzanie magnesów z gumy prasowanej izostatycznie, zagęszczanie proszku Ag w celu wyznaczenia właściwości akustycznych i magnetycznych, otrzymywanie filtrów i szczotek kolektorowych, a zarazem możliwość wytwarzania implantów wykorzystywanych w medycynie – to przykłady stosowania wyrobów otrzymywanych z materiałów proszkowych, które chyba najtrafniej uwidoczniają, jak przyszłościowa jest to branża. Otrzymywane produkty mogą być stosowane do diametralnie różnych celów, co dobrze rokuje na przyszłość, a jednocześnie wymusza ciągłe doskonalenie w tej dziedzinie.
Etapy produkcji
Chcąc zachęcić czytelników, gros których to informatycy i automatycy, nie mający na co dzień do czynienia z tematyką metalurgii proszków, przybliżmy „krok po kroku” cały cykl wytwarzania materiałów wspomnianą technologią. Wytwarzanie proszku, przygotowanie proszku, formowanie proszku na zimno (najczęściej za pomocą prasowania), spiekanie, kalibrowanie (czasami zaliczane do obróbki wykańczającej spieku) – to najprostszy i często spotykany ciąg technologiczny wytwarzania materiałów porowatych (spieków). Wytwarzanie proszków obejmujące zespół procesów mechanicznych lub fizykochemicznych pozwala na uzyskanie określonej substancji, związku chemicznego czy mieszaniny w postaci proszku (materiału sypkiego składającego się z cząstek o wymiarach liniowych zazwyczaj nie większych od 1 mm). Procesy te mogą polegać na mechanicznym lub fizykochemicznym rozdrabnianiu wyjściowego materiału litego bądź na otrzymaniu proszku w wyniku reakcji chemicznych lub fizykochemicznych z innych substancji czy związków. Różne metody otrzymywania proszków to element projektowania kształtu, wielkości i innych właściwości ziaren proszku.
Kolejny etap to przygotowanie (mieszanie) proszków, obejmujące procesy zmierzające do uzyskania odpowiedniego wsadu proszkowego. Proszek powinien być bowiem podzielony na odpowiednie frakcje, a dopiero te frakcje wymieszane ze sobą dla uzyskania proszku o odpowiednim rozkładzie ziarna. I po takich zabiegach materiał proszkowy poddawany jest dalszym procesom technologicznym, np. prasowaniu będącym podstawowym procesem przeprowadzania materiału sypkiego (proszku metalu) w trwałą kształtkę, tzw. wypraskę.
Duży wybór i duże możliwości
Prasowanie w matrycach, prasowanie hydrostatyczne, prasowanie izostatyczne na zimno i na gorąco, wyciskanie proszków na zimno i na gorąco, formowanie wtryskowe, walcowanie proszków – to przykłady metod zagęszczania proszków stosowanych w praktyce od wielu już lat.
Formowanie wyprasek o dużych bądź małych rozmiarach, skomplikowanych lub nieskomplikowanych kształtach, wykorzystujących proszki o różnej bądź jednakowej frakcji – to powody stosowania dla danego wyrobu konkretnej metody zagęszczania.
Przykłady ww. sposobów zagęszczania materiałów proszkowych dają pogląd, jak szerokie jest spektrum stosowanych metod, które w miarę upływu lat są udoskonalane, a jednocześnie stają siębazą do opracowywania nowszych technologii wykorzystujących doświadczenia również z innych dziedzin. Dzięki nim staje się też jasne, że nie istnieje metoda uniwersalna, bo każda z nich preferuje wytwarzanie wyrobów o konkretnych właściwościach.
W zależności od oczekiwań
Powszechne jest poddawanie wyprasek, uzyskanych jednym z ww. sposobów zagęszczania materiałów proszkowych, zabiegowi spiekania (polegającemu na wygrzewaniu wyrobów bez przeprowadzania ich w stan ciekły w atmosferach ochronnych). Możliwe jest też formowanie proszku w czasie spiekania. Zmniejszenie ilości porów (nierównomierne), a także zniekształcone wymiary wyrobu – to efekty tego procesu, które wymuszają kolejny etap kształtowania materiałów spiekanych – kalibrowanie, mające na celu uzyskanie odpowiednich wymiarów i gładkości powierzchni. Ostatni etap wytwarzania materiałów spiekanych to obróbka wykańczająca, obejmująca takie operacje, jak: szlifowanie, nasycanie, zabezpieczenie przed korozją – służące do nadania ostatecznych właściwości użytkowych gotowemu wyrobowi.
I tak najogólniej można przedstawić etapy wytwarzania spieków, niejednokrotnie poddawanych procesom dogęszczania, którym poświęcimy artykuł w jednym z kolejnych numerów CE Polska.
Przybliżenie tych, chwilami akademickich, informacji ma na celu tylko jedno – uświadomienie, jak szeroka to tematyka. Jeżeli ponadto uświadomimy sobie, że specjalistów z zakresu metalurgii proszków można podzielić na tych, którzy specjalizują się np. tylko w metodach otrzymywania proszków, doborze parametrów spiekania czy w sposobach prasowania spieków – zrozumiemy, jak ,,wielowarstwowa’’ to dziedzina.

Autorka artykułu ukończyła Politechnikę Częstochowską na Wydziale Inżynierii Materiałowej, przygotowuje się do obrony pracy doktorskiej. Obecnie jest pracownikiem naukowo-dydaktycznym Katedry Mechaniki i Technologii Przeróbki Plastycznej na Politechnice Śląskiej.