Závěrečná zpráva projektu - Důležité akce Katedry pružnosti a

Závěrečná zpráva
grantového projektu FRVŠ č. 2552/2011 typ A/a s názvem
„Laboratoř mechanických vlastností moderních materiálů a defektoskopie“
Řešitel:
prof. Ing. Jan Fuxa, CSc.
Spoluřešitelé: doc. Ing. Radim Halama, Ph.D., Ing. František Fojtík, Ph.D.,
Ing. Radim Trojan, Ph.D.
Pracoviště:
Fakulta strojní a Fakulta metalurie a materiálového inženýrství VŠB-TU
Ostrava
Řešený projekt se zabývá vytvořením Laboratoře mechanických vlastností moderních
materiálů a defektoskopie na VŠB-Technické univerzitě Ostrava, která studentům umožní
získat praktické zkušenosti z oblasti nedestruktivního zkoušení materiálů (NDT), poznat a
pochopit základní fyzikální aspekty a mechanické vlastnosti nejmodernějších materiálů
používaných v automobilovém, leteckém a jiném průmyslu, jako jsou plasty, kompozity,
uhlíkové materiály, lehké slitiny a další.
Cíle řešení
Řešený projekt si kladl za cíl vytvořit moderní výukovou laboratoř mechanických vlastností
materiálů a defektoskopických nedestruktivních metod. Zařadit praktickou výuku v laboratoři
do osnov vybraných předmětů.
Dílčí cíle projektu byly v přihlášce stanoveny následovně:
Vybavit laboratoř mechanických vlastností moderních materiálů a defektoskopie
Univerzálním zkušebním strojem, pro realizaci základních mechanických zkoušek
v tahu, tlaku, ohybu a zkoušek tvrdosti.
Vybavit laboratoř přístrojem pro detekci povrchových a podpovrchových trhlin
využívající metodu vířivých proudů.
Pořízení materiálu pro instrumentaci práškových defektoskopických metod (z
prostředků VŠB-TU Ostrava).
Zařazení moderních technologií do výuky předmětů: Pružnost a pevnost, Nauka o
materiálu, Experimentální metody v mechanice, Úvod do MKP a dalších.
Zpracování typových laboratorních úloh pro seznámení s funkcí univerzálního
zkušebního zařízení, na kterých budou studentům vysvětleny a ukázány základní
statické, kvazistatické zkoušky různých materiálů.
Vytvoření laboratorní úlohy pro praktické osvojení použití moderních
nedestruktivních metod.
Monitorovat průběžný stav řešení projektu a vytvořit závěrečnou zprávu, která bude k
dispozici na web stránkách řešitele http://www.339.vsb.cz/ a webových stránkách
projektu http://aplmech.vsb.cz/labmvadef/.
Všechny plánované cíle projektu byly splněny.
Postup a způsob řešení
Postup řešení projektu byl plně přizpůsoben obecnému cíli projektu, kterým je vytvoření
Laboratoře mechanických vlastností moderních materiálů a defektoskopie. Za tímto účelem
bylo v rámci řešení projektu rozhodnuto zcela reorganizovat stávající laboratoř mechanického
zkoušení materiálu (místnost F124), která obsahovala zkušební zařízení značně zastaralé spíše
historické hodnoty, které vykazovalo velkou míru poruchovosti a zcela nesplňovalo moderní
požadavky na realizaci mechanických zkoušek daných standardními předpisy a normami.
Kromě samotného plánovaného nákupu univerzálního zkušebního stroje a přístrojů pro
nedestruktivní defektoskopické zkoušení materiálů bylo nejprve nutné vyklidit stávající
laboratoř a zajistit podmínky pro umístění nového vybavení. Byly provedeny následující
práce: Vytipování vhodného místa v laboratoři pro umístění univerzálního zkušebního stroje
tak, aby byl při výuce dostupný studentům a aby byla zajištěna dostatečná bezpečnost při jeho
obsluze. Byly odstraněny staré zkušební a pomocné stroje a realizovány stavební práce
spojené především s úpravou podlahy a přívodu kabeláže a napájecího zdroje k místu
umístění univerzálního zkušebního stroje. Pod univerzální zkušební stroj a jeho příslušenství
byl pořízen dostatečně tuhý laboratorní stůl. Veškeré náklady (finanční i personální) na tuto
reorganizaci, byly pokryty z prostředků univerzity, tj. převážně z rozpočtu katedry pružnosti a
pevnosti (339). Výsledný stav, kterého bylo společným úsilím dosaženo je i pro zvýraznění
estetické stránky zachycen na fotografii na obr. 1.
Obr. 1 Umístění univerzálního zkušebního stroje v laboratoři.
Součástí pracoviště budovaného v rámci tohoto projektu je i pracoviště zaměřené na
prezentaci nedestruktivních defektoskopických metod.
Nedestruktivní metody zkoušení (NDT) nabývají v současné době stále většího významu a to
zejména díky širokému rozsahu možných aplikací. V rámci projektu byly zakoupeny
prostředky pro realizaci zkoušek v oblasti vířivých proudů, kapilární metody a magnetické
práškové metody. Uvedené metody budou prezentovány studentům prvního ročníku
v předmětech s názvem Nauka o materiálu a Vlastnosti a zkoušení materiálů.
Pro potřeby seznámení posluchačů s metodou vířivých proudů byl na základě výběrového
řízení zakoupen přístroj fy ETHER NDE- typ: IVER001, jehož součástí jsou rovněž dvě
zkušební sondy PS200PC195 s frekvencí 200 kHz a PS002PD064 s frekvencí 2 MHz.
Přiložené sondy plně postačují jak výukovým, tak i experimentálním účelům. První
zmiňovaná sonda je vhodná především pro účely detekce povrchových trhlin a
podpovrchových trhlin v malé hloubce pod povrchem. Sonda s pracovní frekvencí 2 MHz se
naproti tomu uplatní v oblasti detekce čistě povrchových trhlin. Na následující fotografii
(Obr.2) je vyobrazen uvedený přístroj, včetně příložné sondy s pracovní frekvencí 2 MHz.
Nespornou výhodou tohoto systému jsou kompaktní rozměry, operativnost a uživatelská
přístupnost v prostředí OS Windows.
Obr. 2 Přístroj ETHER NDT včetně příložné sondy
Pro účely zkoušení pomocí kapilární metody byl zakoupen 2x penetrant (PFINDER 860),2x
vývojka (PFINDER 970) a 2x čistič (PFINDER 890) ve sprejích. V případě magnetické
práškové metody bylo nutné zakoupit suspenzi bílého magnetického prášku (2x PFINDER
280), suspenzi černého magnetického prášku (2x PFINDER 250) a suspenzi fluorescenčního
magnetického prášku (2x PFINDER 150). Z finančních prostředků VŠB-TUO byl navíc
zakoupen ruční magnetizér a UV lampa, která má také použití v případě kapilární metody a
odpovídajícího penetrantu. Prostředky pro magnetickou práškovou metodu a kapilární metodu
(obr.3) byly rovněž financovány ze zdrojů řešitelského pracoviště.
Obr. 3 Prostředky pro metodu kapilární a metodu magnetickou práškovou
Obr. 4 UV lampa a ruční magnetizér (použití pro magnetickou práškovou metodu)
Na následujících snímcích je možné shlédnout trhliny indikované kapilární (Obr. 5) a
magnetickou práškovou metodou (Obr. 6 a 7).
Obr. 5 Trhliny detekované kapilární metodou
Obr. 6 Trhliny detekované magnetickou práškovou metodou pod UV světlem
Obr. 7 Trhliny detekované magnetickou práškovou metodou pod UV světlem
Řešení dílčích věcných i administrativních problémů při reorganizaci laboratoře F124 bylo
časově náročné. Tyto časové průtahy se projevily v pozdější realizaci nákupu laboratorní
techniky a částečně omezených možnostech výuky v laboratoři F124 v průběhu zimního
semestru šk. r. 2011/12.
Při realizacích samotných plánovaných nákupů univerzálního zkušebního stroje a jeho
příslušenství, zařízení pro detekci povrchových a podpovrchových trhlin a materiál pro
instrumentaci práškových defektoskopických metod bylo postupováno v souladu s právním
řádem ČR a vnitřními předpisy univerzity. Na jednotlivé dodávky byly vypsány veřejné
zakázky malého rozsahu, každá byla vyhodnocena komisionálně s protokolárně
dokumentovaným průběhem.
Náplň, postup a způsob řešení projektu byly provedeny zcela v souladu s přihláškou projektu,
tj. projekt byl řešen beze změn vůči podané přihlášce.
Výsledky a výstupy řešení včetně prezentace
Výsledkem projektu je nové pracoviště mechanického a nedestruktivního zkoušení materiálů
sloužící ke vzdělávání studentů konstrukčních oborů fakulty strojní a fakulty metalurgie a
materiálového inženýrství. Takto koncipované, nově vytvořené pracoviště vzniklo na bázi
nových dostupných technologií a je tvořeno: Univerzálním zkušebním zařízením
umožňujícím realizovat běžné mechanické zkoušky materiálů, jakými jsou zkoušky v tahu,
tlaku, tříbodovém ohybu, zkoušky tvrdosti, s možností realizace i dalších cyklických zkoušek
jako jsou zkoušky cyklické tvrdosti a nebo i zkoušky nízkocyklové únavy materiálů na
různých konstrukčních materiálech. K realizaci těchto zkoušek bylo univerzální zkušební
zařízení v rámci tohoto projektu vybaveno hydraulickými čelistmi s výkonným hydraulickým
agregátem a moderním poloautomatickým průtahoměrem velkého zkušebního rozsahu. Dále
byl pořízen ruční přenosný přístroj pro detekci povrchových a podpovrchových trhlin
založený na metodě vířivých proudů se základními sondami pro detekci uvedených vad a
materiál pro instrumentaci práškových defektoskopických metod.
Výsledkem realizace projektu je významné zkvalitnění procesu výuky studentů konstrukčních
oborů fakulty strojní a fakulty metalurgie a materiálového inženýrství, a to ve smyslu
zavedení laboratorní výuky vybraných předmětů, což doposud bylo možné pouze v omezené
míře a nebo v některých případech nebylo možné vůbec. Lektor tak má nyní možnost v rámci
výuky nejenom rozebrat danou zkušební metodiku a její výsledky teoreticky, ale zároveň
možnost ukázat a nechat studenty si danou problematiku tzv. osahat přímo v laboratoři, což je
neocenitelnou pomůckou při samotné výuce a v neposlední řadě velkým zážitkem i oživením
klasické výuky před tabulí.
Konkrétní výstupy
Univerzální trhací stroj
Toto zařízení sestává z:
1 ks Univerzální testovací stroj TESTOMETRIC M500-50CT včetně příslušenství:
2 ks hydraulické upínací čelisti Instron
1 ks hydraulický agregát s ovládáním určený k napájení čelistí
4 ks vložky do upínacích čelistí ploché (od 0 do 8 mm)
4 ks vložky do upínacích čelistí prismatické (od 8 do 16 mm)
1 ks símač síly v tahu/tlaku 50 kN s citlivostí i pro malé zatížení
1 ks poloautomatický průtahoměr (od 0 do 500 mm)
1 ks osobní počítač s monitorem
Zařízení pro detekci povrchových a podpovrchových trhlin
Toto zařízení sestává z:
1 ks přístroj ETHER NDE- typ: IVER001 včetně příslušenství:
1 ks zkušební sonda PS200PC195 – 200 kHz
1 ks zkušební sonda PS002PD064 – 2 MHz
Materiál pro instrumentaci práškových defektoskopických metod
Tento materiál sestává z:
Kapilární metoda:
2 ks penetrant PFINDER 860
2 ks čistič PFINDER 890
2 ks vývojka PFINDER 970
Magnetická metoda prášková:
2 ks suspenze bílého magnetického prášku PFINDER 280
2 ks suspenze černého magnetického prášku PFINDER 250
1 ks suspenze fluorescenčního magnetického prášku PFINDER 150
1 ks ruční magnetizér
1 ks UV lampa
Zařazení do výuky
ZS 2011/12 – pilotní běh laboratoře;
vytížení laboratoře F124 výukou předmětů: Nauka o materiálu, Experimentální pružnost
v rámci pilotního běhu projektu byly vytvořeny tyto testovací úlohy:
Tahová zkouška: Tato zkouška je prováděna na pořízeném univerzálním zkušebním stroji.
Náplň úlohy spočívá v seznámení studentů s univerzálním zkušebním zařízením, s jeho
zkušebními možnostmi, vybavením, příslušenstvím, obsluhou tvary a rozměry možných
zkušebních vzorků. Upnutí vhodného typu zkušebního vzorku z vybraného materiálu,
nastavení průtahoměru, nastavení počátečních parametrů tahové zkoušky, realizace tahové
zkoušky, výpočet daných mechanických parametrů ze získaných průběhů a sestavení
zkušebního protokolu.
Obr. 8 Vzor protokolu z realizované tahové zkoušky
Obr. 9 Ukázka přetržených vzorků
Zkouška tvrdosti podle Brinella: Tato zkouška je prováděna na pořízeném univerzálním
zkušebním stroji. Náplň úlohy spočívá v seznámení studentů s univerzálním zkušebním
zařízením, s jeho zkušebními možnostmi, vybavením, příslušenstvím a obsluhou. Osazení
zkušebního stroje vhodným příslušenstvím, určeným k měření tvrdosti podle Brinella.
Upnutí vhodného typu zkušebního vzorku z vybraného materiálu, nastavení počátečních
parametrů zkoušky tvrdosti, realizace zkoušky tvrdosti, změření otisku Brinellovou lupou,
výpočet hodnoty tvrdosti a sestavení zkušebního protokolu, porovnání s měřením tvrdosti
podle jiných metod.
Nedestruktivní metody - Detekce povrchových a podpovrchových trhlin s využitím metody
vířivých proudů: Tato zkouška je prováděna s využitím pořízeného přístroje ETHER NDE
a jedné z přiložených sond. Náplň úlohy spočívá v seznámení studentů s principy a
použitím metody vířivých proudů a rovněž také se samotným ovládáním daného
zkušebního zařízení včetně použití příslušenství. Posluchači mají za úkol detekovat
povrchové, resp. podpovrchové trhliny na hliníkových vzorcích, u kterých mají posléze
stanovit jejich směr, délku a přibližnou hloubku trhliny. Výhoda pořízeného zkušebního
zařízení spočívá v evaluaci zkoušky přímo prostřednictvím notebooku, který je možné
propojit s dataprojektorem a vizualizérem zároveň a prezentovat tak průběh zkoušky
většímu počtu posluchačů (přednáška).
Nedestruktivní metody – Detekce povrchových trhlin s využitím kapilární metody: Tato
zkouška je prováděna s využitím pořízeného příslušenství (čistič, penetrant, vývojka fy
PFINDER) a má za úkol studentům přiblížit princip a použití kapilární metody v praxi.
Náplní úlohy je detekce povrchových trhlin na vybrané strojní součásti. Postup metody
spočívá v očištění zkoušeného povrchu čističem PFINDER 890 a jeho následného osušení.
Posléze se na zkoušený povrch nanáší penetrant PFINDER 860, který pro daný penetrační
čas vzlíná do trhlin. Po uplynutí penetračního času je nutné přebytečný penetrant utřít
suchým hadrem a nanášet vývojku PFINDER 970, která má za následek zpětné vzlínání
penetrantu z trhlin na povrch. Trhliny, detekované prostřednictvím kapilární metody, jsou
zobrazeny na obrázku č. 5 výše.
Nedestruktivní metody – Detekce povrchových trhlin s využitím magnetické práškové
metody: Tato zkouška je prováděna s využitím pořízeného příslušenství (suspenze
bílého/černého/fluorescenčního magnetického prášku a ručního magnetizéru, případně UV
lampa) a má za úkol studentům přiblížit princip a použití magnetické práškové metody v
praxi. Náplní úlohy je detekce povrchových trhlin na vybrané strojní součásti. Postup
spočívá v nanesení bílého/černého/fluorescenčního magnetického prášku na zkoušený
povrch, který je posléze zmagnetizován ručním magnetizérem. Trhliny, detekované
prostřednictvím magnetické metody práškové, jsou zobrazeny na obrázcích 6 a 7 výše.
LS 2011/12 a další – plný provoz laboratoře
časový harmonogram výuky viz: <http://rozvrh.vsb.cz/>
(oproti přihlášce navíc předměty Vlastnosti a zkoušení materiálů a Experimentální
pružnost na FS VŠB-TU Ostrava)
Prezentace výsledků projektu
Výsledky řešeného projektu jsou prezentovány prostřednictvím web stránek projektu a rovněž
budou prezentovány na konferencích a v časopise Akademik.
Konference Aplikovaná mechanika 2011
Přihlášený příspěvek s názvem: Inovace výuky zavedením Laboratoře mechanických
vlastností moderních materiálů a defektoskopie
Autoři: Halama, Fojtík, Fuxa, Trojan
Přihlášený příspěvek si klade za cíl seznámení odborné veřejnosti s přínosy inovativního
řešení nově vytvořené Laboratoře mechanických vlastností moderních materiálů a
defektoskopie pro výuku na Fakultě strojní a Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství
VŠB-TU Ostrava.
Časopis Akademik
Podaný článek s názvem: Inovace laboratoře mechanických vlastností moderních materiálů na
Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava
Autoři: Halama, Fojtík, Fusek
Přihlášený článek informuje členy akademické obce VŠB-TU Ostrava mimo jiné o podpoře
experimentu ve výuce na fakultě strojní v oblasti zkoušení mechanických vlastností
moderních materiálů.
Web stránky projektu
http://aplmech.vsb.cz/labmvadef/
Výsledky projektu budou prezentovány také na „Dni otevřených dveří FS“ dne 3.2.2012:
Zájemcům bude umožněna návštěva laboratoře, včetně ukázkové realizace vybraných
zkoušek.
Čerpání finančních prostředků
Při realizaci výběrového řízení na vybavení pracoviště s názvem: Laboratoř mechanických
vlastností moderních materiálů a defektoskopie univerzálním zkušebním strojem, včetně
hydraulických čelistí a průtahoměru, včetně příslušenství, byl proveden průzkum trhu u
dodavatelů zkušební techniky, kteří mají zastoupení v České republice, a následně byli tito
osloveni ve výběrovém řízení dle VŠB-TU Ostrava ve smyslu zákona č. 137/2006 Sb., o
veřejných zakázkách. Výhodou tohoto způsobu řešení bylo zaručení splnění požadovaných
parametrů kladených na zkušební zařízení za požadovanou cenu. Smlouva byla uzavřena s
firmou Labor Machine s.r.o., jejíž nabídka se umístila na prvním místě výběrového řízení
vypsaného z titulu tohoto projektu.
Nákup vířivoproudého přístroje pro detekci povrchových a podpovrchových trhlin byl
realizován analogicky formou výběrového řízení. Jako nejlepší byla vybrána nabídka firmy
PTS Solnař s.r.o na přístroj VERITOR, který díky propojení s notebookem či touchpadem
umožňuje prezentaci zkoušky pro větší počet lidí přes dataprojektor.
Nákup materiálu pro instrumentaci práškových a kapilárních metod NDT byl realizován
z prostředků hlavního řešitelského pracoviště. Zbývající částka odpovídající spoluúčasti VŠBTUO byla použita na pořízení stolu pro univerzální zkušební stroj s příslušenstvím (obr.1).
Úplný výčet kapitálových výdajů (investice):
Testovací stroj TESTOMETRIC M500-50CT včetně příslušenství ………….......1 569 037,- Kč
Defektoskop ETHER NDE- typ: VERITOR (IVER001)……………………………162 963,- Kč
Celkem investice..............................................1 732 000,- Kč
Neinvestiční výdaje:
Prostředky pro práškové a kapilární metody ……………………….……………..……1 966,- Kč
UV lampa a magnet …………………………………………………………………...….18 036,- Kč
Stůl pro TESTOMETRIC M500-50CT ……………………………………………....….9 998,- Kč
Celkem neinvestiční náklady.............................................. 30 000,- Kč
Celkem..............................................1 762 000,- Kč
Z toho z projektu Fondu rozvoje VŠ MŠMT: 1 732 000,- Kč
Příspěvek VŠB-TUO FS:
30 000,- Kč
Přílohou výčtu finančních položek je výpis z programu SAP potvrzující vynulování
přiděleného účtu (viz další dva listy - investiční resp. neinvestiční prostředky).