Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Mechatronika směřuje ke stále menším systémům

Mechatronika je definována jako účelná integrace mechaniky, elektroniky, informatiky a softwarového inženýrství do jednoho systému bez ohledu na fyzikální velikost jednotlivých komponent [1]. V poslední době se však zvyšuje tlak na miniaturizaci mechatronických systémů, který je podporován neustále se zmenšujícími rozměry elektronických komponent. V důsledku toho rychle roste zájem o efektivní výrobu velmi malých mechanických dílů s velkými požadavky na funkčnost a přesnost. Tento trend konec konců potvrdila i pódiová diskuse na téma Mechatronik – quo vadis?, kterou uspořádal německý odborný svaz pro senzoriku AMA v rámci doprovodného programu mezinárodního veletrhu Sensor + Test 2008 v Norimberku a za účasti předních německých odborníků na mechatroniku ji moderoval Dr. V. Oestrich, šéfredaktor odborného časopisu Drives & Motion.
 

Mikrovstřikování kovových prášků

Návrhem výroby mikromechanických dílů s charakteristickými rozměry v mikrometrické oblasti se v Německu velmi intenzivně zabývá Fraunhoferův ústav pro výrobní techniku a aplikovaný výzkum materiálu IFAM (Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung) v Brémách [2]. Jeho pracovníci se mimo jiné zaměřili na využití práškové metalurgie, umožňující vyrábět kovové díly v konečném tvaru bez potřeby většího opracování. Výrobní proces se skládá ze dvou kroků: po slisování (zhutnění) směsi kovového prášku a pojidla do požadovaného tvaru následuje slinování (spékání) výlisku za vysoké teploty a tlaku, při kterém dochází k difuznímu spojení částic prášku a k odstranění pojidla. Tlak pro slisování se pohybuje od 200 do 2 000 kPa podle druhu prášku, teplota slinování je mírně pod teplotou tavení kovového prášku. Výhodou je velmi přesná reprodukovatelnost a možnost kombinovat různé výchozí materiály. Modifikací práškové metalurgie je práškové vstřikové lití PIM (Powder Injection Molding), které se někdy ještě dělí na dvě metody: vstřikování kovových prášků MIM (Metal Injection Moulding) a vstřikování keramických prášků CIM (Ceramic Injection Moulding).
 
Odborníci IFAM vyvinuli postup mikrovstřikování kovových prášků (μ-MIM) speciálně přizpůsobený pro sériovou výrobu velmi malých mechanických dílů a mikrostruktur pro mechatronické systémy. Aby bylo možné vytvářet složité tvary výlisků i v mikrometrických rozměrech, používají se pro mikrovstřikování velmi jemné kovové prášky s částicemi velikosti do 5 μm. Prášky se promísí se speciálním pojivem a homogenní směs (Feedstock) se potom speciální mikrovstřikovací jednotkou vtlačuje do příslušných forem a následně se tepelně zpracovává. Vstřikovací jednotka byla navrhována pro snadnou manipulaci a pro dosažení vysoké kvality i těch nejmenších vyráběných dílů. Tímto výrobním postupem bylo v IFAM již úspěšně zhotoveno velké množství drobných dílů z prášků různých kovů a slitin (železa, ušlechtilé oceli 316L a 17-4PH, mědi, slitiny wolfram-měď aj.), které se uplatnily např. v technice mikropohonů, v mikrofluidice (mikroventily, mikropumpy aj.), v inteligentních senzorech, v lékařské technice i ve spotřební elektronice. Velikost nejmenších vyrobených dílů dosahovala 10 μm při poměru výšky a šířky 16 : 1. Na obr. 1 je ozubené kolečko vyrobené technikou μ-MIM, jehož průměr v konečné fázi (po slinování) je 850 μm.
 

Mikroreaktory – technika budoucnosti

Snahy o miniaturizaci se nevyhýbají ani chemii. Současnou novinkou jsou velmi malé reaktory neboli mikroreaktory, umožňující bezpečně a efektivně ovládat průběh chemických reakcí s malým množstvím reaktantů. Mikroreakční technika má velkou budoucnost a již nyní se uplatňuje zejména v chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu a v biotechnologii. Složité nebo kritické procesy malých množství látek lze v mikroreaktoru lépe řídit a přesněji kontrolovat z hlediska teploty a tlaku. Silně exotermní reakce, které jsou pro velká množství uvolňovaného tepla u standardních zařízení nebezpečné, probíhají v mikroreaktoru při nepatrném množství použitých substancí bezpečněji. Menší výrobní zařízení s mikroreaktory jsou navíc levnější a jejich provoz je hospodárnější. Přestože se v mikroreaktorech směšují jen kapky, postupně v nich lze přeměnit dostatečné množství látky. Výrobní množství lze snadno zvýšit paralelním řazením mikroreaktorů (numbering-up) a tím bez problémů přejít od laboratorní výroby do režimu běžné produkce.
 
Mikroreaktory kladou mimořádné požadavky na vlastnosti použitého materiálu, jako jsou dobrá tepelná a elektrická vodivost, pevnost nebo chemická odolnost, které obvykle dobře splňují správně zvolené kovové materiály. I pro jejich výrobu je velmi vhodná mikroprášková technika μ-MIM, která zatím jako jediná umožňuje vyrobit kovové díly s mikrostrukturovaným povrchem se soustavami kanálků o šířce od 50 do 500 μm. Navíc poskytuje možnost nechat zvolený kovový materiál působit v probíhající chemické reakci jako katalyzátor. To je obrovská přednost kovových mikroreaktorů oproti zařízením vyrobeným ze skla, křemíku či jiných materiálů. Na obr. 2 je ukázka mikromísiče vyrobeného v IFAM technikou μ-MIM z ušlechtilé oceli pro mikroreakční modul FAMOS.
 
V současné době se v IFAM dokončuje vývoj dvoukomponentové mikropráškové techniky (2K- μ-MIM), která umožní časově posunutým nebo současným vstříknutím dvou práškových materiálů s různými mechanickými nebo i fyzikálními vlastnostmi (např. pevností, odolností proti opotřebení, korozivzdorností nebo magnetickými schopnostmi) do jedné formy vyrábět bez dalšího montážního kroku i složitější mikromechanické díly.
 
Literatura:
[1] MAIXNER, L.: Od automatizace k mechatronice. Automa, 2007, 13, č. 4, s. 8–7.
[2] Mikrofertigung. Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen.
Ing. Karel Kabeš
 
Obr. 1. Ozubené kolečko s průměrem 850 μm vyrobené technikou μ-MIM (foto: Fraunhofer IFAM)
Obr. 2. Mikromísič vyrobený technikou μ-MIM z ušlechtilé oceli (foto: Fraunhofer IFAM)