Vysoká výrobní přesnost
Procesní inženýrství je oblast, kterou rozhodně nelze opomíjet v jakémkoliv výrobním nebo zpracovatelském průmyslu, od těžkého průmyslu a těžby až po potravinářský průmysl a farmacii. A právě procesní inženýrství se zaměřením na sypké hmoty rozvíjí tým doc. Nečase a prof. Zegzulky během vzdělávání a aplikovaného výzkumu na Hornicko-geologické fakultě VŠB-TUO v rámci nově akreditovaného moderního studijního programu Procesní inženýrství v oblasti surovin.

Úspěšný tým s realizovaným prototypem patentovaného řešení

Současný stav techniky umožňuje několik způsobů plnění lisovacích forem sypkou hmotou, z nichž každý má určité výhody a nevýhody. Plnění lisovací formy sypkým materiálem je užíváno především při výrobě keramických komponentů různého sortimentu ve slévárenském nebo ocelářském průmyslu, ale také v práškové metalurgii. V rámci současně užívaných technologií jsou pro plnění forem práškovým sypkým materiálem používány systémy tlakového plnění pomocí plynných médií. Tyto technologie vyžadují vysoké výrobní přesnosti jednotlivých konstrukčních částí a vysoké nároky na homogenitu práškového sypkého materiálu včetně stálosti jeho mechanicko-fyzikálních vlastností během celého plnícího procesu.
Podstata nově patentovaného řešení spočívá ve zvýšení univerzálnosti, spolehlivosti a efektivity plnění lisovacích forem práškovým materiálem během výroby víceplášťových trubek, tj. nižší časové náročnosti při snížených nákladech na použitý materiál v technologii výroby. Uplatnění inovačního řešení proběhlo za podpory Centra transferu technologií VŠB-TUO, které poskytlo cenné zkušenosti a podporu při hledání aplikační firmy a následně také při uzavření licenční smlouvy. Tímto byla úspěšně ukončena dlouhá a nelehká cesta od prvotní myšlenky k uzavření licenční smlouvy a uvedení technologie do průmyslové praxe. To nyní umožňuje soukromé společnosti SOLVITEC-PRO, s. r. o., využít inovační řešení, které rozšíří její portfolio nabízených produktů a poskytne potřebnou výhodu na trhu.

Snižování výrobních nákladů a efektivita výrob
Zadání úlohy typické pro procesní inženýrství v oblasti sypkých hmot vycházelo z aktuální technologie gravitačního plnění lisovací formy práškovým materiálem z jednoduché násypky. U této technologie je kladen požadavek na rychlé a homogenní vyplnění úzkého prostoru mezikruží lisovací formy sypkým materiálem s proměnlivou vlhkostí a kohezivními vlastnostmi. To způsobovalo problémy především s klenbováním a nerovnoměrnou distribucí materiálu při dávkování a zavážení formy. Tlak trhu na snižování výrobních nákladů, zvyšování efektivity výroby a kvality produktů sebou přinesl poptávku po víceplášťové průmyslové keramice, která je tvořena více vrstvami. Vnitřní a vnější stěna pak může vykazovat různé izolační a pevnostní vlastnosti. Důležitým faktorem, který nelze opominout, je samozřejmě také pořizovací cena jednotlivých vstupních surovin.

Výsledné plnění formy pro dvouplášťovou trubku

Předmětem vynálezu je způsob plnění lisovací formy při výrobě víceplášťových trubek a zařízení k provádění tohoto způsobu, které je určeno k naplnění lisovací formy dvěma a více sypkými materiály, které jsou poté slisovány do tvaru víceplášťové trubky. U této technologie výroby je nutné zajistit co možná nejmenší promísení těchto sypkých materiálů, které tvoří jednotlivé pláště keramické trubky. Tyto sypké materiály jsou dopravovány do lisovací formy separátně pomocí jedné plnící hlavy, která se z části zasouvá do lisovací formy. Plnící hlava představuje zařízení, které je uvnitř, ve své svislé ose, rozděleno na mezikruží dělící trubkou, přičemž na vnější části mezikruží se nachází rotační distribuční násypka a ve vnitřní části mezikruží se nachází distribuční kužel. Oba tyto prvky, tedy rotační distribuční násypka i distribuční kužel, jsou hladké nebo mohou být opatřeny aktivními prvky pro rovnoměrnou distribuci materiálu, kterou představuje například šnekovnice a/nebo žebra a/nebo zářez apod. Distribuční kužel je buď pasivní, tj. statický, nebo aktivní, tj. rotační dynamický, v obou případech je určen pro rovnoměrnou distribuci materiálů do formy.

Automatizace procesu plnění a úspora nákladů
Zařízení je navrženo jako stavebnicový systém, který umožňuje výměnu jednotlivých vnitřních částí tak, aby odpovídaly plněným materiálům, například náhrada hladkého distribučního kužele za distribuční kužel s aktivními prvky. Řešení není náchylné na mechanické, granulometrické, morfologické a chemické vlastnosti sypkého materiálu. Způsob plnění umožňuje při výrobě víceplášťových trubek plnit lisovací formy více sypkými materiály současně a umožňuje tak zautomatizovat celý proces jejich výroby. Rotační distribuční násypku a distribuční kužel lze použít nejen pro plnění suchých a dobře tekoucích sypkých materiálů, ale také pro distribuci velmi kohezivních a netekoucích materiálů do velmi úzkých prostor lisovací formy. Takto automatizovaný proces přináší značné zvýšení produktivity a efektivity výrobního procesu.

Simulační DEM model plnicího zařízení

Během návrhu inovačního řešení byla použita virtuální numerická simulační metoda DEM (Discrete Element Method), která v posledních letech začíná být v oblasti procesního inženýrství standardem, stejně jako např. FEM nebo CFD. DEM modelování je také jednou z oblastí, kterou se autorský kolektiv na VŠB-TUO zabývá. Pomocí této metody lze provádět tvarovou a materiálovou optimalizaci nově navrhovaných nebo stávajících inženýrských děl. V tomto konkrétním případě byl DEM použit k návrhu tvaru rotační násypky, která poté byla vyrobena metodou 3D tisku, a k celkové procesní optimalizaci plnícího procesu (dávkování, otáčky rotační násypky, atp.).

Inovativní postupy a metody k řešení díky simulaci
Tlak trhu nutí firmy vyvíjet stále dokonalejší produkty s ohledem na ekonomiku provozu, vliv na životní prostředí, úsporu materiálu i pracovní síly, komplexnost a další parametry, které dnes mají nemalý dopad na prodejnost a úspěch tohoto produktu na trhu. Digitalizace se nevyhne žádné průmyslové oblasti včetně procesního inženýrství a vize Průmyslu 4.0 převezme oblast řízení, stejně jako inovace. Není průmyslového odvětví, které by se při svém výrobním procesu obešlo bez dopravy a manipulace se sypkým materiálem.
V minulosti se všechny návrhy dopravních a procesních zařízení opíraly pouze o empirické výpočetní vztahy nebo zkušenosti konstruktéra. To už dnes díky virtuálním návrhům a numerickému modelování nemusí platit. Ve světě moderních výpočetních technologií je výhodou simulací vznik inovativních postupů a metod k řešení dosud neřešitelných zadání bez vazby na konkrétní oblast průmyslu, což nám umožňuje provádět výzkum s daným materiálem a zařízením virtuální cestou, bez výroby nákladných prototypů. To zkrátí celý inovační cyklus na zlomek původního času a minimalizuje jeho náklady.

text/foto Kamila Pokorná