Alexander Schrek získal ocenenie Vedec roka SR 2023 v kategórii Inovátor roka/Inovátorka roka za novátorský prínos v oblasti tvárniteľnosti laserom zváraných kombinovaných polotovarov.
Ocenenie v kategórii Inovátor roka získal doc. Ing. Alexander Schrek, PhD.
Docent Alexander Schrek je uznávaným odborníkom v oblasti technológií tvárnenia materiálov a terajším prodekanom Strojníckej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave pre personálne a sociálne veci a rozvoj fakulty.
V súčasnosti sa intenzívne venuje progresívnym technológiám, konkrétne problematike plošného tvárnenia – hlbokého ťahania výťažkov, a novým spôsobom hodnotenia ich tvárniteľnosti z polotovarov s osobitnými vlastnosťami. Jeho práca sa pretavila aj do patentu zariadenia, ktoré je určené na lisovanie, ohrev a kovanie nekompaktných materiálov. Významne sa podieľal na tvorbe učebných pomôcok pre študentov a je spoluautorom odbornej monografie Slovník tvárnenia.
V rozhovore pre portál VEDA NA DOSAH spomína na to, ako objavil svet strojárskych technológií, čo považuje za prelomové inovácie a ako vidí využitie umelej inteligencie vo svojej oblasti bádania. Rozoberá tiež plošné tvárnenie v automobilovom priemysle a svoje aktuálne pracovné vízie.
Doc. Ing. Alexander Schrek, PhD., na slávnostnom oceňovaní Vedec roka SR 2023. Foto: Marián Zelenák
Získali ste ocenenie Vedec roka SR v kategórii Inovátor roka. Lákal vás svet strojárskych technológií a inovácií od malička?
Od mala, vďaka rodinnému zázemiu som mal veľmi blízko k technike. Mama učila na železničnom učilišti odborné predmety, otec pracoval ako projektant v bývalých chemických závodoch, preto som sa mnohokrát už v predškolskom veku ocitol na ich pracoviskách. Ako malý chlapec som sa, samozrejme, zaujímal o autá a ešte viac o lietadlá, takže som si začal hračky a funkčné modely vyrábať sám. Leteckému modelárstvu sa súťažne venujem dodnes. Koketoval som medzi strojárstvom a elektrotechnikou. Nakoniec zvíťazila Stredná priemyselná škola strojnícka v Bratislave a moje ďalšie smerovanie bolo spečatené.
Mal som šťastie na výborných učiteľov, ktorí externe pracovali aj na strojníckej fakulte, takže prechod na vysokú školu bol úplne kontinuálny. Už na začiatku štúdia na vysokej škole som mal opäť šťastie, že na predmetoch, ktoré ma prioritne zaujímali, som stretol vyučujúcich, ktorí mi aj vďaka študijným výsledkom umožnili pôsobiť na katedre materiálov a technológií ako vedecká pomocná sila, kde som sa podieľal na tvorbe učebných pomôcok a bol som zapojený do výskumu tvárnenia práškových nástrojových ocelí.
Od mala, vďaka rodinnému zázemiu som mal veľmi blízko k technike.
Inovácie v strojárskom priemysle
Svet technológií napreduje míľovými krokmi. Kam sa posunul v oblasti technológií tvárnenia za posledné roky? Čo považujete za najnovšiu prelomovú inováciu, ktorá má jednoznačný dosah na prax?
Technológie tvárnenia sú vo všeobecnosti veľmi progresívnymi technológiami. Vo veľmi krátkom čase je možné získať z jednoduchého polotovaru pri dodržaní istých zásad a podmienok produkty za spoluúčasti podporných zariadení – tvárniacich nástrojov a strojov výrobky s výrazne odlišnými, lepšími vlastnosťami. Možností inovácií je preto obrovské množstvo.
Prvým okruhom je materiálové inžinierstvo. Využívame materiály s novými vlastnosťami, ako sú progresívne ocele, hliníkové či titánové zliatiny, kovové a nekovové kompozity, konštrukčné keramiky s využitím superplasticity a aditívnych technológií tvárnenia predstavujúcich výsledný produkt tvoriaci základ konštrukčného celku. Taktiež napredujeme v oblasti samotnej úpravy materiálov, tvoriacich základ funkčných častí zariadení, ktoré sú v priamom kontakte s tvárneným materiálom, a realizujúcich technologický proces.
Alexander Schrek na oceňovaní Vedec roka SR 2023. Foto: Marián Zelenák, CVTI SR
Druhým okruhom sú nové konštrukčné riešenia a funkčné princípy zariadení realizujúcich technologický proces využívajúci projektovanie pomocou počítača (CAD), počítačom riadené inžinierstvo (CAE) a mechatronické systémy. Modulárnou konštrukciou výrobných zariadení a montážnych postupov sa zvýši flexibilita výrobných zariadení a skráti sa technická príprava výroby.
Tretím okruhom sú inteligentné výrobné stroje, prepojené automatizačnými zariadeniami, robotmi kobotmi a ďalšími inteligentnými prvkami a priemyselnými riadiacimi systémami. Dôležité je mohutné testovanie a validácia manipulačnej robotiky a iných výrobných zariadení v reálnom čase a prostredí. Nové metódy vzájomnej spolupráce inteligentných zariadení a riadiacich systémov, podporujúce ich vzájomnú flexibilitu, malé výrobné dávky a nové programovacie algoritmy. Dôležité sú nové metrologické nástroje a metódy presného a komplexného merania v reálnom čase.
Umelá inteligencia má v strojárskom priemysle veľký potenciál a jej aplikácia stále rastie. Kde vo vašom odbore pôsobenia vidíte jej uplatnenie?
Uplatnenie umelej inteligencie predpokladám predovšetkým v oblasti prípravy výroby. Tým, že dokáže analyzovať veľké množstvo dát a identifikovať predošlé vzorové príklady pri návrhu technologických postupov plošného i objemového tvárnenia a pri overovaní funkčnosti navrhnutých technologických postupov, sa zefektívnia výrobné procesy a znížia sa náklady na predvýrobné etapy. Samostatnou kapitolou je optimalizácia materiálových tokov z hľadiska organizácie výroby, kontrola kvality produkcie, zníženie nepodarkovosti, zníženie odpadu, celkové zvýšenie kvality a eliminácia ľudského faktora pri kvalitatívnom hodnotení.
Pozrite si
Využitie tvárnenia v praxi
Venujete sa tvárneniu výkovkov, ktoré sú charakteristické presnými tvarmi. V ktorých odvetviach sa využívajú a na čo slúžia?
Presné výkovky sú tvárnené v uzavretých zápustkách po predošlom ohreve polotovaru na teplotu spracovania, čím sa zníži pretvárny odpor. Je to technológia objemového tvárnenia za tepla s veľmi malým odpadom. Výkovky sú vyrobené s minimálnymi prídavkami na opracovanie na plochách, ktoré sú v priamom kontakte s ďalšími súčiastkami. K tvárneniu dochádza pri vyšších tlakoch ako v otvorených zápustkách. Z toho vyplývajú rozmerové obmedzenia. Veľkosť súčiastok sa pohybuje v závislosti od materiálu rádovo do desiatok milimetrov. Touto technológiou je možné vyrábať súčiastky z kontinua – plného materiálu. V tomto prípade sa výkovky vyznačujú veľmi výhodnou makroštruktúrou, keď textúra kopíruje vonkajší tvar súčiastky, a sú vhodné na veľké zaťaženia. Ďalšou skupinou sú nekompaktné materiály v podobe práškov, granúl alebo vopred na použiteľnú veľkosť častíc upraveného trieskového odpadu po obrábaní. Pri tvárnení takýchto materiálov technologickou operáciou je dôležité skompaktovanie suroviny lisovaním, ktoré zabezpečí manipulovateľnosť s polotovarom a jeho hranovú pevnosť. Súčiastky môžu mať pôdorysne rôzne tvary. Presné výkovky majú veľmi široké použitie hlavne v pohonných a pohybujúcich sa mechanizmoch.
Presné výkovky majú veľmi široké použitie hlavne v pohonných a pohybujúcich sa mechanizmoch.
Ste spoluautorom patentu, ktorým je združený tvárniaci nástroj na spracovanie nekompaktných materiálov metódami práškovej metalurgie. Udelenie patentu na vynález je potvrdením jeho novosti a inovatívnosti. V čom spočíva vaše revolučné riešenie? Bolo náročné získať tento patent?
Zariadenie, ktoré je predmetom patentu, je určené na lisovanie, ohrev a kovanie nekompaktných materiálov v podobe práškových kovov, granúl alebo trieskových kovových odpadov. Zaužívané tvárniace postupy sú realizované na dvoch tvárniacich strojoch, medzi ktorými je ohrievacie zariadenie, a vzájomne sú spojené manipulačnými prvkami. Nové konštrukčné riešenie je navrhnuté ako jedna plynule pracujúca tvárniaca jednotka v spojení s ohrievacím zariadením. Upína sa v pracovnom priestore jedného tvárniaceho stroja, napríklad mechanického kľukového lisu, so súčasným zabezpečením ochrannej atmosféry pri spekaní a ohreve na teplotu kovania priamo v stroji. Je vhodné pre ktorúkoľvek oblasť tvárnenia, kde sa vyžadujú kombinácie tvárniacich postupov, ako sú lisovanie, kovanie v kombinácii so spekaním, termomechanické tvárniace postupy, a v hutníctve pri výrobe polotovarov. Prínosom je plynulé tvárnenie počnúc dávkovaním nekompaktného materiálu, zhutnenie s nadväzným termomechanickým dokončením na jednom pracovnom mieste. V prípade spracovania trieskového odpadu je jeho prínosom recyklácia v mieste alebo v blízkosti vzniku odpadu.
Doc. Ing. Alexander Schrek, PhD., v pracovnom prostredí. Zdroj: archív AŠ
V oblasti automobilového priemyslu sa intenzívne venujete problematike plošného tvárnenia, čiže menenia tvaru bez zmeny jeho hrúbky. Ktoré materiály na výrobu karosérie sú najviac využívané automobilkami dnes? Kde vidíte najväčšiu výzvu v práci s tvarovaním týchto materiálov?
Na výrobu výliskov nosnej štruktúry skeletov automobilov sa vo veľkej miere používajú kombinované polotovary tvorené materiálmi s odlišnými napäťovo-deformačnými vlastnosťami alebo odlišnými hrúbkami. Úlohou je dosiahnuť požadovanú tuhosť, pevnosť, ale zároveň schopnosť pohltiť deformačnú energiu pri náraze pri čo najmenšej hmotnosti a zabezpečiť bezpečnosť posádky pri prípadnej dopravnej nehode. Materiálový základ takýchto výliskov tvoria progresívne vysokopevné ocele umožňujúce vytvoriť konštrukcie s optimálnou pevnosťou, tuhosťou, hmotnosťou, rozmerovou presnosťou, bezpečnosťou a cenou.
V konštrukcii výliskov sú často využívané rôzne kombinácie materiálov s odlišnými pevnostnými a plastickými vlastnosťami (rôzne vysokopevné alebo kombinácia vysokopevných a hlbokoťažných ocelí s rôznou anizotropiou) alebo rozličné hrúbky plechov. Medzi veľmi často používané materiály kombinovaných polotovarov patria ocele. Zmeny štruktúry v teplom ovplyvnenej oblasti zvarového spoja ovplyvňujú ich pretvárne vlastnosti a môžu byť zdrojom tvorby trhlín pri výrobe výliskov. Tieto vstupné parametre spolu s tvarovou zložitosťou výliskov kladú vysoké nároky na riešenie procesu výroby z hľadiska konštrukcie nástrojov a nastavenia technologických parametrov. Najčastejším spôsobom vytvorenia spoja je laserové zváranie. V mieste spoja spôsobuje najužšiu teplom ovplyvnenú oblasť.
Materiály musia v automobile dosiahnuť požadovanú tuhosť, pevnosť, ale zároveň schopnosť pohltiť deformačnú energiu pri náraze pri čo najmenšej hmotnosti a zabezpečiť bezpečnosť posádky pri prípadnej dopravnej nehode.
Vhodná voľba technologických podmienok zvárania (výkon, rýchlosť zvárania) umožní udržať pretvárne vlastnosti v okolí zvarového spoja čo najbližšie k základnému materiálu. Aj tak ovplyvňuje laserový zvarový spoj tvárniteľnosť kombinovaných polotovarov (TWB/Taylor welded blanks). Na jej hodnotenie je možné použiť mnohé neštandardné technologické skúšky.
Ďalším významným materiálom sú hliníkové zliatiny. Používajú sa na podvozkové časti v podobe odliatkov alebo výkovkov, široké použitie nachádzajú plechy z hliníkových zliatin na predných kapotách automobilov. Boxy na akumulátorové články elektromobilov sú vyrábané z tenkostenných odliatkov, pretlačovaných profilov a plechov. Sú na ne kladené vysoké požiadavky na vzduchotesnosť a vodotesnosť. Samostatnou kapitolou sú celohliníkové karosérie využívajúce plechové výlisky, pretlačované profily, výkovky a odliatky. Vzhľadom na rozdielnosť vlastností a chemického zloženia zliatin na tvárnenie a odlievanie sa na spájanie jednotlivých dielov používajú mnohé nekonvenčné technológie.
Alexander Schrek s oceneniami. Napravo je pohár pre víťazný tím Majstrov sveta z roku 2022, vľavo pohár pre celkového víťaza súťaží svetového pohára 2008 v kategórii F2B – upútané akrobatické modely. Zdroj: archív AŠ
Plány do budúcnosti
Aké sú vaše aktuálne pracovné výzvy a plány do budúcnosti?
V súčasnosti okrem iného kolektív Ústavu technológií a materiálov rieši novú technológiu spájania metalurgicky nespojiteľných materiálov typu plast – kov alebo hliníková zliatina – oceľ, kde nachádzajú uplatnenie viaceré technológie – zváranie, tvárnenie a zlievanie. Zlievaním sa pripravujú dvojkomponentné polotovary na spojovacie prvky. Tvárnenie sa podieľa na výbere, príprave materiálov na tvorbu spojovacích prvkov, ich testovaní a výrobe spojovacích prvkov, keďže sú komerčne nedostupné. S tým bol spojený návrh vhodného výrobného postupu a nástrojového vybavenia. Zváranie a spájkovanie zastrešuje celé riešenie testovaním spojov a rieši aj procesné parametre ich tvorby. Ďalší členovia kolektívu sa venujú materiálovým analýzam.
